直線無刷雙饋發(fā)電機的研究鄒競帆

1、目錄中文摘要1英文摘要21 緒論41.1 無刷雙饋電機的發(fā)展及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.2無刷雙饋電機的研究意義和應(yīng)用前景51.2.1 無刷雙饋電機在變頻調(diào)速中的應(yīng)用61.2.2 無刷雙饋電機在變速恒頻發(fā)電中的應(yīng)用91.3無刷雙饋電機的優(yōu)點與缺點81.4 本文主要研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)91.5 本章總結(jié)102 無刷雙饋電機的基本理論112.1無刷雙饋電機的結(jié)構(gòu)112.1.1定子繞組的研究和設(shè)計112.1.2轉(zhuǎn)子套組的研究和設(shè)計112.2無刷雙饋電機的工作原理132.3無刷雙饋電機的運行方式152.3.1自起動與異步運行152.3.2 同步運行方式152.3.3 雙饋調(diào)速運行方式162.3.4 發(fā)電機運行方式

2、172.4本章總結(jié)183仿真軟件與有限元分析方法193.1 Ansoft軟件的簡介193.2有限元分析方法的簡介193.2.1無刷雙饋電機有限元分析的假設(shè)條件193.2.2無刷雙饋電機有限元分析的基本方程203.3本章總結(jié)204 直線無刷雙饋發(fā)電機的仿真結(jié)果與分析214.1直線電機基本理論的簡介214.2 直線無刷雙饋發(fā)電機的提出254.3 直線無刷雙饋發(fā)電機Maxwell 2D模塊的仿真264.3.1模型的建立264.3.2模型的網(wǎng)格剖分274.3.3求解設(shè)置284.4 直線無刷雙饋發(fā)電機仿真結(jié)果及分析284.5本章總結(jié)325 直線無刷雙饋發(fā)電機的總結(jié)與展望335.1 全文總結(jié)335.2 直

3、線無刷雙饋發(fā)電機的展望33謝辭34參考文獻35直線型無刷雙饋發(fā)電機的研究摘要：無刷雙饋電機是最近些年越來越被大量學者關(guān)注并加以研究的一種新型電機。無論在交流調(diào)速系統(tǒng)，還是在變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)都展現(xiàn)非常好的研究和應(yīng)用前景。無刷雙饋電機同時包含了同步電機和異步電機的特點，具有兩套極數(shù)不相同的定子繞組，分別為功率繞組和控制繞組，并通過具有籠型或者磁阻型結(jié)構(gòu)的 轉(zhuǎn)子進行磁耦合。無刷雙饋電機沒有了電刷和滑環(huán)，無刷雙饋電機將電機運行更加穩(wěn)定可靠，維護的費用進一步削減,并且良好的起動與工作的性能使得異步、同步、雙饋和變速恒頻發(fā)電等諸多工作方式更加容易實現(xiàn)和轉(zhuǎn)換。結(jié)合中外文獻，本文先對無刷雙饋電機的起源和發(fā)展進

4、行了回顧，并探討了無刷雙饋電機的研究意義和發(fā)展前景。在基于無刷雙饋的結(jié)構(gòu)特點和工作原理的基礎(chǔ)上，介紹了無刷雙饋電機的各種運行方式，同時分析了無刷雙饋電機的優(yōu)缺點。本文在介紹了Ansoft軟件的特點功能后，探討了直線電機較傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機的諸多優(yōu)點，進而提出了直線無刷雙饋電機的發(fā)電機。由于直線無刷雙饋發(fā)電機目前只處于理論階段，所以利用Ansoft軟件的二維瞬態(tài)場建立直線無刷雙饋發(fā)電機的Maxwell-2D模型，并基于直線無刷雙饋發(fā)電機的模型進行有限元分析計算，最后對計算的仿真結(jié)果圖進行分析，從發(fā)出電能的角度說明直線無刷發(fā)電機的可行性。關(guān)鍵詞：無刷雙饋電機；直線電機；直線無刷雙饋發(fā)電機；發(fā)電功能Re

5、search of linear brushless doubly-fed generatorAbstract：BDFM is a new type of motor which is recently and increasingly concerned and study by the large number of scholars. Both in AC drive system, or in the VSCF system,it is showing very good research and application prospects.BDFM also includes the

6、 features of the synchronous and asynchronous motors,BDFM has two stator windings in which has different number of poles,namely, the power winding and control winding,and magnetically coupled by the rotor which have a cage-type structure or reluctance structure. Not having brushes and slip rings, BD

7、FM can runs more stable and reliably,and need less maintenance costs,moreover,its starting with the good performance of work makes asynchronous, synchronous, and doubly-fed VSCF power generation, and many work more easily achieved and conversion.Combination of Chinese and foreign literature, this ar

8、ticle reviews the origins and development of the BDFM and discusses the significance of the research and development prospects of BDFM.On the basis of the structural characteristics and working principle of BDFM, the paper describes the various modes of operation BDFM, while analyzing the advantages

9、 and disadvantages of BDFM.This paper describes the characteristics of Ansoft software feature explores the many advantages of linear motor ,compared to conventional rotary motor, and then puts forward the straight BDFG. Since the linear brushless doubly-fed generator is currently only in the theore

10、tical stage,In this paper, we use two-dimensional transient field Ansoft software to build Maxwell-2D model of linear brushless doubly-fed generator ,and analyzes the model of linear BDFG by finite element theories. Finally, analyzes the simulation results Figure of calculation.In this way,this pape

11、r instructs linear brushless generator,from the perspective of energy conversion, is feasible. Keywords:BDFM；linear motor；linear brushless doubly-fed generator；generating function1 緒論無刷雙饋電機作為一顆近年來在電機產(chǎn)業(yè)中發(fā)展起來的新星，是一種新式交流調(diào)速電機的類型，既可以用來作為發(fā)電機，也能夠作為電動機。該電機是由功率繞組和控制繞組組成，它們定子繞組相互獨立而通過轉(zhuǎn)子繞組通過磁場耦合完成機電能量轉(zhuǎn)換。本章首先向我

12、們介紹了無刷雙饋電機的發(fā)展的過程和目前國內(nèi)外對其研究情況，然后探討了無刷雙饋電機的科研意義和未來應(yīng)用價值，再闡述了無刷雙饋電機的一些優(yōu)點與缺點，最后將本文主要研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)簡單敘述出來。1.1 無刷雙饋電機的發(fā)展及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀圖1.1 串級感應(yīng)電機示意圖如圖1.1所示。兩臺繞線式異步感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子連接在一起，這種裝置就是串級感應(yīng)電機。兩臺繞線式異步感應(yīng)電動機是通過相同軸方向連接組成的，進而逐步發(fā)展成為無刷雙饋電機。在第二十世紀開始，由于成本和性能方面的考慮，學者曾幾次試圖將它發(fā)展成一個單一的單元級聯(lián)式感應(yīng)電動機。在1907年，亨特提出了一種新穎的電機，該電機定子與轉(zhuǎn)子繞組具有不同極數(shù)，同時定

13、轉(zhuǎn)子繞組共用相同的磁路1。之后的格瑞迪根據(jù)亨特提出的基本理論上，對這種電機進行了進一步的改進，提出一些可行的極數(shù)組合，無刷雙饋電機的雛形就這樣形成了2。然而由于電力電子器件發(fā)展的限制以及計算機控制技術(shù)的局限，雖然該電機在初期取得了一些經(jīng)濟效益，但是隨后研究工作陷入了停滯階段。20世紀70年代左右，隨著電力電子技術(shù)和計算機控制極數(shù)的發(fā)展，由于無刷雙饋電機固有的一些優(yōu)勢，學者們又重新對該種電機進行了研究。布羅德韋根據(jù)亨特的基本理論提出了一種特殊結(jié)構(gòu)的籠型轉(zhuǎn)子，同時運用轉(zhuǎn)子槽的矢量圖具體討論該種特殊結(jié)構(gòu)對定子兩種不同繞組的“極數(shù)轉(zhuǎn)換器”調(diào)制效應(yīng)3。隨后，布羅德韋等人通過研究籠型轉(zhuǎn)子短路繞組的磁障作用

14、后，發(fā)現(xiàn)磁阻型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以來替換短路籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)4。從第二十世紀80年代以來，國內(nèi)外學者們對具有籠型和磁阻型這兩種轉(zhuǎn)子的無刷雙饋電機的設(shè)計和它們各自的控制方法進行了更為深刻的研究，并形成了各自相應(yīng)的研究體系。 從第二十世紀70年代以來，美國威斯康星大學，俄亥俄大學，俄勒岡大學，英國的劍橋大學、澳大利亞的紐卡斯爾大學等高等學校在無刷雙饋電機各方面都進行了更深的研究活動。在國外，以無刷雙饋電機的研究對象的不同可以分為兩大流派，其一是美國俄勒岡州立大學和英國劍橋大學等研究團隊，他們對具有籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷雙饋電機進行了研究；另一是威斯康星州大學和俄亥俄州立大學等研究研究團隊，他們則對具有磁阻型轉(zhuǎn)子結(jié)

15、構(gòu)的無刷雙饋電機進行了。他們在對無刷雙饋電機所采用的研究方法因為具有這兩種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)而有所差別，進而形成了兩種不同的研究體系。在國內(nèi)，上世紀80年代末沈陽工業(yè)大學研究團隊首先開展了無刷雙饋電機的研究工作并獲得了國家自然科學基金項目的支持，隨后的浙江大學、重慶大學、西安交通大學、華南理工大學、太原理工大學也開始了對無刷雙饋電機的研究。目前國內(nèi)外對無刷雙饋電機的研究內(nèi)容主要集中于電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、電機的等效電路模型及參數(shù)計算等方面。近年來，隨著風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，對無刷雙饋電機用于風力發(fā)電領(lǐng)域的控制策略的研究也一直是關(guān)注的很大一部分。1.2無刷雙饋電機的研究意義和應(yīng)用前景無刷雙饋電機同時包含了同步

16、電機和異步電機的特點，屬于交流電機的一種，但這種電機的結(jié)構(gòu)組成以及工作過程和傳統(tǒng)的交流電機又有很大的不同。無刷雙饋電機沒有電刷和滑環(huán)，它的兩套極數(shù)不相同的定子繞組（功率繞組和控制繞組）沒有直接的磁耦合，而是通過具有籠型或者磁阻型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子進行磁耦合5-9。無刷雙饋電機的機電能量轉(zhuǎn)換原理是運用轉(zhuǎn)子的磁動勢諧波或者磁導諧波對定子繞組有差別的極數(shù)旋轉(zhuǎn)磁場的調(diào)制效應(yīng)來完成的，所以控制繞組連接方式的變換或者外加電源的頻率的改變都會讓無刷雙饋電機在多種運行方式中轉(zhuǎn)換。最近十年來,無刷雙饋電機成了眾多國內(nèi)外學者爭相研究的對象。和籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機一樣，沒有了電刷和滑環(huán)，無刷雙饋電機將電機運行更加穩(wěn)定可靠，維護

17、的費用進一步削減,并且良好的起動與工作的性能使得異步、同步、雙饋和變速恒頻發(fā)電等諸多工作方式更加容易實現(xiàn)和轉(zhuǎn)換。限制傳統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的一些核心技術(shù)問題，以及在水利、風力發(fā)電系統(tǒng)方面的變速恒頻問題都有可能在對無刷雙饋電機的進一步探索中得到解決。所以,我們就有了在更加深入研究無刷雙饋電機這條道路上堅定的走下去的理由，這項事業(yè)有著十分重要意義。同時，對無刷雙饋點這一新型電機的研究，開發(fā)和應(yīng)用在眾多國內(nèi)外學者的推動下已經(jīng)有了不小的突破：1.2.1 無刷雙饋電機在變頻調(diào)速中的應(yīng)用交流變頻調(diào)速傳動這么多年的發(fā)展,可以看出，它有潛力比肩于直流調(diào)速傳動。直流調(diào)速傳動系統(tǒng)有正在被它一步一步地代替的趨勢。當應(yīng)

18、用在電氣傳動上時,交流變頻調(diào)速傳動可以使設(shè)備的結(jié)構(gòu)變得簡單，讓原有的技術(shù)效能得到提高，也更節(jié)電。盡管做了推廣，但目前我國變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)的應(yīng)用增長很緩慢,原因主要有下面兩個10:變頻調(diào)速裝置還是過多地進口昂貴的國外設(shè)備,僅僅在節(jié)電上,要經(jīng)過3至6年的設(shè)備改造才能扭虧為盈; 針對高壓電機來說，其變頻調(diào)速裝置的方案有兩種:第一種是高壓直接變頻,但是該方法需要很多的器件，結(jié)構(gòu)也很復雜；第二種是高一低一高的變頻，但需另增加額外設(shè)備即兩臺變壓器。兩者都面臨這些問題：功率因數(shù)不高而諧波所占比例較高,二者均需要花費大量初期資金,但不能達到令人滿意的可靠性。在諸如發(fā)電廠和鋼鐵廠這些生產(chǎn)部門中,負載中存在廣泛多

19、樣的通風機和水泵,相比于閥門擋板，若采用交流變頻調(diào)速裝置來調(diào)節(jié)流量，可以很大程度地做到節(jié)能。但即便如此,由于變頻器(特別是大中容量的變頻器)過于昂貴，風機泵類負載中卻很難采用普通的變頻調(diào)速系統(tǒng),所以，這往往使變頻調(diào)速在大中型電機成為一句空話。所以，若想使變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)能被廣泛地使用，至關(guān)重要的一環(huán)就在于研究如何通過降低所需變頻器容量以降低整個調(diào)速系統(tǒng)的成本。無刷雙饋電機調(diào)速傳動系統(tǒng)讓以上難題迎刃而解11。無刷雙饋電機在結(jié)構(gòu)上不再裝設(shè)滑環(huán)和電刷,既能夠使電機運行起來更可靠,又可節(jié)約維護電機的費用,這一點和磁阻型轉(zhuǎn)子電機或籠型轉(zhuǎn)子電機是相同的。另外，它性能良好，起動與運行表現(xiàn)得都很出色,可實現(xiàn)多

20、種運行方式：異步、同步、雙饋等12。它具有以下特點:當系統(tǒng)采用了無刷雙饋電機調(diào)速時,絕大多數(shù)的輸入電功率要輸入給定子功率繞組，它可以使用50Hz交流電，即直接接入電網(wǎng),而定子控制繞組的"轉(zhuǎn)差功率”就只由變頻器來提供。優(yōu)點如下：成本降低，更能可靠運行，無刷化真正實現(xiàn)13；可以調(diào)節(jié)功率因數(shù),線路損耗得以減少，無功功率補償裝置的初期花費也能降低，并使調(diào)速系統(tǒng)的力能指標有了提高；相比,由于去掉了電刷和滑環(huán),相比有刷雙饋和串級調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠更可靠地運行。電動機可以經(jīng)受住不利條件而穩(wěn)定地作為感應(yīng)電動機運行，甚至是變頻器出現(xiàn)了故障；對于運行中的電機，僅有控制繞組和功率繞組的頻率、相序能決定電

21、機轉(zhuǎn)速,而無論負載轉(zhuǎn)矩大小都不會影響轉(zhuǎn)速,所以電機的機械特性很硬14;高壓電機的調(diào)速傳動往往有一系列問題：花費高，不可靠，污染電網(wǎng)的諧波所占比例大等。但如果采用無刷雙饋電機的調(diào)速系統(tǒng),就可以有效的解決高壓電機變頻調(diào)速系統(tǒng)前述的問題。因為在無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)中，由高壓電源供給功率繞組,由普通的低壓變頻器供給控制繞組15-17。無刷雙饋電機的應(yīng)用開發(fā)的市場，要以風機、泵類機械為主攻方向，它們耗去了全國發(fā)電量的30%,只要對全國當前存在的3700萬臺設(shè)備中的三成進行調(diào)速節(jié)能改造,就可每年節(jié)約120億kw·h的電,差不多是80億元,一到一年半時間即可拿回改造的投資。如果能結(jié)合新增加的配套設(shè)

22、備將會起到更大的節(jié)電效果。所以非常有利于經(jīng)濟效益的提高和節(jié)能降耗，它的推廣應(yīng)用現(xiàn)實意義不言而喻。1.2.2 無刷雙饋電機在變速恒頻發(fā)電中的應(yīng)用隨著地球能源的消耗，新能源（又名可再生能源）受到大家越來越多的關(guān)注。太陽能、風能、地熱能、潮汐能和生物能等都算的上是可再生能源18。風力發(fā)電是一種依靠風能轉(zhuǎn)換的產(chǎn)生電能的技術(shù),隨著它的飛速發(fā)展的,越來越多的人注意到它。目前，風電的單機容量已經(jīng)能夠做的很大,并且耗費成本都減少與常規(guī)能源的耗費成本相提并論。對于其它新能源,像太陽能、海洋能這一類,它們的發(fā)展遠遠比不上風力發(fā)電電,原因就是在現(xiàn)在的情況下這些新能源發(fā)電所需要的成本實在太高了。雖然變速風力發(fā)電系統(tǒng)有

23、很多種，但如今依然存在很多缺點。就像前面所說到的，依靠繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機產(chǎn)生電能的交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)在最近幾年有了長足的發(fā)展，越來越多的學者投入其中20。這種研究的發(fā)展不僅實現(xiàn)了變速恒頻的控制而且將變頻器容量大大減少，大約占系統(tǒng)的一半。除此之外，方便控制有功功率和無功功率可以補償電網(wǎng)的無功功率，這對電網(wǎng)很有益。但滑環(huán)和電刷依然是這種繞線感應(yīng)電機的硬傷，它很大程度上限制了電機運行環(huán)境，從而造成電機成本和維護費用的增加。這個缺點造成的損失將會有無刷雙饋電機的越來越廣泛的運用而補償回來。 但從現(xiàn)在關(guān)于無刷雙饋點機研究情況來看，我們要加強對變速恒頻無刷雙饋電機的深入研究，以用來平衡在無刷雙饋電

24、機電動和發(fā)電狀態(tài)的研究19，這將大大增加風力發(fā)電的發(fā)張步伐。無刷雙饋電機顧名思義就是沒有電刷也能夠完成能量雙饋的運行，同時電機的轉(zhuǎn)速和功率因素都可以調(diào)節(jié)。當無刷雙饋電機的功率繞組產(chǎn)生電能，控制繞組用來作為交流勵磁，那么此時無刷雙饋點機工作在交流勵磁發(fā)電狀態(tài)。電機的變速恒頻發(fā)電狀態(tài)可以通過電機轉(zhuǎn)速變化調(diào)整得以實現(xiàn)，而電機的功率因素則通過勵磁電流的幅值和相位的調(diào)整得以調(diào)節(jié)14。無刷雙饋電機可變速運行的柔性聯(lián)接改變了以往傳統(tǒng)同步發(fā)電機系統(tǒng)恒速運行的剛性聯(lián)接，這樣發(fā)電系統(tǒng)變的更加可靠平穩(wěn)。特別是無刷雙饋點機運用到風電和水電當中，通過發(fā)電機變速工作狀態(tài)使得整個系統(tǒng)處于一個效率很高的狀態(tài)，能高效率的利用風

25、能和水能。所以無刷雙饋點機的研究運用價值能很好的在風力發(fā)電和水力發(fā)電中體現(xiàn)出來，具有很大的意義21,22。無刷雙饋電機無論作為發(fā)電機工作還是作為電動機工作,性能表現(xiàn)均很優(yōu)異。若替換掉抽水儲能電站機組現(xiàn)有的繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機和同步電機,而改用無刷雙饋電機，系統(tǒng)工作起來更可靠，運行效率也會更高,所以抽水儲能電站是無刷雙饋電機的一個可以大顯身手的場合。除此之外,運行可靠的無刷化結(jié)構(gòu)固然是無刷雙饋電機的一個優(yōu)點23，另外，電勵磁同步電機和繞線式、籠型感應(yīng)電機都具備的長處都體現(xiàn)在了無刷雙饋電機上。它可以工作在多種運行方式下：自起動、雙饋和異步等,處于哪種模式取決與饋電方式和控制繞組是如何聯(lián)接的，而對它們的

26、更改是非常方便的，正是有了靈活多變的運行方式，它的起動特性和運行性能才更上一層樓。由前述可以看出，無刷雙饋電機在變速恒頻發(fā)電和調(diào)速傳動方面確實前景令人看好。但是,凡事有利必有弊，無刷雙饋電機也有不足之處，這種不足是固有的。它的定子繞組由兩個對稱的三相繞組構(gòu)成,所以電機體積做得很大因此,而它的功率密度又比一般的電機低。但即使這樣，體積仍小于兩臺作串極聯(lián)接的感應(yīng)電機。由于所配套的變頻器價格和容量的減少,很大程度上減少了整個無刷雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)的花費，即便是電機本身的價格稍高點。1.3無刷雙饋電機的優(yōu)點與缺點無刷雙饋電機在近些年引起大家注意并非偶然，它具有有如下四項優(yōu)點：特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計取消了電刷和集

27、電環(huán)等裝置，使得運行更加可靠穩(wěn)定，減少了維護費用。變頻電源只是單向控制繞組提供電能，所以他的容量遠遠比電動機的額定功率要小，這樣既減少了變頻調(diào)速系統(tǒng)所耗費用，也削弱了對電網(wǎng)的諧波污染。功率因素可以調(diào)節(jié)。作為電動機的調(diào)速范圍寬，控制簡單；當變頻設(shè)備突發(fā)狀況時，就能夠切斷控制繞組的電源，單單從功率繞組電源汲取電能，從而使得一步運行能夠進行，系統(tǒng)的安全性和可靠性進一步提升。雖然無刷雙饋電機具有眾多優(yōu)點，再加上大量的國內(nèi)外學者對它的深刻研究，但是它的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作運行上還是存在以下的五點問題：使用含有諧波的變頻電源的控制繞組，以及電機本身存在大量諧波磁場讓無刷雙饋電機中不可避免含有大量諧，這些諧波對電

28、網(wǎng)的正常運行產(chǎn)生一些不良影響。無刷雙饋電機的轉(zhuǎn)子磁場極數(shù)轉(zhuǎn)換效率低，需要不斷優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來提高效率。無刷雙饋電機損耗大，效率低。大容量的無刷雙饋電機起動比較困難。無刷雙饋電機數(shù)學模型復雜參數(shù)計算也很復雜，與實際電機對應(yīng)的準確數(shù)學模型求解困難；具有優(yōu)良的動靜態(tài)性能的控制策略目前只是處于理論研究階段，比較缺乏實踐基礎(chǔ)，還有很多核心關(guān)鍵的技術(shù)難題急需解決?？傊鳛橐环N引起大家熱切關(guān)注的新式交流調(diào)速電機，無刷雙饋電機結(jié)構(gòu)特殊，性能優(yōu)良，在電氣傳動中的調(diào)速節(jié)能方面有廣闊應(yīng)用前景，但也會存在很多需要我們深入研究探討的理論與技術(shù)問題。1.4 本文主要研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)近些年興起的無刷雙饋電機本身擁有眾多優(yōu)點，

29、但它作為傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機也還存在一些不足，所以本文提出將旋轉(zhuǎn)型無刷雙饋電機變換成直線型無刷雙饋電機，這樣無刷雙饋電機就又擁有了直線電機的眾多優(yōu)點。目前，這種直線無刷雙饋電機只處于理論階段，并沒有實際成品。所以本文通過介紹無刷雙饋電機和直線電機的相關(guān)知識，利用ansoft軟件建立直線無刷雙饋發(fā)電機電機模型，設(shè)置參數(shù)，并對建立的模型進行計算仿真。根據(jù)計算出的仿真圖的結(jié)果，結(jié)合無刷雙饋發(fā)電機的原理，分析功率繞組感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，即發(fā)電端的結(jié)果，從電能轉(zhuǎn)換的角度體現(xiàn)直線無刷雙饋發(fā)電機的可行性。全文結(jié)構(gòu)如下所述：第一章，緒論。簡單敘述了無刷雙饋電機的發(fā)展及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，研究意義和應(yīng)用前景，并闡述了無刷

30、雙饋電機的優(yōu)點和缺點。第二章，無刷雙饋電機的基本理論。介紹了無刷雙饋電機的特殊結(jié)構(gòu)具有不同極對數(shù)的兩套繞組結(jié)構(gòu)，分析了無刷雙饋電機的工作原理并論述了各種不同運行方式。第三章，仿真軟件與有限元分析方法。簡單介紹了ansoft軟件的特點及本文所用的是maxwell對直線無刷雙饋電機模型經(jīng)行仿真。同時也闡述了有限元分析方法基礎(chǔ)和無刷雙饋電機的有限元分析方法。第四章直線無刷雙饋發(fā)電機的仿真結(jié)果與分析。先介紹了一些直線的電機的基本理論，主要為直線電機結(jié)構(gòu)方面。然后探討了直線電機較傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機的優(yōu)勢在哪，最后提出本文研究對象直線無刷雙饋發(fā)電機。利用ansoft 軟件對直線無刷雙饋發(fā)電機進行建模，并設(shè)置參數(shù)

31、進行計算仿真，再對仿真所得結(jié)果進行客觀分析，從轉(zhuǎn)換電能角度論述直線無刷雙饋發(fā)電機的可行性。第五章，直線無刷發(fā)電機的問題與總結(jié)。先對全文從理論論述到研究分析仿真結(jié)果進行全面總結(jié)，然后對無刷雙饋發(fā)電機存在問題和未來發(fā)展前景進行討論。1.5 本章總結(jié)本章對無刷雙饋電機的研究背景和意義，以及在國內(nèi)和國外的發(fā)展和目前的研究情況使我們得以認識到無刷雙饋電機是一種非常有潛力，并且有著很高實際應(yīng)用價值的新型特種電機。無刷雙饋電機的應(yīng)用，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，不但能夠減少調(diào)速系統(tǒng)的所花費用，而且實現(xiàn)了無刷化，提升了系統(tǒng)運行的可靠性；在風力發(fā)電領(lǐng)域中，無刷雙饋電機所具有的功率因數(shù)可調(diào)、效率高，電能質(zhì)量好等優(yōu)點使其受到

32、了廣泛的關(guān)注。由此我們可以看出，對于無刷雙饋電機的不斷研究和開發(fā)是一項不僅具有理論意義也具有重大的實際意義的研發(fā)項目。2 無刷雙饋電機的基本理論無刷雙饋電機同時有異步電機和同步電機的特點使它與一般的交流電機相比，結(jié)構(gòu)更為復雜，具有多種不同的定子和轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)形式。本章將探討一下無刷雙饋電機不同結(jié)構(gòu)的定子和轉(zhuǎn)子繞組的特點，再闡述該電機的工作原理，最后簡單介紹無刷雙饋電機的各種運行方式。2.1無刷雙饋電機的結(jié)構(gòu)無刷雙饋電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容與傳統(tǒng)異步電機一樣，有主要尺寸確定，電機參數(shù)的選擇，電參數(shù)的計算和性能計算。近些年來，學者們對無刷雙饋電機的設(shè)計進行了研究，包括研究了電機的主要尺寸的確定和電磁負

33、荷的選擇，討論了包括定，轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計的電機設(shè)計特點和設(shè)計原則。2.1.1定子繞組的研究和設(shè)計無刷雙饋電機在工作時，兩個定子繞組都需要增加勵磁電壓，并在電機磁路中產(chǎn)生兩個不同的磁場。他們只能通過轉(zhuǎn)子來間接耦合，即在定子繞組中不相互耦合。對于不同的轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)定子繞組結(jié)構(gòu)可以完全相同。為了滿足上述定子繞組磁場的要求，需要對定子繞組進行特殊的設(shè)計。不少的學者們分別對單繞組和雙繞組的連接方式進行的研究和設(shè)計。當采用一套繞組產(chǎn)生雙磁場時，為是繞組在產(chǎn)生兩種極對數(shù)磁場時都能對稱分布，往往采用Y形多并聯(lián)之路行駛。當采用兩套繞組產(chǎn)生雙磁場時，方案具有較大的靈活性，不存在絕緣和對稱的問題，可根據(jù)諧波要求對繞

34、組進行人獨立設(shè)計。研究表明為了減少兩個定子磁場繞組的直接耦合作用，在涉及兩個繞組的極對數(shù)時，需要涉及兩個繞組的極對數(shù)之差較大。2.1.2轉(zhuǎn)子套組的研究和設(shè)計無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)已經(jīng)在各種學者的研究下提出了不少心的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，主要分為籠型和磁阻結(jié)構(gòu)?；\型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要有圖2.1所示三種結(jié)構(gòu):磁阻式24,25、籠型26-28和繞線式29,30它們產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場的作用原理都相同，只是在制造工藝上存在差異。極數(shù)少的磁場下節(jié)距較小的轉(zhuǎn)子導體回路產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩較小，而極數(shù)多的磁場下節(jié)距接近整距的轉(zhuǎn)子導體回路產(chǎn)生的裝具較大，因此在設(shè)計轉(zhuǎn)子槽和導體分布時，可以不均勻分布。圖2.1 籠型轉(zhuǎn)子的三種結(jié)構(gòu)磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要

35、有圖2.2所示結(jié)構(gòu)。他們是通過磁阻轉(zhuǎn)子磁導諧波的調(diào)制作用來實現(xiàn)的磁場級數(shù)的轉(zhuǎn)換功能。圖2.2 磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷雙饋電機在電機基本原理上具有同一性，兩者電機的系統(tǒng)分析方法相類似，磁阻型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機在電機性能上也具有與籠型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機大部分的優(yōu)點，但由于該類轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在工藝制造方面的相對簡易，正逐步吸引了越來越多學者的研究和關(guān)注。 2.2無刷雙饋電機的工作原理圖2.3 無刷雙饋電機結(jié)構(gòu)圖如圖 2.3所示，兩套具有不同極對數(shù)的繞組（功率繞組和控制繞組）組成電機的定子部分。功率繞組部分極對數(shù)為p p，頻率為f p，控制繞組極對數(shù)p c頻率f c，并與三相電源通過可逆變頻器連接。這

36、兩套定子繞組間的電磁不存在耦合關(guān)聯(lián)，它們之間的電磁耦合的聯(lián)系是通過轉(zhuǎn)子間的特殊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)間會有磁場調(diào)制作用。在電機設(shè)計過程中，轉(zhuǎn)子極數(shù)p r 應(yīng)滿足p r=p p +p c31。將頻率為f p和f c的電源分別接入功率繞組和控制繞組，并且f p不等于f c，這樣兩套繞組會有電流流過，產(chǎn)生兩個不同極對數(shù)的磁場，磁場再通過轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)的調(diào)制作用產(chǎn)生耦合，這樣就實現(xiàn)了電機的機電轉(zhuǎn)換。 將三相電源接入極對數(shù)p p頻率為f p的功率繞組的定子時當電機定子極對數(shù)為p p的功率繞組，這樣通過功率繞組的電流產(chǎn)生磁場的同步轉(zhuǎn)速n sp為：（下標 p 表示功率繞組）（2-1）將頻率為f c的變頻

37、電源連接到定子極對數(shù)p c的控制繞組，這樣就會產(chǎn)生一種旋轉(zhuǎn)磁場，方向和功率繞組產(chǎn)生的磁場方向相反，控制繞組的電流產(chǎn)生的磁場同步轉(zhuǎn)速為n sc：（下標 c 表示功率繞組）（2-2）n r為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，那么在定子磁場在通過轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的感應(yīng)電勢頻率分別是： （2-3） （2-4） 若要使電機能夠產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩 （2-5）即 （2-6）則將式(2-3) (2-4)代入式(2-6)得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速rn 表達式 （2-7）當電機定子極對數(shù)為p c 的控制繞組接入變頻電源,頻率為f c，控制繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場方向與功率繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場方向相同時，按照相似推導可得此種情況下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n r 為 （2-8）由式(2-

38、7)和式(2-8)可得： （2-9）若功率繞組的三相變頻電源順序與控制繞組的三相電源順序相同,則fc取正號，若兩個繞組的電源三相相序相反，則取負號。從式(2-9)可知，控制繞組、功率繞組所用電的頻率以及極對數(shù)決定了無刷雙饋電機的轉(zhuǎn)速，與同步電機一樣，特性很硬。p p 、p c 、f p 若保持不變，電機轉(zhuǎn)速由f c決定，f c的變化是由改變變頻器的輸出實現(xiàn)的，進而調(diào)節(jié)無刷雙饋電機的轉(zhuǎn)速，這樣，能夠?qū)崿F(xiàn)無刷雙饋電機的雙饋調(diào)速，控制繞組和功率繞組的所接電源的頻率和極對數(shù)決定了其調(diào)速范圍；當轉(zhuǎn)速n r發(fā)生變化時，功率繞組的發(fā)電頻率 f p可以保持不變，因為可以同步調(diào)節(jié)輸入到控制繞組輸入端的電流頻率f

39、 c，這樣，轉(zhuǎn)速改變也可以發(fā)出恒定頻率的電能。2.3無刷雙饋電機的運行方式無刷雙饋電機是一步步發(fā)展過來的，源頭是兩臺繞線式異步感應(yīng)電機作同軸串極連接的構(gòu)成體， 和一臺 2(p p +p c )極的繞線式異步感應(yīng)電機運行方式很相近，繞線式異步感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組各相當與無刷雙饋電機的控制繞組和功率繞組。在不同的外部勵磁條件下，作為電動機運行的無刷雙饋電機具有自起動能力，可實現(xiàn)異步運行、同步運行、雙饋調(diào)速等運行方式32。2.3.1自起動與異步運行如圖2.4所示，當定子功率繞組端接到工頻三相交流電壓，控制繞組端串接起動電阻，通過改變電阻的大小可以改變電機的起動特性。圖2.4電機的串電阻起動電

40、機起動后空載轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速之后，電機進入異步運行方式。無刷雙饋電機的異步運行模式下的工作特性類似于普通異步電機的工作特性。當電機的控制繞組發(fā)生故障時，則可以讓其暫時工作在異步運行模式下以保證系統(tǒng)的可靠運行。 2.3.2 同步運行方式如圖2.5所示，當定子功率繞組端接到工頻三相交流電壓，控制繞組采用“兩并一串”方式加直流勵磁，此時電機工作在同步運行方式。在該狀態(tài)下，可以通過調(diào)節(jié)控制繞組中直流電流的大小，改變控制繞組電壓的大小可以調(diào)節(jié)改變功率繞組中電流的無功分量，實現(xiàn)調(diào)節(jié)功率因數(shù)的作用。 圖2.5 同步運行方式2.3.3 雙饋調(diào)速運行方式如圖 2.6所示，當定子功率繞組端由工頻三相交流電壓，控制

41、繞組由變頻器供電，此時電機工作在雙饋調(diào)速運行方式。在該狀態(tài)下，我們可以通過調(diào)節(jié)控制繞組端變頻器頻率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。定義自然同步轉(zhuǎn)速n r0 為： （2-10）功率繞組和控制繞組的電流相序相同時，電機工作在超同步雙饋運行方式，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于自然同步轉(zhuǎn)速n r0 ；當功率繞組和控制繞組的電流相序相反時，電機工作在亞同步雙饋運行方式，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于自然同步轉(zhuǎn)速n r0 。圖2.6 雙饋運行方式2.3.4 發(fā)電機運行方式 如圖 2.7所示，當定子控制繞組端接變頻器作為交流勵磁，而功率繞組直接接入電網(wǎng)，此時電機則工作在發(fā)電機運行方式。在該種運行方式下，我們既可以根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化來相應(yīng)地調(diào)節(jié)勵磁電流的頻率從而實

42、現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，也可以通過改變勵磁電流的幅值和相位來實現(xiàn)無功調(diào)節(jié)。 圖2.7 發(fā)電機運行方式2.4本章總結(jié)綜上所述，無刷雙饋電機既可以運行于電動狀態(tài)，也可以運行于發(fā)電狀態(tài)。運行于電動狀態(tài)時，無刷雙饋電機可以運行在異步、同步以及雙饋狀態(tài)。運行于異步狀態(tài)時，它具有普通異步電機的工作特性；運行于同步和雙饋狀態(tài)時它具有普通同步電機的工作特性。運行發(fā)電狀態(tài)時，我們可以通過改變控制繞組的電壓大小和相位來調(diào)節(jié)功率因素，也可以實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。如果想大規(guī)模地讓無刷雙饋電機投入實際應(yīng)用，研究其控制策略很有必要，因為無刷雙饋電機的多繞組耦合性很強，相比異步電機和同步電機，其動態(tài)特性和帶負荷性能比較差。 3仿真軟件

43、與有限元分析方法Ansoft是一種既可以對電磁機構(gòu)成完成數(shù)值計算，也能對一個系統(tǒng)聯(lián)合仿真的軟件。這款電磁場有限元軟件在很早之前就已經(jīng)引進了，并在電器、機械、石油化工、汽車、冶金、水利水電、航空航天、船舶、電子、核工業(yè)、兵器等眾多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，并在各個研究領(lǐng)域取得了重大的突破和成績。3.1 Ansoft軟件的簡介首先，學者使用非常方便，因為此軟件已經(jīng)成功研究出許多電機模型，我們只需要從Rmxport中取出模型，插入軟件。其次，軟件模型能夠從Rmxport轉(zhuǎn)化為2D模型，再有甚至可以轉(zhuǎn)化為3D模型。最后，電機驅(qū)動電路Simplorer，既可以與電路一起進行仿真，提供了電機的一個整體框架，也能

44、和Matlab等進行聯(lián)合仿真，甚至可以Ansys的Workbench下與Fluent流體場分析工具等耦合進行分析，這是此軟件非常有特點的地方。本文采用Ansoft公司的Maxwell各模塊對無刷雙饋電機進行仿真，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，然后對無刷雙饋性能進行仿真。 3.2有限元分析方法的簡介1960年，Courant提出了有限元理論，先離散全部求解區(qū)域，然后分割成許多被稱之為單元或有限元的小的子區(qū)域。插值函數(shù)在單元中構(gòu)造，在能量泛函的積分式中使用構(gòu)造好的插值函數(shù)，再離散泛函數(shù)，離散成多元函數(shù)。對所有的自變量分別求其導函數(shù)，并令導函數(shù)為零，得到一組解為極值的方程，再次由第一類邊界條件對該方程組修正，最后使

45、用計算機求解33。3.2.1無刷雙饋電機有限元分析的假設(shè)條件下面是對BDFM的具體假設(shè)條件：（1）BDFM的端部磁場效應(yīng)被忽略（2）通入三相電流的定子繞組槽內(nèi)的磁場強度各處相等，方向沿軸向，即只存在軸向的電流密度J和磁矢量位A，無其他方向分量。（3）鐵心沖片材料各向同性，所以其B-H曲線是一一對應(yīng)的，即是單值的。（4）BDFM外部的磁場不計，即求解區(qū)域外無磁場。磁矢量位在定子外徑的圓上為零。3.2.2無刷雙饋電機有限元分析的基本方程由電磁理論可知，分析磁場的基本方程有積分形式和微分形式兩種。而有限元法是針對微分形式進行的。微分形式是maxwell方程組，即有 （3-1）式中： H磁場強度，D-

46、外加電流強度，J-電通密度，E-磁場強度，B-磁感應(yīng)強度，-磁導率由于BDFM求解區(qū)域有電流源存在，因此計算時必須采用矢量磁位A。其定義如下： （3-2）式中：外加電流密度，矢量磁位，軸坐標方向在計算BDFM的磁場時，定子外徑圓周為求解的邊界，它是第一類邊界，在該邊界上矢量磁位等于零。因此，針對圖3-2的模型，BDFM的邊界條件方程為： （3-3） （3-4）式中電機定子外徑。利用式（3-3）、式（3-4）和有限元分析軟件ANSYS, 就可以對BDFM的磁場進行分析和計算.。3.3本章總結(jié)AnsoftMaxwell是一種非常有名的有限元軟件，在世界范圍都是很常用的商用低頻電磁場。軟件以麥克斯韋

47、微分方程為基礎(chǔ)，運用有限元離散的計算方式，將工程中的電磁場計算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼狻? 直線無刷雙饋發(fā)電機的仿真結(jié)果與分析4.1直線電機基本理論的簡介直線電機是一種將旋轉(zhuǎn)運動直接轉(zhuǎn)換成直線運動，而不需要通過中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的新穎電機，也是一種具有廣闊應(yīng)用和發(fā)展前景的電機。圖4.1 旋轉(zhuǎn)電機和直線電機圖4.1中a為旋轉(zhuǎn)電機，b為直線電機。直線電機可以認為是旋轉(zhuǎn)電機在結(jié)構(gòu)方面的一種演變，它可以看做是將一臺旋轉(zhuǎn)電機沿徑向剖開，然后將電機的圓周展成直線。圖4.2 旋轉(zhuǎn)電機到直線電機的演變這樣就得到了由旋轉(zhuǎn)電機演變而來的原始直線電機。由定子演變而來的一側(cè)稱為初級，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)為次級。途中演變而來的電

48、機，它的初級和次級長度相等，由于在運行時初級和次級之間相互運動，如果在運動開始時，初級和次級正巧對其，那么在運動中，初級與次級之間的香霧耦合補分雨來越少，而不能正常運動。為了保證在所需的行程范圍內(nèi)，初級和次級間的耦合保持不變，因此實際應(yīng)用時，試講初級與次級不同長度。在制造直線電機時，既可以是初級短，次級唱，也可以是初級長，次級短。兩者分別成為短初級長次級和長初級短次級。但是因為在制造的花費上，運行的消耗上都較短次級少很多，所以，在目前市場上，排除特殊場合，一般都采用短初級長次級。如4.3圖所示圖4.3 直線電機的初級和次級繞組上圖4.3所示只在一邊放置初級，對于這樣的結(jié)構(gòu)型稱為單邊型直線電機。

49、這種結(jié)構(gòu)電機，一個最大特點實在初級和次級之間存在一個很大的法向吸引力，一般在鋼次級約為推理十倍左右，在大多數(shù)的場合下，這種法向吸引力是不希望存在的，如果在次級的兩邊都裝上初級，那么這個法向吸引力可以抵消，這種如下圖4.4所示為雙邊型。圖4.4 雙邊型直線電機上述介紹的直線電機稱為扁平型直線電機，是目前應(yīng)用最廣泛的，除了上述扁平結(jié)構(gòu)外，還可以做成圓筒型的，即管型結(jié)構(gòu)。它可以看做是由旋轉(zhuǎn)電機演變過來的，演變過程如圖4.5所示。圖中a表示一臺旋轉(zhuǎn)電機以及由定子繞組所構(gòu)成的磁場次級分布情況；圖中b表示轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄叫椭本€點擊后，初級繞組所構(gòu)成的磁場極性分布情況，然后將扁平型直線電機沿著和直線電機運動相垂直

50、的防線卷成筒形，這樣就形成了圖中c圓筒型直線電機。圖4.5 管型結(jié)構(gòu)直線電機此外直線電機還有圓弧型和圓盤型結(jié)構(gòu)。所謂圓弧型結(jié)構(gòu)，就是將平板型直線電機的初級沿運動防線改成圓弧型，并安放于圓柱形次級的柱面外側(cè)，如圖4.6所示。圖中另一個把次級做成一片圓盤，材質(zhì)為銅或者鋁或者為兩個與鐵的復合體，講初級放在次級圓盤靠近外援的平面上，圓盤型直線電機的初級可以是雙面的，也可以是單面的。圓弧型和圓盤型直線電機的運動實際上是一個圓周運動，如圖中的箭頭所示，然后由于他們的運行原理和設(shè)計方法與變頻型直線電機結(jié)構(gòu)相似，故仍歸入直線電機的范疇。圖4.6 圓盤結(jié)構(gòu)直線電機4.2 直線無刷雙饋發(fā)電機的提出隨著綠色制造理念

51、的不斷深入與強化，綠色產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。直線電機即是制造業(yè)近幾十年才興起的綠色產(chǎn)品之一，它主要具有下述特點： （1）結(jié)構(gòu)簡單，由于直線電機不需要把旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動的附加裝置，因而使得系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)大為簡化，重量和體積大大地下降。（2）定位精度高，在需要直線運動的地方，直線電機可以實現(xiàn)直接傳動，因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來的各種定位誤差，故定位精度高，如采用微機控制，則還可以大大地提高整個系統(tǒng)的定位精度。（3）反應(yīng)速度快、靈敏度高，隨動性好。直線電機容易做到其動子用磁懸浮支撐，因而使得動子和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸，這就消除了定、動子間的接觸摩擦阻力，因而大大地提高了系統(tǒng)的靈敏度、快速

52、性和隨動性；四是工作安全可靠、壽命長。基于這些直線電機的優(yōu)點，我們設(shè)想將兩種近些年快速發(fā)展的兩種電機，即無刷雙饋電機和直線電機進行結(jié)合改進，提出直線無刷直線發(fā)電機。下面將利用用 Ansoft軟件的二維瞬態(tài)場建立直線無刷雙饋發(fā)電機的Maxwell-2D模型，并基于直線無刷雙饋發(fā)電機的模型進行有限元分析計算，最后對計算的仿真結(jié)果圖進行分析。4.3 直線無刷雙饋發(fā)電機Maxwell 2D模塊的仿真4.3.1模型的建立比較旋轉(zhuǎn)式無刷雙饋電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，直線無刷雙饋發(fā)電機的動子結(jié)構(gòu)也可大致分為籠型和磁阻型。本文將利用Ansoft 軟件建立籠型無刷雙饋發(fā)電機Maxwell 2D模型。首先，根據(jù)電機的性能要

53、求確定定子和動子結(jié)構(gòu)、槽尺寸、繞組等，電機主要數(shù)據(jù)見表4.1。表4.1電機設(shè)計的主要尺寸主要尺寸定子槽寬11mm動子槽寬14mm定子槽數(shù)72動子槽數(shù)54定子槽口寬度3.5mm動子槽口寬度3.5mm定子槽口高度0.5mm動子槽口高度0.5mm定子深槽寬度14mm動子深槽寬度9.6mm氣隙0.8mm然后確定電機材料屬性。直線無刷雙饋發(fā)電機模型中要分別定義定子鐵心、動子鐵心、氣隙3種材料。定子、動子材料都采用D23_50，新增加的材料存放在Localdatabase中。最后建立電機模型，下圖4.7為直線無刷雙饋發(fā)電機的Maxwell2D模型。圖4.7電機的二維幾何模型4.3.2模型的網(wǎng)格剖分有限元應(yīng)

54、用于電磁場的實質(zhì)就是把連續(xù)的電磁場問題變?yōu)殡x散系統(tǒng)的問題來解決，電機模型離散化就是通過網(wǎng)格剖分實現(xiàn)的，它直接影響有限元計算結(jié)果的準確性。軟件自身有自適應(yīng)網(wǎng)格剖分的功能，但有時根據(jù)需要，需要用戶設(shè)置網(wǎng)格，理論上，網(wǎng)格越密集，準確度越高?？紤]到計算機資源和運行時間因素，只需要重點加密磁場變化較大的氣隙部分。對于本文直線無刷雙饋發(fā)電機，具體網(wǎng)格剖分設(shè)置如下：Length_Bar=1.9mm，分配給鼠籠條區(qū)域；Length_Coil=2.55mm，分配給定子繞組區(qū)；Length_Main=5.18mm，分配給電機整體區(qū)域。其中Bar和Main采用Surface Approximation剖分設(shè)置，對邊

55、界為曲線的bar和Main進一步的剖分。網(wǎng)格剖分結(jié)果見圖4.8，圖4.9為氣隙部分網(wǎng)格剖分放大圖。圖4.8網(wǎng)格剖分圖圖4.9網(wǎng)格剖分圖4.3.3求解設(shè)置對電機的模型進行離散化，根據(jù)電機不同部位精度要求進行設(shè)置，確定有限元計算的邊界條件和外加激勵參數(shù)。Ansoft獨具特色的部分是自帶schematic capture，可以編輯功率變化電路，構(gòu)成一個完整系統(tǒng)進行仿真，本文對無刷雙饋發(fā)電機控制繞組提供三相對稱交流電。為了能保證有限元求解的精度，需要在Analysis菜單中設(shè)置求解方式和精度的設(shè)置。設(shè)置速度為12.252m/s，仿真步長為0.001s，仿真時間0.2s。通過瞬態(tài)求解器的設(shè)置來完成直線無

56、刷雙饋發(fā)電機的性能仿真。4.4 直線無刷雙饋發(fā)電機仿真結(jié)果及分析本設(shè)計在Ansoft公司的Mawell2D環(huán)境下建立仿真結(jié)果及其分析Ansoft的求解是自動完成的。下圖4.10所示直線無刷雙饋發(fā)電機的磁力線路圖圖4.10電機磁力線圖圖4.11 磁場分布云圖圖4.11所示直線無刷雙饋發(fā)電機的磁力線路圖基本符合真實的磁路，幾乎所有的磁力線都通過磁阻較小的鐵心，但同時，不可避免的有漏磁現(xiàn)象的出現(xiàn)，這可能和磁路的設(shè)計和材料的選取有關(guān)。圖4.12控制繞組接入三相電流圖4.13功率繞組感應(yīng)電壓圖4.14功率繞組感應(yīng)電流圖4.12為在直線無刷雙饋發(fā)電機控制繞組端接入的三相交流勵磁電流，通過直線無刷雙饋發(fā)電機

57、模型的運行仿真，在功率繞組端產(chǎn)生了基本符合正弦波形的三相正弦感應(yīng)電壓（圖4.13）和三相正弦感應(yīng)電流（圖4.14）。正弦波形不標準的原因可能為諧波磁場的影響和磁路飽和的原因。圖4.15功率繞組輸出功率上圖4.15所示為直線無刷雙饋發(fā)電機功率繞組所產(chǎn)生的輸出功率，由圖可知輸出功率為正并且較為穩(wěn)定。4.5本章總結(jié)綜合上述對直線無刷雙饋發(fā)電機Maxwell2D模型仿真結(jié)果的分析，可以說所提出的直線無刷雙饋發(fā)電機能基本實現(xiàn)發(fā)電的功能，單從發(fā)電功能的角度證明了直線無刷雙饋發(fā)電機的可行性。5 直線無刷雙饋發(fā)電機的總結(jié)與展望本文綜合了無刷雙饋電機和直線的電機的優(yōu)點，提出了直線無刷雙饋發(fā)電機，利用Ansoft軟件進行建模仿真，取得了一定成果，但同時還有很多問題有待進一