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双转子永磁风力发电机研究.pdf

双转子永磁风力发电机研究

湘江之子
2012-10-23 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《双转子永磁风力发电机研究pdf》,可适用于工程科技领域

山东大学硕士学位论文双转子永磁风力发电机研究姓名:王法庆申请学位级别:硕士专业:电机与电器指导教师:徐衍亮山东大学硕士学位论文摘要风能是可再生能源世界各国越来越重视风能的开发和利用。国内外学者也开始研究高效率永磁电机在风力发电上的应用。在山东省科技厅资助下本文研究了一种新型结构的双转子永磁发电机其高运行效率和特殊的电机结构使其在小型风力发电系统中存在着巨大优势。本文主要研究的内容如下:第一部分首先给出了双转子永磁电机的基本结构、等效磁路、工作原理然后对双转子永磁电机电枢反应电感参数进行计算。第二部分对双转子永磁电机的空载感应电势进行解析计算和有限元分析验证。首先通过引入相对比磁导函数给出了双转子永磁电机考虑齿槽效应时定子表面的磁场分布并给出了相应的波形。然后采用矢量合成法推导了空载感应电势的表达式为了验证空载电势解析法的正确性本文采用有限元法对其分析计算。通过比较得出:解析法和有限元法吻合很好。最后针对双转子电机的特殊结构提出了三种改善电势波形的方法并利用解析法对其进行分析证明了这几种措施的可行性。第三部分针对llalb∞h磁体电机在风力发电系统中的潜在优势主要研究了halbach磁体结构双转子电机的电势和齿槽转矩。首先给出了halb∞h阵列的基本原理采用有限元法分析了haIbach磁体结构双转子电机的磁场分布及空载电势波形并对其进行了谐波分析。最后利用能量的虚位移法推导了双转子电机的齿槽转矩对于halbach磁体双转子电机提出了三种减小转矩脉动的方法并通过有限元分析进行了比较证明了这几种措施的可行性。第四部分对双转子电机的设计进行了分析提出了先分别设计内外电机再统一调整的设计方法最后设计制作了样机给出了样机图片。并对样机进行试验测量不同转速下电机的空载电势波形电机的电势一转速曲线电机的负载电压一电流特性曲线并测量了电枢反应电感数值通过对比可以得出:试验值、解析值和有限元值吻合很好。关键词:双转子永磁电机等效磁路电枢反应电感空载气隙磁密永磁电势Halbach永磁电机齿槽转矩转矩脉动电磁设计ⅡI山东大学硕士学位论文ABSTRACTWindenergyisrenewableresource.Moreandmoreexpertsbegantoputanemphasisonpermanentmachinewithhighefficiencyforwindenergysystem.SupportedbyShandongScienceandTechnyDeVelopmentThisthesisstudyannovelmachinethedual一rotorradial一fluxpermanentmachine.Becausefitshighefficiencyandspecialstructureithasabigadvantageonthesmallwindenergysystem.Theresearchofthethesismainlyincludesthefollowingpoints:Inthefirstpartthestructure、EquivalentIIlagneticcircuitmodelandtheprincipleofthenlachineisdiscussed.Thencomputetheinductanceofthedual一rotorpermanent腑chine.Thesecondpartgivesthepermanent加agnetemfofanalyticalmethodandfiniteelementanalysis.Firstofaconsideringthestatorslotthenoloadairgapmagneticfluxdistributionandthepermanentemfcanbeexpressedbyusingairgaprelativepermeancefunctionandthengivethecorrespondingwaveform.SecondlytheperrIlanentEMFisinferredusingaMethodofVectorSynthesis.Inordertochecktheanalyticalmethodafiniteelementanalysisisimplementedtostudytheairgapmagneticfluxdistributionandthepermanentemf.ThroughthecoⅢparisontheanalyticalmethodandthefiniteelementanalysisareingoodagreement.Atastthethesispresentsthreemethodstoreducetheper嘲nentemffluctuationusingthetheoreticalanalysisprovesthemethodsarefeasible.Thethirdpartanalyzesthepermanentemfandthecoggingtorqueofthehalbachmachinebecausethehalbachmachinehasagreatadvantageonthewindenergysystem.Firstofatheprincipleofthehalbacharrayispresented.Secondlyafiniteelementanalysisisimplementedtostudytheairgaplllagneticfluxdistributionandthepermanentemf.Atlast山东大学硕士学位论文thethesiscalculatesthecoggingtorqueusingelectro毗gneticsoftware.Thethesispresentsthreemethodsforreducingcoggingtorquefluctuationtothehalbacharraydual一rotormachinethroughthefiniteelementanalysisthemethodsareprovedtObefeasible.ThefOrthpartdiscussesthedesignthoughtbringingforwardthoughtthatwecandesigntheinnerandouterpartrespectivelyandthenadjustthetwopartsofthelnachinegenerallywegivethemodeofthemachineandmakesomeexperiment.Wemeasuretheper衄nentemfwaVeformatdifferentspeed、vtagespeedcurve、vtagecurrentcharacteristiccurveontheadandmeasurestheinductanceofarⅡlaturereaction.Throughthecomparisonthevalueofexperimental、theoreticalandfinitee印entanalysisreingoodagre鲫ent.KeyWrds:dual叶otorper帆nent阳gnet眦chineEquivalentmagneticcircuitInductanceofar衄turereactionAirgapper腿nent髓gnet毋uxdistributionPermanentemfHalbach衄chine:coggingtorqueTorquefluctuationEectr鲫agneticdesignV山东大学硕士学位论文●●l●l●●II●l符号说明肺一真空磁导率g一每极每相槽数k一基波绕组因数见一以绕组轴线为坐标原点的电角度六一磁块的充磁方向’所一永磁体相对磁导率Ⅳ一每相绕组串联匝数ⅣJ一单个集中线圈的匝数氏一定子开口齿槽宽度嘶一槽距角口一距槽中心线的空间位置角一内、外转子电机直轴间的位置角一定子轴向长度≯‰一基波磁场磁链L一电枢反应电感露一剩余磁化强度p一标量磁位人ol、A。:一内、外永磁体内磁导Ad、人一内、外气隙磁导A。I、A。:一内、外定子齿部磁导人。一定子轭部磁导Ⅵ人。、人:一内、外电机漏磁A、A:一内、外转子轭部磁导C。、E:一内、外转子永磁体计算磁动势易、%一内、外气隙磁密切向分量饬、%一内、外气隙磁密径向分量%、母矗一内、外转子永磁体磁密切向匀%、岛。一内、外转子永磁体磁密径向爱E一定子表面磁密切向分量兄(r口)一单个槽的气隙比磁导Z(口)一单个槽的相对比磁导函数P一。(、乞一。(f)一内、夕}电机相电势九i’丸。一内、外电机第i个线圈的磁铡口一加、口一口鲥一内、外绕组第i个线圈首的空间位置角万一加、JD甜一内、外电机线圈节距机械:Q一风力机组全年的平均发电量矽一气隙磁场的总能量彬。。一第k个外定子齿部的气隙磁场能量形。。一第k个外定子槽部的气隙磁场能量岛一第七个外定子齿部的起始角度岛一第七个外定子齿部的终止角度山东大学硕士学位论文岛一第七个外定子槽部的起始角度见一第七个外定子槽部的终止角度吼%一外定子齿和槽所跨的电角度Z。。一外定子第·阶齿部产生的齿槽转矩毛。一外定子第七个槽部产生的齿槽转矩正:。一内定子第研、齿部产生的齿槽转矩Z:。一内定子第七个槽部产生的齿槽转矩瓦一外定子第】}个齿区的合成齿槽转矩%一内定子第七个齿区的合成齿槽转矩五一整个外电机的合成齿槽转矩五一整个内电机的合成齿槽转矩ⅥI原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名:立i臣:日期:塑:兰兰关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名:盏连Z£:导师签名:举日期:掣山东大学硕士学位论文.课题来源及选题意义第一章绪论伴随着人类文明的发展能源已经成为制约社会发展的重要问题能源危机的出现迫使人们在生产和使用一些耗能产品时越来越多的考虑节能。节能的一个重要途径就是提高效率。在电机领域提高效率的一种重要途径是利用永磁电机代替感应电机。根据永磁材料的不同永磁电机主要可分为钕铁硼永磁电机和铁氧体永磁电机两种。钕铁硼永磁材料磁性能好但价格较高‘M】因此该种电机主要用于高性能驱动系统。铁氧体永磁材料价格低廉但磁性能较差所以该种永磁电机具有相对较低的效率和转矩密度因此目前主要用于微型电机中。如何提高铁氧体永磁电机的运行效率和转矩密度使其向较大容量发展成为铁氧体永磁电机的一个重要课题。为提高铁氧体永磁电机的功率密度应充分利用电机内部空间由此可以采用双转子电机结构‘。为此在山东省中青年博士基金的资助下我们对径向磁场双转子铁氧体永磁电机进行研究开发期望设计出一台高效、高功率密度的铁氧体永磁电机。.双转子电机的研究现状目前国内外文献中出现了多种双转子电机概括起来主要分成以下几种:()双转予感应电机‘“】。这种电机采用感应电机运行原理其结构多采用以下两种:其一内外转子采用鼠笼结构中间为定子其绕组采用径向缠绕方式。该种电机可看作共用一个定子的内外两个感应电机其二是最外层是定子绕组内部是两个转子笼形转予带动轴旋转输出机械功率内转子可相对转轴旋转运行时作同步速运行其结构如图卜l所示嘲。同普通感应电机相比这种电机的效率和转矩密度将会显著提高。此外国内外一些文献中也出现了双定子感应电机M”其基本机构是沿电机的轴向有两个独立的定子每个定子中均嵌有三山东大学硕士学位论文相对称的定子绕组与其对应有两个转子铁心它们通过鼠笼形导条组成一个完整的转子同时在两个转子铁心中间安装了由高电阻材料组成的附加电阻如图卜所示例。这种电机的特点是有较低的起动电流较高的起动转矩。\f叫/∞Ill¨rJ萄。蠲■卜·胃蹋广■ll【JL'.定子.笼形转子.内转予.转轴图卜l双转子感应电机结构图图卜双定子感应电机结构图()双转予轴向磁场永磁电机。轴向磁场永磁电机即盘式永磁电机其外形里扁平状‘】转子上粘有多块扇形或者圆柱形按N极和s极交替排列的永磁体磁极定子有效导体在空间呈径向分布。研究表明轴向磁场电机有较高的功率密度。特别是对于那些特殊用途的电机来说优势更为明显。目前轴向磁场电机已经在部分场合得到了应用。随着电机制造技术的改进和提高它的应用会更为广泛。双转子轴向磁场永磁电机同双转子感应电机类似也可看作共用同一个定子的两个轴向磁场永磁电机的合成其定子绕组既可以粘结在铁心上也可以均匀环绕于铁心上其结构如图卜所示。与单转子结构相比双转子结构可以克服磁拉力减小漏磁提高功山东大学硕士学位论文率密度及效率。此外国内外文献中也出现了双定子轴向磁场电机这里以双定子盘式永磁直流电动机为例给出其结构如图卜所示。.转子永磁体.转子铁心.定子绕组.定子铁心图卜双转子轴向磁场永磁电机结构示意图.端盖.换向器.电刷.永磁体.电枢.端盖.轴承.轴图卜双定子盘式永磁直流电动机结构示意图()双转子径向磁场永磁电机‘】。径向磁场永磁电机和轴向磁场永磁电机的区别在于磁场方向径向磁场电机的磁场垂直于转轴而轴向磁场电机的磁场方向与转轴平行。其结构为:定子是固定的该定子沿轴向方向固定在一个垂直静止的端盖上。定子由定子铁心和定子绕组组成。定子绕组由背靠背线圈组成。内外两个永磁转子分别由呈圆筒形的外定子导磁铁心轭及其内表面的永磁体组成和呈圆筒形的内转子导磁铁心轭及其外表面的永磁体组成。内外转子在端部固定在一起并同步旋转。(无特别说明本文的双转子永磁电机特指径向磁场双转子永磁电机)。这种电机作为一种应用前景被看好的新型电机最先由国外的山东大学硕士学位论文Tho嘲sA.Lipo等人提出并进行了初步的理论和实验研究此后国外一些电机专家也相继对这种电机的设计和磁场分析进行了研究。但是目前国际上对双转子径向磁场永磁电机的研究还很不全面仅停留在初步理论和样机实验阶段。关于这种电机仍有大量的基础理论问题包括电机的参数计算、模型建立、分析方法、优化设计等有的还很不深入有的还没有涉及因此有待探讨和研究。为了进一步了解该电机的特点和应用前景本课题将对该电机进一步研究。.永磁风力发电机研究现状在人类文明高度发展的今天能源已经成为制约发展的重要问题能源危机的出现迫使人们寻找新的能源和可再生能源。就是在这种形势下风力发电在新世纪将被大规模的开发应用全世界将以%一%的速度持续增长。风力发电技术以安全可靠无污染、不消耗燃料、建设周期短、规模大小灵活及可并网运行等特点在能源、电力产业中异军突起。欧洲风能协会报告指出年全球风力发电装机容量将达到.亿千瓦年装机量.亿千瓦风力发电量占全球发电量的%风力发电可能成为世界未来的潜代能源。国家十一五规划明确提出要大力发展风力发电。典型的风力发电是采用高速齿轮驱动感应发电机。而近几年在寻求新的能源的同时提高能源的效率也至关重要。这就要求采取高效率的电机使能源利用率能够充分发挥出来。从电机自身方面近几十年来许多专家都致力于高效和高功率密度电机的研究。永磁电机就是其中的一种。永磁电机作为发电机具有很多优点:由于省去励磁绕组和容易出现故障的集电环和电刷结构较为简单加工和装配费用减小运行更为可靠。采用稀土永磁后可增大气隙磁密并把电机转速提高到最佳值从而缩小了电机体积提高功率质量比由于省去励磁损耗电机效率得到提高处于直轴磁路中的永磁体的磁导率很小直轴电枢反应电抗较电励磁同步发电机小得多因而固有电压调整率比电励磁同步发电机小。因此国内外学者也开始研究永磁电机在风力发电上的应用‘””】。文献对径向磁场内转子电机、径向磁场外转子电机、轴向磁场双定子有槽电机、轴向磁场双转子有槽电机、定子平衡单边轴向磁场电机、转子平衡单边轴向磁场电机以及背靠背绕组轴向磁场电机(即盘式电机)等多种结构的永磁体山东大学硕士学位论文进行比较。通过比较得出以下结论:相同体积的电机轴向磁场电机会产生更大的转矩和效率双边轴向结构比单边轴向结构有很大的优势外转子径向磁场电机比内转子径向磁场电机有优势盘式电机结构简单但是由于定子是无槽结构气隙相对较大产生相同的磁场需要更多的永磁体适合于低效率的风力发电。但是该文献中未包含径向磁场的双转子永磁电机。RonghaiQu在文献m中对双转子径向磁通和轴向磁通永磁无刷直流电机进行了比较对于NdFeb材料的永磁电机要得到相同功率径向磁场电机比轴向磁场电机成本低很多径向磁场电机的效率却是略微低于轴向磁场电机对于采用铁氧体永磁材料要得到相同的功率径向磁场电机的成本略低于轴向磁场电机而径向磁场电机的效率却是略微高于轴向磁场电机作为风力发电机运行时径向结构双转子电机还有以下优点:()定子的背靠背绕组和双气隙结构增大了电机的有效气隙面积增加了电机的绕组线圈数使电机能够在较低的转速下产生较大的电势。’‘()电机端部绕组长度不随着电机直径的变大而变大从而可以利用增大电机径长比来提高电机功率密度同时端部绕组相对较小可以减低绕组电阻提高效率。()双转子电机可以大幅度的提高功率密度这样就可以采用价格较低的永磁材料从而降低了永磁体的费用。()众所周知电机定子和转子之间有径向磁拉力而双转子电机的内外磁拉力的方向相反两者可以抵消掉一部分这样可以有利于电机稳定运行。()从结构上看双转子电机比外转子电机多了一个内转子作为风力发电机应用时也具有外转子永磁电机发电机的优点。旋转的圆筒形转子发挥了很多作用:)支撑永磁体。)为主磁通提供磁路。)方便风轮与发电机的直接耦合。)外转子圆筒可以作为保护盖子来减小环境危害对电机的损害。.lIALJAcII磁体结构永磁电机的研究现状年美国著名学者KlauseHalbach针对永磁体的构造提出了一种新颖的设计一Halbach列‘”l。Halbach磁体电机比普通磁体电机有很多的优势:山东大学硕士学位论文()功率密度大。相对于普通永磁体结构由于halbach列分解后的切向磁场与径向磁场的相互叠加使得气隙一侧的磁场强度大幅度提高而转子轭部磁场强度减低这样可以减小转予轭部铁心厚度可有效地减小电机体积提高电机功率密度。()可使用集中式绕组。普通永磁体一般采用分布式绕组来削弱谐波磁势的影响。在halbach电机中由于其磁场正弦分布程度较高谐波磁场影响较小因此可以采用集中绕组。()可以采用无槽结构。相对于有槽电机而言无槽结构电机气隙磁密都相对较弱。由于halbach电机气隙磁场较强通过合理设计的无槽halbach电机仍然能保持较高的气隙磁密。正是由于halbach电机存在的优势国内外学者纷纷开始研究使用halbach电机。美国加利福尼亚Berkeley实验室研究了halbach列两种最基本的结构:平面halhach列与曲面halbach列的磁场分布并给出了相应的磁场分布公式】英国sheffield大学的华裔学者z.Q.zhu系统地整理了halbach电机的各种理论包括halbach内转子电机和halbach外转子电机并对halbach电机做了进一步的研究【”美国的hiostate大学指出了其在人工心脏系统中的应用价值研究了消除该系统中halbach电机转矩脉动的方法【”】瑞典的苏黎世大学与韩国的Chungnam大学研究了halbach电机在飞轮储能系统中应用的优越性【眠”】国内关于halbach电机研究的报道不是很多从文献上看只有沈阳工业大学在心脏血液循环助推系统装置中【”、中国科学院在自由电机激光摇摆磁铁场分布测量装置中吲、北京航空航天大学的飞轮驱动用halbach磁体结构永磁无刷直流电机中应用了halbach磁体㈨”l。Halbach电机做为风力发电机运行时除了上面所述的优点外halbach电机自屏蔽作用即能减小铁耗又能减小电机转子铁轭的厚度从而减小了转子重量同时halbach磁体电机的齿槽转矩比普通磁体电机小很多更适合于低风速的启动。山东大学硕士学位论文.论文主要研究内容针对国内外研究现状本文主要进行以下几个方面的工作:()简单介绍双转子永磁电机的基本结构及其运行原理给出双转子永磁电机的等效磁路。针对该型电机绕组的特殊结构计算了该种电机的电枢反应电感。()引入相对比磁导函数在考虑齿槽效应时给出了双转子永磁电机永磁电势的解析计算方法并通过电磁场的数值计算法进行验证。针对双转子电机的特殊结构本文同时给出了几种减小电压波动的方法并通过解析计算法进行了分析对比。()由于halbach磁体结构在风力发电机运行中潜在优势本文对halbach磁体结构的永磁电机进行了电势分析和转矩分析。在分析其电势时本文对halbach磁体每极下不同段数的结构进行分析并对其感应电势进行傅立叶分解从而得到随着段数的增多其感应电势基波的含量分布增大。在分析转矩时同样对每极下不同段数的结构和普通径向磁场的永磁体进行比较。通过分析可以得’·“到:halbach磁体结构随着每极下段数的增多其齿槽转矩越来越小。()论文最后一部分对双转子电机的设计特点进行了讨论给出了这样电机的设计流程图。利用设计流程编制了这种电机的电磁设计程序。最后给出了样机模型及部分的试验数据。.本章小结本章首先介绍了论文的课题来源及选题意义然后结合参考文献介绍了普通永磁电机、双转子永磁电机的国内外研究现状、永磁风力发电机研究现状以及halbach磁体结构永磁电机研究现状最后给出了本论文的主要研究内容。山东大学硕士学位论文第二章工作原理及参数计算双转子永磁电机是一种新型结构永磁电机可以采用铁氧体永磁体而获得高功率密度和高效率本章将给出该种结构的基本结构、等效磁路、工作原理、参数计算及其分析方法。.双转子永磁电机的基本结构双转子永磁电机可看作一台外转子永磁电机与一台内转子永磁电机套在一起并共用一个定子的新型电机p】其基本结构如图一l所示该种电机主要由外转子铁心、外转子永磁体、内转子铁心、内转子永磁体及内外转子之间的定子绕组组成。(b)l一外转子铁心轭一外转子永磁体一外转子气隙一定子一内转子气隙一内转子永磁体一内转子铁心轭一转子轴图双转子永磁电机的原理结构山东大学硕士学位论文图双转子电机三维图图给出了双转子电机的三维图。可以看出双转子电机内外转子铁心通过端盘连在一起并同步旋转外转子永磁体通常采用表面式结构内转子磁体可以采用表面式结构也可采用内置式结构。定子铁心的一端通过螺栓固定于一垂直的端面上另一端悬空。该种电机的特殊性更主要地体现在其绕组结构上定子绕组呈环状分布缠绕在定子内外槽中即线圈的一个边在定子铁心的外槽中另一个边在定子铁心的内槽中如图所示图中给出的是每极每相槽数为且为整距的绕组结构实际上根据永磁电机电势波形等的要求不同双转子永磁电机的定子绕组可以做成分布及短距形式。同样定子绕组可以做成二相、三相、甚至更多相。图定子A相绕组连接示意图.双转子电机的等效磁路根据内外永磁体的极性不同双转子永磁电机可分为两种结构其一内外永磁体充磁方向相反(并联磁路)其二内外永磁体充磁方向相同(串联磁路)分别如图A和B所示。山东大学硕士学位论文矗=磁体充磁方向橱反.磁体充磁方向糨离图双转子电机磁路对于串联磁路双转予永磁电机而言内外定子槽通过几乎相同的内外每极气隙磁通定子铁心轭部没有磁场。该结构对于定子绕组来说不能采取背靠背绕组而只能采取内外定子单独引线定子铁心轭部没有磁场理论上可以省去铁心采用无槽绕组但是考虑到定子的机械强度金属构件不可避免。其等效磁路如下图:An耳l厶^^^JlA廿l^mA玎A一图串联磁路双转子永磁电机空载等效磁路其中:瓦、只:一内外转子永磁体磁动势源的计算磁动势人矿A。:一内外永磁体内磁导人d、A:~内外气隙磁导A。、A:一内外定子齿部磁导人。一定子轭部磁导A。、人:一内外电机漏磁A。、A:一内外转子轭部磁导。对于并联磁路双转子永磁电机内外转子的永磁体通过自身部分闭合磁路通过共用的定子轭闭合。内外定子槽所匝链的气隙磁通分别只与内外转子的永磁体有关这就相当于两个独立的永磁电机套装在一起对于并联磁路的永磁电山东大学硕士学位论文机由于其内外永磁体共用定子轭因为定子轭部很容易饱和因此在设计时应充分考虑定子轭部磁场。其等效磁路如图所示以下的分析以该种转子结构为主。^n层lA.t^l^lAA^一A.嘻图并联磁路双转子永磁电机空载等效磁路.双转子永磁电机的运行原理^帕易图给出双转子永磁电机空载时的磁场分布图。可以看出在工作原理上双转子永磁电机可以看作是一台内转子永磁电机和一台外转子永磁电机相互串联的电机定子绕组的外槽导体组成外转子永磁电机定子绕组而定子绕组的内槽导体作为内转子永磁电机的定子绕组显然外转子绕组在外转子磁体的作用下产生的电势与内转子绕组在内转子永磁体的作用下产生的电势相互叠加组成双转子永磁电机的电势外转子绕组产生的转矩与内转子绕组产生的转矩相互叠加组成双子永磁电机的电磁转矩。所以双转子永磁电机的工作原理转化为内、外转子永磁电机的工作原理然后根据其具体的导线连接进行分析。图电机一对极下空载磁力线示意图山东大学硕士学位论文.电感参数计算电感是电机的重要参数本苹以三相星形绕组为例利用双转子电机的等效磁路对双转子电机的电枢反应电感进行计算。双转子永磁电机可以看作内转子永磁电机和外转子永磁电机相互串联而成因此在计算其电感时可分别计算内、外转子永磁电机的电感然后将其相加。以外转子电机部分A相绕组为例。计算时假设:()电枢槽部导体中电流集中在槽中心线上()铁磁物质磁导率∥=∞()槽开口的影响以气隙系数来计及。在上述假设条件下当多相电枢绕组中通以多相对称电流后由电枢电流建立的气隙基波径向磁密的幅值为:曰以=∥。El()其中:巧一每极电枢基波磁势幅值。一有效气隙长度E:鱼埘。I()每极基波磁通:氟云。喀‘十)由基波磁场产生的磁链:妒。I=疵足ⅢⅣ()绕组每相电枢反应电感为:和暑锄。詈孚。告浯t嘞对表面式磁体结构来说可以认为内、外转子都具有均匀的等效气隙长度k、k并分别表示为:k詈‘‘。。)k薏“一Q。’山东大学硕士学位论文其中:o、分别为内外转子磁体的磁化方向长度白、分别为内外转子的实际气隙长度“为永磁体的相对磁导率。同理内转子电机部分每相电感为:懈胁詈孚。苦∽粕其中:p为极对数为电机定予铁心有效长度&、&分别为双转子电机内、外转子气隙半径七。。基波绕组因数单层整距绕组取.i}。=.。因此双转子永磁电机的电枢反应电感可表示为:铲胁詈孚。老争cza剐.本章小结本章首先介绍了双转子永磁电机的基本结构及绕组连接情况给出了两种不同的双转子永磁电机永磁磁路结构即串联和并联结构的等效磁路分析了双转子电机的运行原理最后计算了双转子电机电枢反应电感。山东大学硕士学位论文.引言第三章双转子永磁电机空载感应电势对于永久磁钢表面安装的永磁电机由于定子铁心开有若干槽使气隙磁导并非均匀值从而导致电机气隙磁场含有幅值较大的齿谐波当电机旋转时会引起相绕组交链磁链的波动使相绕组感应电势出现波动进而导致绕组相电流的脉动引起电磁转矩的波动最终引起电机的振动和噪声。可见要准确计算永磁电机的感应电势电磁转矩首先应准确计算电机气隙内的磁场分布从而可以准确计算出电机相绕组的电势变化波形和电机的电磁转矩波动以确定有效的改进措施。而准确计算永磁电机气隙内磁场分布的关键是如何考虑齿槽结构对气隙磁场分布的影响。在气隙磁场的求解方法中有限元数值计算方法可以准确计算出气隙磁场的分布波形具有通用性强、适用于各种媒质的特点。但其前处理过程复杂、计算时间较长对使用者有较高的技术要求在电机优化设计中不便采用。解析方法可以较准确地计算气隙磁场分布波形同时可以观察到气隙磁场分布与结构尺寸之间的关系具有很大的工程实用价值阱】。双转子电机可以看为两个表面安装的永磁电机一个是内转子式一个是外转予式当内外永磁体错开角度为O时其磁场分布如图所示可以看出磁场分布可分为内电机磁场和外电机磁场。因此在计算时我们可以对其气隙磁密分布进行分开计算。忽略铁心饱和永磁电机开槽对气隙磁场的影响可用相对比磁导函数加以计算。永磁电机空载气隙磁场可等效为永磁磁极在光滑气隙内产生的气隙磁场与气隙相对比磁导函数的乘积瞎””。.解析法求解气隙磁场分布..极坐标系下的拉普拉斯方程首先给出极坐标系下求解区域满足的方程式。忽略定子齿槽在磁场求解区山东大学硕士学位论文域中磁感应强度与磁场强度的关系为:在气隙中满足方程豆=∥。或在永磁体中满足方程昂=∥。詹。∥。庸其中:露为剩余磁化强度、∥。=∥胁为绝对磁导率假设永磁体退磁曲线在第二象限为直线则厨=E/‰。则标量磁位在气隙中满足方拶仍:o在永磁体中满足方程V妒Ⅱ=等:在极坐标下:露=肘尹M口百()其中:M=∑M。cos印口、M口=o、P是极对数、口是一个永磁体极的中心角、M。(毋/砒!兰、砌:丝墼三盟:丝。心角’即(聊。)%丽}、删予等言等等a当电机空载时在气隙中满足Laplacesequation方程:等吾等专著=。c。一zz在永磁体中满足quasiPoissonianequation方程:纽!煎三鲢:丝研Ir鼬Pr弘..忽略齿槽时求解区域磁场计算()首先设定求解区域:内转子永磁体为区域Ⅱ内气隙区域I外气隙区域m外转子永磁体区域册。从内到外半径依次为砖。R。。RllRJR。:R:。对于双转子电机在两个气隙中其求解通用的标量磁位为:仍(r口)=∑(.rE)(qc∞H口见sinl印(以ln.岛)(co口Do)Hl()最终求解得到其气隙中永磁体中标量磁位为:山东大学硕士学位论文伊I(∞=∑(以lr”Bm一”)cos妒口^..。⋯.口rⅡ(r护)=∑(Inr”EInr一”)cos】妒占()()印≠·时矿n(r霸‰(^圆=。妻!。rp玩c。s印口。砉⋯一赤等^。It。⋯⋯H..⋯~∥一■p()印≠t时缈一c^口=。妻!mBnn’c。s印口。。蔫⋯一赤等c。s印口nIl。.¨⋯.日..⋯.~’‘y一■p()归=时%(nr蜀nr。)c。s口三等llcos口()印=·时‰c彳m蜀m。’)c。s口三等hcos护双转子电机的边界条件为:月(臼)I。^。=O日m(r∽I。耳.=O日“(rDI。如:=O胃口(口)ll耳:=O占d(印|rI^。=%(护)I:^.日口p口)I。^.=H自(r口)l%.口m(口)l。^:=占m(r臼)I。且:日口(DI。厶:=日口(口)l^:参考文献脚可以得到双转子电机在忽略齿槽效应时各个求解区域的磁场分布表达式限于篇幅本文只给出即≠时的表达式。蹦删卜。萎⋯警赤吖者蒜蠢pKnprKnK“叱寺叫c鲁尸’争mc。s印口山东大学硕士学位论文讹俨.妻等赤·t毒篝蒜∥A“∥r代¨矗I吣a”c等”lc争咿l】s证印口%(’班.垫以南.。竺:圭!!釜!二:!:壹!!叁!!釜!!::竺:圭!:!:壶!!釜!‘譬卜c护卜簪“斧kc急”’所^Jl‘吒I矗“·c印州c急州c争叫№s帆。熟M。高与c争咿cos印口一。妻竺M。i石:等‰c。s印口%(r班。霎以)赤。.。竺:壶兰釜!::!:壶!!叁!!釜!:二:竺:芝:!:壶!!釜!。譬旷c等叩簪K等叫等”’叱勺州c等州申”】sin印¨.。熟眠赢与c争”kn印口一。耋竺肘一i石i笔面西n印口()山东大学硕士学位论文‰∽啦童⋯半赤吖若蒡崭∥r丘∥rKm片r.【(寺”l(等”(争咿l】c唧口()吲呐=。妻⋯警南q者著攀器备卢^∥代m尺·c印州一c等”c争州蛐即口外转子永磁体区域:‰(r班。奏!蚓高%.。竺:芝竺:壶兰釜!!釜::二竺:壶兰釜!:!::!!:壶兰釜!‘譬卜c斧’譬cc篆严一c鲁广’·【印”老尸(争”l】c唧弘。姜.::::帆高与ca”‰s印占。熟坂面篝‰cos印臼(一)口棚∽。垫M一赢%.竺:艺:!!:圭!!釜!!釜!:竺:圭!!釜!:::!!:圭!!釜!。簪【(鲁严卜簪【(等严一(鲁广】’叱寺”c静”lc孚门s缸印¨。缸M。高‰c表”‰印口一。奏竺M。南s访印口山东大学硕士学位论文..定子表面磁场分布即卜喜⋯警南白”l·tjj:i{:j{}}一。。s啊Pp(一)。譬”c妒卜簪rc等尸一c等”一“p删=童j半赤白·t毒蒡籍cos印一‘譬¨静叶簪t白扎c静一”..气隙相对比磁导函数的计算本文以许一克变化为基础给出了考虑齿槽效应的气隙相对比磁导函数f..”该气隙相对比磁导函数反应了齿槽效应对气隙磁场的影响程度且这种影响程度随气隙径向位置而变化。齿槽影响主要影响个方面:一是降低每极下的总磁通二是影响气隙和永磁体中的磁场分布本文将主要讨论齿槽对磁场分布的影响。图一l给出了相对磁导计算模型分析电枢开槽的气隙磁密时常假设定、转子只有一面开槽另一面光滑铁心的∥为无穷大其表面为等磁位面。为了简单起见还认为槽深和槽节距都是无穷大。山东大学硕士学位论文▲l转予I图相对磁导计算模型ID(t)VL俪~\\i、|lf●lln\M“口““‘五(b'图单面开槽时气隙磁场的变换根据上述假设利用许一克变换相对磁导计算模型转化为图(a)的z平面多边形相当于有五个角。其中定点z在无穷远处对应于国=±。。故在写粤时去掉对应于z的因子只选两个%值例如选为和一。z平面∞和w平面上的零点是相对应的。z平面变化到w平面的变换函数为:其中:为槽口宽口::l(孥:g’g^。。D图中代表主极表面的边界Z和其他边界(Zz等等)具有不同的}i%蔫山东大学硕士学位论文磁位即在图(b)中相应的uu线段和其他各段有不同的磁位。如前所述为了得到用两组正交直线代表的磁场图形必须进行第二次变换。例如变化到t平面t其虚轴代表磁位‰。实轴代表磁通量妒.t得到图。设t平面的实轴与主极表面对应即与平面上的uu一段对应w和t平面的零点也相互对应。t平面的实轴‰=O代表主极表面的磁位另一条水平线‰=靠。则代表电枢表面和槽壁的磁位。不难看出图相当于有两个尖角的多边形。(w<一)fw>‰(l(w>)(O<、铲<I)O图与图对应的t平面其变换函数为:f=等lIl等由式剖=厢=日得到口l一甜lml’。曰=∥。Ⅳ=∥。里华g在齿中心线上u=磁密应达到最大值:密值相等。在槽中心线上u=钆矿小南。在任意气隙处:卢()=里号麦当堕=一占l。。=E。=硒缉和不开槽时磁譬半径r处磁密应达到最小值t山东大学硕士学位论文V由下式媳y丢=扣筹笔等arctan等蒂了·其中:y=r一(足。一晶一而。)=一置。g:对于内转子电机部分J=(且k:)一r=R:g:一r对于外转子电机部分文献””给出了永磁电机单个槽的气隙比磁导为:撕纠:』A【。肿卜烈r)“百蔷醌⋯⋯舢n<.口。(寸)【Ao⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..√aro.%s口≤口I其中:A。=地ga。=矗oRI为定子开口齿槽宽度a为槽距角口距槽中心线的空间位置角。对内转子电机部分:Ao=风/“口o=氏。RJI对外传子电机部分:A。=鳓/。口口=R以齿面下气隙磁密均匀处的比磁导为基值在气隙半径r处永磁电机单个槽的相对比磁导函数为:砘咖掣()忽略相邻齿槽间的影响则整个永磁电机的气隙比磁导分布为周期函数且周期为口。。将上式可表示为傅立叶级数的形式‘”:互(r’口)=∑五(r)cos吧(“口阳)dO其中:“。为A相绕组轴线与槽中心线之间的空间夹角、g为定子总槽数、天()=亡(.肿)争天c:一卢cr去c。.s兰。。ct.s叫鲁山东大学硕士学位论文图给出了双转子电机内外定子表面处相对比磁导公式中涉及的电机尺寸值参见表。(a)内定子表面(b)外定子表面图定子齿槽表面相对比磁导..考虑齿槽时气隙磁场分布设在极坐标下以A相绕组轴线为极坐标轴当转子N极轴线位于角位置时电机气隙内半径r处气隙磁场的径向分量为:耳一砌(D=毋(r口一力·五(口)()式中曰(r口一)为定子表面光滑且转子位于角位置时的气隙磁密径向分量。为计算简便我们设定子转子N极轴线与A相绕组轴线重合。利用表的电机参数带入公式得到电机定子表面磁密如图~所示。⋯一£.吼●●。叼‘抛。..(a)内定子齿槽表面处(b)外定子齿槽表面处图电机定子表面磁密山东大学硕士学位论文.考虑齿槽时空载感应电势解析式当电机转予旋转时永磁磁极产生的磁场是旋转的而定子齿槽是静止不动的因此电机的空载气隙磁密分布是随转子旋转而变化的。同时每相绕组所交链的磁链也随时间的变化而变化变化的磁链在相绕组中感生的旋转电动势为:E=一d∥/出()由于齿槽的影响会使感应电势E的变化波形中含有一定的纹波。下面将推导双转子永磁电机感应电势表达式:以集中式绕组为例设每个线圈节距为口。机械角度每相绕组串联匝数N当转子N极轴线与A相绕组轴线重合时为感应电势计算起点由双转子永磁电机内、外转子永磁磁密可得内、外转子永磁电机相电势岛‘。(t)、‰“t)表示为:巳一。(f):一萝生鳖.国%以)一善筹笋仰JoIH红舶):一争坐‰兰.国%一。一善等声佃考虑到内、外转子电机直轴间的位置角双转子电机的相电动势岛可表示为:巳=巳一抽(f)P。删(f/∞)()其中:∞为转子角速度甩为单个集中线圈的匝数九『、痧。一分别为内外电机第i个线圈的磁链。其表达式为:九一=f:"一“B。(R小瑾一力.彳(口)RJf矿d口()九一=j:lB“(Rl瑾一力’五(口)RJIf矿d口()丸fe二”一“丑:(Rm口一).jf(邶)E缸()一t上乙一丑:(R口一)‘五(口)E缸()其中:口一加、口一D甜分别为定子内、外绕组第i个线圈首边的空间位置角占一加、艿一。鲥分别为以机械角度表示的内、外电机线圈节距为定子轴向长度。对样机电机进行永磁电势计算(样机尺寸参数参见表)。假定双转子电机转速为r/min通过上式得到外电机和内电机的各自的永磁电势及其合山东大学硕士学位论文成电势波形如下:t~(a)内绕组电势波形.有限元验证厂弋n厂、厂、广、■J、几^ytI(b)外绕组电势波形(c)合成电势波形图解析法电势波形有限元法是将偏微分方程看作某一泛函的欧拉方程然后求取偏微分方程对应的泛函并构成条件变分问题最后直接求解条件变分问题。目前市场上已经出现了很多关于磁场计算的专用软件如ansys、ansoft和nlagsoft。本文就是结合ansys和ansoft对双转子电机进行了有限元分析图给出了双转子电机在ansoft中所建的模型图图给出了双转子电机空载有限元磁场分布图。山东大学硕士学位论文图电机模型图磁场分布图图为双转子永磁电机样机用有限元分析计算得到的内外气隙永磁磁密分布波形图为采用时步有限元法计算得到的双转子永磁电机相电动势波形对比采用解析法得到的气隙永磁磁密波形和相电动势波形可以看出两者吻合的很好。⋯碰~ju.五.f::』一与·JUo卯佃’鼍角孑拗如如(a)内定子表面永磁磁密(b)外定子表面永磁磁密图定子表面磁密波形一∞皿讹(a)内电机相电势波形(b)外电机相电势波形¨∞旺¨o叫们们“上∞翻越藿r祥科呻∞柚∞o∞加∞锄~|纛掣毯聱山东大学硕士学位论文V■(c)合成相电势波形图一lO相电势波形通过上面图形可以看出解析法求解的幅值基本和有限元的方法相同但是解析法求解的数值波动比有限元大很多其主要的原因是解析法在建模的时候假设齿槽无限深相邻槽之间没有相互的作用而在实际分析的电机中由于齿槽比较多有限元法充分考虑了相邻槽之间的相互作用。因此该解析法更适合于槽数相对较少的电机。.改善电势波动的措施针对双转子电机的特殊结构性下面将用解析法分析如下三个方法通过分析比较得到减小电势波动的方法:)改变槽口开口的角度)移动槽口)改变永磁体的角度。见图一。回圈圈审图减小电势脉动措施示意图()改变内外槽口角度首先研究改变槽口开口角度对气隙磁密及其永磁电势的影响在双转子设计中定子内外开口可以设计为相同可以设计为不同。如下图对于这种设计我们考虑内气隙开口的合理性由电机的实际尺寸确定内定子开口角度为度山东大学硕士学位论文通过改变外定子开口的角度其具体角度为:方式一:内槽口度外槽口度方式二:内槽口度外槽口度方式三:内槽口度外槽口度方式四:内槽口度外槽口度通过解析法计算其曲线见图图中曲线对应方式一曲线对应方式二曲线对应方式三曲线对应方式四。通过曲线可以看出在保证内槽口不变的情况下外槽口越大其电势波动越大因此应选择合适的槽口角度⋯()移动槽口上面讨论了内外定子槽口大小对空载感应电势的影响下面我们将研究移动槽口对空载气隙磁密及其空载感应电势的影响。分析移动槽口对电势的影响时可以采取内外转子槽口分别移动半个槽口距如图一ll的(b)所以这样以来就可以降低齿槽对气隙磁密的影响从而改善电势波形。通过上面的分析内外槽口最好的开口角度为内槽口度外槽口度下面将在此基础上进行槽口移动。考虑到

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