無刷雙饋電機的數學模型和有限元仿真.pdf

1、無刷雙饋電機(BDFM)是一種新型電機，其結構與籠型轉子異步電機相似，堅固可靠，沒有滑環(huán)碳刷，然而它卻可以像繞線轉子電機那樣實現異步、同步、雙饋等多種運行方式。由于BDFM結構的特殊性、數學模型和電磁設計的復雜性，目前國內外尚未有該類電機的系列商品化產品，也未見到關于BDFM完整的電磁設計程序的文獻報道。鑒于此，對其進行深入的理論研究，研究編制更加方便、有效、可靠、精確的計算軟件，對于該種電機的研發(fā)是一項很有意義的探索性工作，這也是本文

2、的研究目的。 本文以籠型轉子型式的無刷雙饋電機為對象，圍繞無刷雙饋電機的基礎理論、有限元仿真、參數計算等方面進行了深入的研究。特別是:本文提出并利用大型商用軟件ANSYS的二次開發(fā)功能，開發(fā)的三個專用的有限元軟件程序，對于準確計算BDFM的電路參數和穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性，對于BDFM的電磁設計具有很重要的實用價值。 本文的工作主要包括以下幾方面的內容: (一)在回顧無刷雙饋電機的發(fā)展進程的基礎上，總結了無刷雙饋電機運行

3、理論和分析方法、特性仿真和參數計算、有限元仿真模型以及其國內外研究現狀，重點對無刷雙饋電機的相關基礎理論進行了論述和介紹，主要是無刷雙饋電機多回路模型和d-q模型。 (二)本文首次在ANSYS軟件環(huán)境下，建立了適合無刷雙饋電機穩(wěn)態(tài)性能計算的場路耦合偽靜止渦流有限元模型、編寫了專用程序；建立并開發(fā)了適合無刷雙饋電機瞬態(tài)性能計算的場路耦合時步有限元模型和專用程序。全部工作利用APDL(ANSYS Parametric DesignL

4、anguage)語言，通過二次編程開發(fā)來實現。 無刷雙饋電機結構與傳統交流電機有較大的不同，建立適合無刷雙饋電機穩(wěn)態(tài)分析“快而準”的有限元專用程序對于完善目前無刷雙饋電機分析手段是非常必要的。而本文提出的無刷雙饋電機的場路耦合偽靜止渦流有限元模型可以滿足這種要求。該模型不須考慮轉子的轉動就能準確預測不同滑差點處電機的穩(wěn)態(tài)性能，鐵心飽和以及集膚效應直接在場中計及，諸如端環(huán)等三維效應可以通過傳統參數計算方法加以考慮。 本文提

5、出的另一種有限元方法采用時步有限元模型分析無刷雙饋電機瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)計算，雖然計算時間較長，但是它有著其它模型無法比擬的優(yōu)點:用最少的“假設條件”獲得最接近真實樣機的“仿真”。本文首次開發(fā)了無刷雙饋電機的場路耦合的時步有限元程序，在處理轉子轉動時，采用了插值運動邊界法，通過耦合與約束方程、有限元形函數關聯移動表面的矢量磁位，轉子轉動后，不再需要重新剖分有限元網格。 用所編制的兩種有限元軟件計算了無刷雙饋電機在異步、同步、雙饋等多種運

6、行方式的穩(wěn)態(tài)性能。實驗數據證實了計算軟件的有效性。 (三)本文詳細研究了無刷雙饋電機電感的參數計算方法，提出了計算微分電感系數的改進的能量攝動法，編制了相應的程序。 電機的自感和互感參數是研究電機運行性能和進行電機設計的關鍵參量。非線性電感可以分為割線電感和微分電感。磁鏈除以電流提供的是割線電感系數，磁鏈增量除以電流增量便得到微分電感，電路微分方程中需要的是微分電感系數。繞組函數法常應用于計算線性或割線電感。本文采用繞組

7、函數法，導出了用于BDFM多回路電路方程中電感和互感參數計算的解析公式。由于繞組函數法無法計算微分電感，本文提出了一種改進的能量攝動法并編寫了計算程序，與傳統的能量攝動法相比，新方法具有更多的優(yōu)點:它可以減少非線性有限元分析的求解次數，提高計算效率；直接計算磁場能量的攝動(相對值)，使用一階導數求電感，計算更準確；電流攝動可以取較大的值；轉子的轉動采用插值運動邊界法，計算轉子不同位置的定轉子互感時，不再需要進行網格重新剖分。 (