無刷雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和有限元仿真.pdf

1、無刷雙饋電機(jī)(BDFM)是一種新型電機(jī)，其結(jié)構(gòu)與籠型轉(zhuǎn)子異步電機(jī)相似，堅(jiān)固可靠，沒有滑環(huán)碳刷，然而它卻可以像繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)那樣實(shí)現(xiàn)異步、同步、雙饋等多種運(yùn)行方式。由于BDFM結(jié)構(gòu)的特殊性、數(shù)學(xué)模型和電磁設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，目前國內(nèi)外尚未有該類電機(jī)的系列商品化產(chǎn)品，也未見到關(guān)于BDFM完整的電磁設(shè)計(jì)程序的文獻(xiàn)報(bào)道。鑒于此，對其進(jìn)行深入的理論研究，研究編制更加方便、有效、可靠、精確的計(jì)算軟件，對于該種電機(jī)的研發(fā)是一項(xiàng)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(zhuǎn)子型式的無刷雙饋電機(jī)為對象，圍繞無刷雙饋電機(jī)的基礎(chǔ)理論、有限元仿真、參數(shù)計(jì)算等方面進(jìn)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(gè)專用的有限元軟件程序，對于準(zhǔn)確計(jì)算BDFM的電路參數(shù)和穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性，對于BDFM的電磁設(shè)計(jì)具有很重要的實(shí)用價(jià)值。 本文的工作主要包括以下幾方面的內(nèi)容: (一)在回顧無刷雙饋電機(jī)的發(fā)展進(jìn)程的基礎(chǔ)上，總結(jié)了無刷雙饋電機(jī)運(yùn)行

3、理論和分析方法、特性仿真和參數(shù)計(jì)算、有限元仿真模型以及其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)對無刷雙饋電機(jī)的相關(guān)基礎(chǔ)理論進(jìn)行了論述和介紹，主要是無刷雙饋電機(jī)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(jī)穩(wěn)態(tài)性能計(jì)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(jī)瞬態(tài)性能計(jì)算的場路耦合時(shí)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(shí)現(xiàn)。 無刷雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)交流電機(jī)有較大的不同，建立適合無刷雙饋電機(jī)穩(wěn)態(tài)分析“快而準(zhǔn)”的有限元專用程序?qū)τ谕晟颇壳盁o刷雙饋電機(jī)分析手段是非常必要的。而本文提出的無刷雙饋電機(jī)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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)就能準(zhǔn)確預(yù)測不同滑差點(diǎn)處電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能，鐵心飽和以及集膚效應(yīng)直接在場中計(jì)及，諸如端環(huán)等三維效應(yīng)可以通過傳統(tǒng)參數(shù)計(jì)算方法加以考慮。 本文提

5、出的另一種有限元方法采用時(shí)步有限元模型分析無刷雙饋電機(jī)瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)計(jì)算，雖然計(jì)算時(shí)間較長，但是它有著其它模型無法比擬的優(yōu)點(diǎn):用最少的“假設(shè)條件”獲得最接近真實(shí)樣機(jī)的“仿真”。本文首次開發(fā)了無刷雙饋電機(jī)的場路耦合的時(shí)步有限元程序，在處理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，采用了插值運(yùn)動(dòng)邊界法，通過耦合與約束方程、有限元形函數(shù)關(guān)聯(lián)移動(dòng)表面的矢量磁位，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后，不再需要重新剖分有限元網(wǎng)格。 用所編制的兩種有限元軟件計(jì)算了無刷雙饋電機(jī)在異步、同步、雙饋等多種運(yùn)

6、行方式的穩(wěn)態(tài)性能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了計(jì)算軟件的有效性。 (三)本文詳細(xì)研究了無刷雙饋電機(jī)電感的參數(shù)計(jì)算方法，提出了計(jì)算微分電感系數(shù)的改進(jìn)的能量攝動(dòng)法，編制了相應(yīng)的程序。 電機(jī)的自感和互感參數(shù)是研究電機(jī)運(yùn)行性能和進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)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(shù)，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(shù)。繞組函數(shù)法常應(yīng)用于計(jì)算線性或割線電感。本文采用繞組

7、函數(shù)法，導(dǎo)出了用于BDFM多回路電路方程中電感和互感參數(shù)計(jì)算的解析公式。由于繞組函數(shù)法無法計(jì)算微分電感，本文提出了一種改進(jìn)的能量攝動(dòng)法并編寫了計(jì)算程序，與傳統(tǒng)的能量攝動(dòng)法相比，新方法具有更多的優(yōu)點(diǎn):它可以減少非線性有限元分析的求解次數(shù)，提高計(jì)算效率；直接計(jì)算磁場能量的攝動(dòng)(相對值)，使用一階導(dǎo)數(shù)求電感，計(jì)算更準(zhǔn)確；電流攝動(dòng)可以取較大的值；轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)采用插值運(yùn)動(dòng)邊界法，計(jì)算轉(zhuǎn)子不同位置的定轉(zhuǎn)子互感時(shí)，不再需要進(jìn)行網(wǎng)格重新剖分。 (