繞線式無刷雙饋脈沖發(fā)電機(jī)研究中文摘要

脈沖發(fā)電機(jī)既具有儲(chǔ)能密度大和功率密度高的綜合特性，又具有體積小、重量輕、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、連續(xù)運(yùn)行可靠、可調(diào)幅度大等優(yōu)點(diǎn)。因此，它是高功率脈沖電源實(shí)現(xiàn)小型化的較好的解決方案。但是在高速、高儲(chǔ)能的脈沖交流發(fā)電機(jī)中，隨著轉(zhuǎn)速的升高和功率的加大，電刷滑環(huán)也成為脈沖發(fā)電機(jī)的一個(gè)瓶頸問題，不僅要承受高轉(zhuǎn)速、高線速度，還要傳導(dǎo)大的電流和功率，并且還會(huì)因?yàn)殡娝⑴c滑環(huán)的摩擦帶來嚴(yán)重的發(fā)熱和功率損耗，消耗轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存的動(dòng)能，也不經(jīng)濟(jì)。因此，本文將脈沖電機(jī)的運(yùn)行方式與繞線式無刷雙饋電機(jī)的特點(diǎn)相結(jié)合，提出了一種新型的無電刷結(jié)構(gòu)的脈沖發(fā)電機(jī)--繞線式無刷雙饋脈沖發(fā)電機(jī)。該電機(jī)在無刷的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)變速下的主繞組輸出電能的恒壓恒頻，在連發(fā)脈沖時(shí)波形具有良好的一致性。本質(zhì)問題是要研究繞線式無刷雙饋電機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立一套根據(jù)脈沖負(fù)載要求設(shè)計(jì)配套的電機(jī)的理論，通過模型的仿真和樣機(jī)的試驗(yàn)研究，來驗(yàn)證理論研究的結(jié)果。

慣性儲(chǔ)能脈沖發(fā)電機(jī)由于其體積小、重量輕、儲(chǔ)能密度大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、連續(xù)運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)在脈沖功率領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是在高速、高儲(chǔ)能的脈沖發(fā)電機(jī)中，隨著轉(zhuǎn)速的升高和功率的逐漸增高，電刷滑環(huán)不僅要承受高轉(zhuǎn)速、高線速度，還要傳導(dǎo)大電流和大功率，電刷與滑環(huán)的摩擦?xí)韲?yán)重的發(fā)熱和功率損耗，消耗轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能，所以電刷滑環(huán)成為了限制脈沖發(fā)電機(jī)發(fā)展的一個(gè)瓶頸。已有的相對(duì)成熟的取消電刷滑環(huán)的方案是利用感應(yīng)子電機(jī)作為給移動(dòng)式電容快速充電的脈沖功率電源使用。感應(yīng)子電機(jī)轉(zhuǎn)子為一個(gè)實(shí)心體，強(qiáng)度高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，電機(jī)可以做到較高的轉(zhuǎn)速以及儲(chǔ)能密度來滿足脈沖發(fā)電的需求。但是感應(yīng)子電機(jī)也正是因其獨(dú)特的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使得電機(jī)的功率密度較低，只有同轉(zhuǎn)速下普通同步電機(jī)的二分之一左右，這一特點(diǎn)也制約了感應(yīng)子電機(jī)向更高功率等級(jí)應(yīng)用方向的發(fā)展。本研究試圖將無刷雙饋電機(jī)引入到脈沖功率場(chǎng)合，以取代現(xiàn)有感應(yīng)子電機(jī)來作為移動(dòng)式電容快速充電電源，實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)向更高功率等級(jí)的發(fā)展。無刷雙饋電機(jī)定子有兩套極對(duì)數(shù)不同的繞組：功率繞組和控制繞組。本身兩套繞組間不存在直接耦合，而是通過特殊設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)間接耦合，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無刷勵(lì)磁。并且無刷雙饋電機(jī)可以通過調(diào)節(jié)控制繞組端電壓的頻率來調(diào)節(jié)功率繞組輸出電壓的頻率，從而實(shí)現(xiàn)單次放電，轉(zhuǎn)速下降后連發(fā)脈沖波形的一致性。無刷雙饋電機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)可靠性高、功率密度適中等優(yōu)點(diǎn)，從而可以用于大功率電容快速充電電源的應(yīng)用。通過本項(xiàng)目的研究，詳細(xì)分析了無刷雙饋電機(jī)的本質(zhì)原理和運(yùn)行機(jī)制，建立了全新的無刷雙饋電機(jī)等效電路模型。并將其應(yīng)用到電容快速充電系統(tǒng)的建模分析中。并采用場(chǎng)、路耦合的多種分析方法，結(jié)合系統(tǒng)模型的構(gòu)建和電機(jī)的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了全系統(tǒng)的性能仿真研究。在此基礎(chǔ)上加工制造出能滿足脈沖能量輸出要求的繞線式無刷雙饋脈沖發(fā)電機(jī)樣機(jī)并搭建了電容快速充電電源系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方案的可行性。通過該項(xiàng)目的研究，得到了電容快速充電用無刷雙饋脈沖發(fā)電機(jī)及其電容負(fù)載系統(tǒng)的分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)理論。

“注意，“Fed”并不確指電能的交換方向（輸出還是輸入），所以，雙饋既有雙饋發(fā)電機(jī)，亦有雙饋電動(dòng)機(jī)。對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子的異步電機(jī)，除了定子必然和電源相聯(lián)之外，轉(zhuǎn)子也可以和電源相聯(lián)，于是，當(dāng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)時(shí)，稱之為雙饋異步發(fā)電機(jī)；反之作為電動(dòng)機(jī)時(shí)，則稱為雙饋異步電動(dòng)機(jī)，而只有一端和電源相聯(lián)的普通電機(jī)則屬于“單饋”。

還要指出，雙饋發(fā)電或雙饋電動(dòng)均屬于和外部電源的電能交換，因此，雙饋（Double Fed）以及串級(jí)（Cascade Control）都應(yīng)歸屬于外饋。

本申請(qǐng)擬研究一種世界首創(chuàng)的無刷雙饋雙機(jī)械端口電機(jī)(BL-DF-EVT)。該電機(jī)有兩個(gè)轉(zhuǎn)速獨(dú)立變化的機(jī)械轉(zhuǎn)子，分別接原動(dòng)機(jī)和機(jī)械負(fù)載。定子鐵心內(nèi)有兩套繞組用于控制轉(zhuǎn)速。該電機(jī)的原理建立在有刷雙機(jī)械端口電機(jī)和無刷雙饋電機(jī)原理的基礎(chǔ)上,并有所創(chuàng)新。其特點(diǎn)是：原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率大部分通過雙轉(zhuǎn)子直接傳遞到負(fù)載端，轉(zhuǎn)差功率可通過定子繞組和雙向變換器傳遞給負(fù)載，因而功率變換器的容量大大減小。原動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間的不平衡功率可以通過向蓄電池充放電進(jìn)行平衡。本申請(qǐng)?zhí)岢龅腂L-DF-EVT和傳統(tǒng)EVT電機(jī)相比省去了滑環(huán)電刷和內(nèi)、外轉(zhuǎn)子位置傳感器，需要根據(jù)新電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)深入研究電機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系、運(yùn)行模式、控制策略并解決一些關(guān)鍵技術(shù)問題。本研究將對(duì)機(jī)械變速領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，使EVT電機(jī)具有機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、磨損小、運(yùn)行更可靠等優(yōu)點(diǎn)，并擁有獨(dú)立的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。因此，本項(xiàng)目的研究具有重要的科學(xué)意義和理論價(jià)值。 2100433B