静态密封双定子高温超导电机电磁噪声预测研究

基于电磁场-结构场-声场的多物理场耦合分析对静态密封双定子高温超导电机(HTS-DSG)的电磁振动声学规律进行了预测性研究。针对HTS-DSG内定子齿饱和的特点,采用等效气隙长度和动态磁导率相结合的方法,分别对HTS-DSG饱和状态下的内、外气隙磁通密度进行了解析计算,并经仿真及试验验证了理论方法的正确性。针对超导电机内设置分体式冷却杜瓦这一特殊结构,并进行分析得到了不同位置杜瓦的振动规律。结果表明,超导线圈匝层间最大抗拉强度远远大于所受振动应力,超导线圈不会因整机振动发生故障。最后,将电磁力耦合到HTS-DSG声场有限元模型中,利用多物理场耦合分析,预测了HTS-DSG的电磁振动和噪声规律。     

分块转子磁通切换电机绕组理论及谐波特性的研究

从分块转子磁通切换电机结构特点出发,制定分块转子磁通切换电机的线圈绕组分布图和线圈电动势星形图的画法,基于此提出任意相分块转子磁通切换电机的相带划分方法,并通过有限元仿真验证了该相带划分方法的正确性,分析分块转子磁通切换电机单线圈谐波特性,基于该文制定的线圈电动势星形图,推导出适用于任意相分块转子磁通切换电机相绕组无偶数次谐波的齿极配合判据,通过有限元仿真验证了该判据的有效性。基于上述研究成果,研制了一台三相12/7电励磁分块转子磁通切换电机原理样机,实验验证了该文提出的分块转子磁通切换电机绕组相带划分法和无偶数次谐波齿极配合判据的正确性。     

直驱式波浪发电用全超导初级励磁直线发电机的设计与分析

初级永磁直线电机具有次级结构简单的特点,十分适用于直驱式波浪发电。基于广泛应用于波浪发电的游标混合电机和磁通切换直线电机,本文提出一种采用超导绕组的初级励磁直线发电机,该电机的性能的得到大幅提高。通过超导绕组和多齿结构的设计可提高电机的磁场能量并克服易去磁和高定位力等游标直线电机的缺点。首先,介绍了电机的基本结构和工作原理,给出了电机超导励磁绕组和电枢绕组的设计结构,并完成了超导绕组的直流导电性能测试和交流损失计算。然后,通过二维有限元法,对电机的空载特性进行仿真分析,并与相应的游标混合电机和磁通切换直线电机进行了对比。另外,对电机的负载特性进行了仿真,并将其带载能力与磁通切换直线电机进行了对比。最后,采用一台磁通切换永磁直线电机验证了对其带载能力的有限元分析结果。所有结果表明,全超导初级励磁直线发电机相对其它两类电机具有其独特的优势。     

单相并联混合励磁磁通切换型磁阻电机建模与分析

磁通切换型磁阻电机可采用不同的励磁形式,其中电励磁式与混合励磁式的励磁磁动势是可调节的,在单相电励磁结构基础上分析设计了相同定转子极数比的并联混合励磁的磁通切换型磁阻电机。提出一种借助于变跨距电励磁磁通切换型磁阻电机的有限元仿真结果,以建立混合励磁结构的简化磁路模型的方法,通过该模型可获得描述电机动态特性的非线性等效励磁电流、电感等参数。制作了具有可比性的电励磁、混合励磁结构样机各一台,并进行了实验测试,模型计算值与实验值吻合度较高,验证了理论分析、建模方法的正确性。     

考虑驱动线圈位移变化的电动振动台非线性 电磁力建模与分析

该文在二维平面直角坐标系内建立电动振动台的精确子域解析模型,求解区域划分为励磁线圈区域、驱动线圈区域和气隙区域,并采用基于傅里叶理论的通用公式给出各子域的磁感应强度通解,通过各子域之间的边界条件确定通解中的未知系数,从而实现电动振动台的磁场解析。以某一大型电动振动台为例,将气隙磁通密度解析计算结果与二维有限元结果相比较,验证了解析模型的准确性。最后,在静态磁场解析结果基础上,考虑驱动线圈位移变化,利用电磁力求解公式计算得出驱动线圈随位移变化的非线性分布的电磁力。通过分析得出,负载磁场对原励磁磁场的影响使得气隙中磁通密度分布的不均匀性加剧,从而导致驱动线圈在运动过程中受到非线性的电磁力。     

高温超导(HTS)同步电机的进展

近几年来,国外已对许多带高温超导线圈绕组的超导电机进行了验证,目前一些项目正进入开发阶段。本文回顾了世界范围内低温超导电机和高温超导电机的历史,用超导励磁线圈绕组代替传统的铜线圈励磁绕组,可以使旋转电机性能更佳、稳定性更高、操作更简单。超导同步电机自1960年代中期开始发展,起初励磁绕组采用低温超导体,由于励磁绕组热裕量小,加之转子冷却系统复杂,故很难产出有市场吸引力的电机。而高温超导体可以提供较大的热裕量,且转子冷却系统大为简化,由此推动了军用和商用高温超导电机的发展。在美国和欧洲,已出现从几千瓦到几兆瓦的高温超导电机的示范机。目前,正开发的大型高转矩船用推进电动机和大型发电机,预计在未来几年内可以商业化。其使用寿命长、体积小、重量轻及效率较高的优势,则刺激了大型高温超导电机的发展。     

自稳定横向磁通磁悬浮直线电机特性研究

采用仿真分析与实验验证相结合的方法研究了横向磁通磁悬浮直线电机的自稳定能力及其电磁力特性。建立横向磁通磁悬浮直线电机三维电磁计算模型,利用有限元软件研究了电机次级电流分布以及电磁轨道几何参数、电气参数对电机性能的影响规律。研制实验验证样机,利用搭建的实验平台,测试在不同励磁电流大小、频率和悬浮气隙的条件下,电机次级所受到的驱动力、悬浮力、导向力的变化情况,并与仿真结果对比,验证有限元仿真模型的有效性与准确性,为横向磁通磁悬浮直线电机在轨道交通等领域的应用提供理论支撑。     

混合励磁轴向磁场磁通切换型永磁电机静态特性

提出一种混合励磁轴向磁场磁通切换永磁电机,以一台12/11极电机为例分析电机的结构特点和工作原理。基于三维有限元方法研究该电机静态特性,对空载永磁磁场和气隙磁通密度进行分析,研究永磁磁链、反电动势、定位力矩及绕组电感等电磁特性,分析不同励磁电流下的气隙磁场分布和调磁特性。结果表明:该种电机的磁链和反电动势均为双极性的正弦分布,适于无刷交流运行场合;通过调节励磁电流,线圈匝链磁通变化明显,调磁效果较好。     

12槽10极磁通切换型永磁同步电机设计与分析

磁通切换型永磁同步电机因其定转子拓扑简单、结构紧凑、转矩密度大、故障率低等优点,能够实现电机在较宽速度范围内运行调速,适用于风力发电、混合动力汽车等领域。在深入分析磁通切换型永磁同步电机磁通切换工作原理基础上,设计了一台12槽10极磁通切换型双凸极电机,采用有限元方法计算了电机的气隙磁场、永磁磁链和反电动势、齿槽转矩以及输出转矩等电磁特性。最后通过一台3 k W样机对其转矩特性进行了实验验证,实验结果与有限元仿真结果一致,验证了上述方法的正确性。     

线间补偿型匝间短路故障自动容错永磁同步电机故障位置检测方法

定子绕组匝间短路故障是永磁同步电机(PMSM)最常见的故障之一。该故障会造成三相电流不平衡,输出转矩剧烈波动,输出能力下降。故障严重时,过大的短路电流会烧毁绕组。为了解决匝间短路故障产生的问题,课题组此前提出了一种具有匝间短路故障自动容错能力的PMSM。针对该特种电机,提出了一种匝间短路故障位置的检测方法。介绍了电机的特殊结构,并通过数学模型推导出利用电机漏磁路特性和原有定子线圈判别故障线圈所在相的方法。使用ANSYS软件建立电机有限元模型,对电机不同匝间短路情况进行仿真,验证了该检测方法的正确性。     

混合励磁分块转子磁通切换电机电磁特性分析

为了提高电励磁转子分块式磁通切换电机转矩密度和功率密度,提出一种混合励磁分块转子磁通切换电机拓扑,通过在定子齿开槽,嵌入径向充磁的永磁体,提高了电机的转矩密度和功率密度。介绍了电机的工作原理、磁通切换方式和基本参数尺寸设计。通过有限元仿真得出静态永磁磁场分布、永磁磁链、反电势和定位力矩。与典型混合励磁磁通切换电机的调磁磁性能进行对比研究。有限元仿真结果表明:混合励磁分块转子磁通切换电机具有高转矩密度、高功率密度、强容错能力、强调磁能力,适合用于启动发电系统。     

双定子高温超导电机阻尼绕组对超导励磁磁场及电枢反应磁场作用机理分析

基于静态密封双定子高温超导电机（DS HTSM）中的静止气隙磁导模型,采用理论公式与有限元仿真相结合的方法分析阻尼导条对磁场的影响。按照磁力路径推导出内气隙磁密,通过建立等效阻尼电路模型,得到其在超导线圈附近感应的反交流谐波,通过有限元仿真进行验证。分析结果表明,鼠笼式阻尼导条可以在基本不影响DS HTSM励磁磁场的同时,削弱基波电枢反应磁场对超导线圈的影响。     

旋转超导电机发展现状

大容量旋转超导电机在风力发电、舰船驱动等低速直驱应用领域具有广阔的应用前景。依据是否采用低温耦合传输装置实现低温冷却介质的传输和励磁功率的输入,将旋转超导电机分为动态密封和静态密封超导电机两类。分析了动态密封超导电机的常用定子、转子结构形式及其优缺点。针对静态密封超导电机,以转子分段式磁通切换结构、场调制双定子结构、单体励磁分极式结构等典型拓扑为例,揭示了其能够实现冷却系统静态密封形式的本质原因。最后,对两类超导电机面临的超导励磁绕组失超这一共性问题进行了探讨,从电机本体结构层面,给出了静态密封超导电机抑制电枢反应磁场对超导线圈影响的策略和方法。     

汽轮发电机励磁绕组动态匝间短路故障的定位研究

励磁绕组匝间短路故障是汽轮发电机的频发故障,但现有的方法实现匝间短路定位,尤其是动态匝间短路线圈的定位,还存在一定的困难。为了确定发电机励磁绕组存在动态匝间短路线圈的位置,详细推导了汽轮发电机励磁线圈匝间短路时励磁磁动势、气隙磁密、定子空载电势、定子并联支路间环流等物理量的变化;在考虑电机饱和的基础上,确定了动态匝间短路故障的特征量,提出了故障诊断方法,并进行了仿真和实验研究。研究结果表明,定子空载奇次谐波电势变化量的比值以及并联支路偶次谐波环流比值与励磁线圈匝间短路的位置存在一一对应的关系,据此可确定励磁线圈的短路位置。这种方法不仅可以检测出励磁线圈动态匝间短路的位置,同样也可以检测出静态匝间短路的位置,从而实现励磁线圈匝间短路故障的定位。     

隐极同步发电机励磁绕组匝间短路的多回路电感参数计算

为了对故障中各种电气量进行准确仿真分析以揭示隐极同步发电机励磁绕组匝间短路的故障机理,需要准确计算电机的各种参数,尤其是与发生匝间短路的励磁绕组有关的电感参数.从隐极同步电机分布式励磁绕组在各极下的单个同心式线圈出发,应用气隙磁导的概念和谐波分析的方法计算与单个励磁线圈有关的电感参数,并按照故障的励磁绕组的实际连接情况进行叠加,得到了与励磁绕组各回路有关的多回路参数模型.该模型考虑了励磁绕组故障回路产生的各种谐波磁场的作用,并通过具体算例间接说明了其合理性.将该参数模型用于励磁绕组匝间短路故障的多回路计算,计算结果与样机实验吻合,验证了参数模型的准确性.     

轴向磁通切换型混合励磁同步电机优化分析

提出一种定子分割式轴向磁通切换型混合励磁同步电机,分析电机的电磁特性,进行优化分析。基于三维有限元方法,建立电机的有限元分析模型,获得电枢绕组磁链、空载电动势及绕组电感等参数电磁特性;分析定子槽口宽度、永磁体宽度、定子槽深度及转子齿宽度变化对绕组感应电动势的影响规律。有限元分析结果表明:通过调节励磁电流,线圈磁通变化明显,调磁效果较好;优化分析结果为电机尺寸的确定提供了一定的理论依据。     

发电机定子匝间短路对绕组电磁力的影响

该文分析了同步发电机定子匝间短路故障前后电枢绕组的电磁力特性。首先推导正常情况和定子匝间短路故障下的气隙磁通密度,得到定子绕组电磁力的解析表达式;然后建立发电机故障前后的三维有限元计算模型,对不同短路程度下的绕组电磁力进行了求解计算;最后实测MJF-30-6型隐极故障模拟发电机在正常运行和不同程度定子匝间短路故障下的电枢绕组振动响应,其实验结果与理论分析、有限元计算结果基本吻合。结果表明:正常情况下基波磁通密度产生的定子绕组电磁力只包含直流分量及二倍频成分;定子匝间短路故障下,定子绕组电磁力包含直流、二倍频、四倍频、六倍频成分;随着短路程度的加剧,绕组电磁力的直流量及二、四、六倍频成分幅值将随着增大。     

12/10极混合励磁磁通切换电机的快速设计

为探讨混合励磁磁通切换电机(flux-switching hybrid excitation machines,FSHM)的快速设计方法,以简单磁路法为蓝本,结合了磁网络法中关键磁路细分和迭代求解计算铁心磁导率技术,建立了某相电枢绕组磁链最大位置的单元电机非线性磁路解析模型。据此给出了电励磁绕组安匝数以及磁桥初始磁密的设置推荐值,并采用组合性试探法,对比分析了定子轭高对永磁体尺寸与调磁系数的影响规律;设计了一台1.5 kW、12/10极结构FSHM样机,进行了实验研究。有限元计算与实验结果验证了设计方法的正确性和有效性,为FSHM电机永磁与电励磁配置以及调磁系数等参数的确定提供了参考。     

不同极槽数配合的分立定子混合励磁磁通切换电机研究（英文）

混合励磁电机使用永磁体和励磁线圈共同作为励磁源,可以集成永磁电机高效率、高功率密度以及电励磁电机灵活调磁的优点。该文将研究一种分立定子混合励磁磁通切换电机,该电机的永磁体和励磁线圈均置于定子以省略电刷滑环,同时采用双定子结构以解决传统定子混合励磁电机的定子空间拥挤问题。该电机遵循磁通切换原理,静止励磁源产生的磁通被凸极转子调制,进而在电枢绕组上产生双极性交变磁链。该文将介绍该电机运行原理,并重点研究不同定转子极槽数配合的电机电磁性能,以说明该类型电机兼具高转矩密度和强调磁能力。此外,分析关键设计参数对电机转矩密度和调磁能力的影响,为电机设计提供指导。最后,制作并测试2台样机以完成实验研究。     

混合励磁磁通切换电机等效磁路模型

混合励磁磁通切换电机（flux-switching hybrid excitationmachine,FSHM）是一种新型定子励磁型交流无刷电机,具有磁链双极性、结构简单、功率密度高、运行可靠等优点。改变电励磁绕组电流的大小和方向,实现了对永磁气隙磁场的有效调节与控制,而引入导磁磁桥可提升气隙磁场调节范围。以建立电枢绕组磁链最大位置的等效磁路模型为切入点,推导了峰值磁通表达式,探索了磁桥段相对磁导率的估算方法,结合有限元仿真分析了磁桥厚度变化与磁桥式FSHM初始气隙磁密、磁桥磁密、气隙磁场调节能力、磁力线路径转移等特性的关系。样机的有限元仿真及实验结果与等效磁路模型预测趋势基本一致,验证了建模方法与理论分析的正确性,可用于指导磁通切换电机的设计与性能分析。