集成式无刷励磁交流同步发电机的研究

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1、中图分类号：TM464论文编号：102870316-B025学科分类号：080804博士学位论文集成式无刷励磁交流同步发电机的研究研究生姓名朱姝姝学科、专业电力电子与电力传动研究方向特种电机指导教师刘闯教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一七年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationTheStudyonIntegratedBrushlessExcitationACSync

2、hronousGeneratorAThesisinAutomationEngineeringbyZhuShushuAdvisedbyProf.LiuChuangSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyMarch,2017承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不

3、包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学博士学位论文摘要无刷励磁电机可以消除环火隐患，简化维护工作以及提高系统可靠性。现有的无刷励磁方案存在以下问题：降低了输出电压波形的正弦度，无法满足波形质量的要求；存在轴向磁通，采用实心铁心，增大了电机铁耗；需要额外的励磁机，增大了发电机

4、的体积；输出功率无法调节，改变了电机原有的工作特性；所需的励磁功率较大，增大了电机损耗。本文针对以上问题提出了一种集成式无刷励磁方案，并将其运用在有刷励磁型混合励磁电机(HybridExcitationSynchronousGenerator，HESG)上，设计出一种集成式无刷混合励磁电机(IntegratedBrushlessExcitationHybridExcitationSynchronousGenerator，IBE-HESG)。本文的主要研究内容如下：1.为了实现转子励磁型电机的无刷化励磁

5、，提出了一种新型集成式无刷励磁方法。发明并实现了一种集成式混合励磁电机(IBE-HESG)。本文分析了集成式无刷励磁方法以及IBE-HESG的工作原理，研究了IBE-HESG主发电机部分和励磁部分极对数的选择。另外，设计了一台1.5kVA的样机，优化主发电机部分的设计参数，建立了IBE-HESG的AnsysMaxwell有限元仿真模型。通过有限元仿真得到了IBE-HESG的磁场分布情况，证明了IBE-HESG在成功实现了无刷化励磁的同时保持了原电机磁场可调的优点。此外，与有刷励磁型HESG磁场的对比分

6、析结果表明：励磁部分磁场对主发电机部分磁场的分布影响十分有限。2.针对IBE-HESG主发电机部分和励磁部分的磁场相互耦合的问题，通过叠加法和冻结磁导率法对两部分磁场进行解耦，研究了主发电机部分磁场和励磁部分磁场彼此的影响程度，分析了IBE-HESG的转子极身、转子齿、定子轭、定子齿以及气隙的磁场分布。在叠加法中，IBE-HESG的主发电机部分和励磁部分被分别看做励磁机无刷励磁方式中的主发电机和励磁机。其结果与考虑了铁心相对磁导率受到耦合影响而变化的冻结磁导率法的结果相比较，以分析两部分磁场耦合对IB

7、E-HESG磁场分布的影响。通过有限元仿真可以看出，励磁部分磁场与主发电机部分磁场彼此之间影响很小，励磁部分的磁场也不会造成永磁体的退磁。3.电机励磁特性决定了IBE-HESG的调节输出功率的能力。在设计励磁特性时，不但要考虑到提高励磁效率，还需考虑到控制励磁特性的灵敏性和线性度以便于调压控制。本文对影响IBE-HESG的励磁特性的参数进行了研究，分析了旋转整流器的工作特点；绘制励磁部分等值电路和向量图，并对IBE-HESG的励磁特性进行了优化；通过有限元仿真和实验得到了较优的设计方案。4.为了研究I

8、BE-HESG的工作特性，本文分别通过AnsysMaxwell有限元仿真和样机测试，得到IBE-HESG和有刷励磁型HESG在空载以及带载情况下的工作特性。对输出电压、调压特I集成式无刷励磁交流同步发电机的研究性，励磁特性、效率、损耗进行了全面的分析，证明了集成式无刷励磁法在实现无刷励磁的同时，还保留了原有刷励磁型电机的工作特性。IBE-HESG的调压范围宽，励磁特性线性度好，电压调整率小，效率较高。IBE-HESG总体运行性能较优，具有很好的运用前景。