竖井式重力储能发电效率及功率稳定策略研究

竖井式重力储能作为近些年来涌现的新储能技术,具有选址灵活、对环境无污染等特点,但对其系统内部的研究仍然很匮乏,系统效率和功率两个重要技术指标的研究不完善。为此,本工作针对竖井式重力储能系统进行了物理建模,提出了效率模型和功率模型。对效率模型,提出了损耗来源,通过仿真研究发现了效率随重物质量、最大速度、加速度等参数的变化规律。研究表明,最大速度、加速度及竖井高度对系统效率的影响十分显著,重物质量对系统效率影响很小。减小最大速度和竖井高度可以很有效地增加系统效率。对功率模型,提出了多通道功率叠加的方法,来实现功率的补偿从而达到平稳输出功率的目的。采用错时间启动的方式来实现功率叠加,并仿真了在控制策略下的功率输出结果,从功率波动率和功率损失率两个方面研究了不同通道数的性能并进行对比。结果表明增加通道数可以有效地减小功率波动率,通道数达到8时功率波动率仅为2.5%。功率损失率随着通道数的增加而减小,在通道数大于4时几乎不变,增加通道数可以有效地提高系统对外输出功率性能。

永磁电机电磁振动及变开关频率振动抑制技术试验探究

针对变频器驱动的永磁电机电磁振动特点,采用时域、频域均方根值及1/3倍频程值评价了周期和随机开关频率脉宽调制方案对永磁电机高频电磁振动性能的影响。首先理论分析变频器供电下的电机电磁场和电磁力特性,然后介绍常用的周期开关频率和随机开关频率高频电磁振动抑制原理,最后在一台永磁电机上对两种抑制技术进行全方位的评价和试验验证,结果表明,采用变频器供电时,电机电磁振动会引入显著的开关频率及其倍数附近谐波分量,采用周期和随机开关频率的方案虽然能够降低开关频率电磁振动的幅值,但会增加其他振动频谱分量。相比于传统的固定开关频率方式,无论从整个时域上的均方根值,还是频域上的均方根值和1/3倍频程值,两种技术方案下电机电磁振动均会增加,抑制效果有限。

复合笼条转子感应电动机温度场计算及相关性分析

建立电机定子绕组等效热模型,通过对电机定转子之间气隙热传递关系的确定,给出了定转子之间的热交换问题的解决方法。以此为基础,建立复合笼条转子感应电动机(induction motor with compound cage rotor,IMCCR)电磁场和全域温度场二维有限元模型,通过电磁场与温度场的单向弱耦合,计算电机额定负载和不同负载时电机定转子全域稳态温度场,分析定子绕组温度及转子槽的温度,通过与实验结果的对比,验证了该电机温度场计算模型的合理性以及计算结果的正确性。研究转子槽中使用不同电阻率和磁导率材料时的电机温度场,分析不同材料特性对电机温度场分布的影响,对指导电机的优化设计具有重要意义。

复合笼条转子感应电动机不同转子材料特性对起动性能的影响

利用电磁场理论和变分法建立了复合笼条转子感应电动机起动时二维电磁场的数学模型,给出了利用有限元法求解正弦时变场的方法。在计算过程中,以定子端电压为约束条件,对定子起动电流进行了迭代计算,得到了额定电压下的起动电流和起动转矩。以此为基础,改变转子槽形,计算转子不同材料时不同转子结构电机的起动性能。通过方案比较,选取合理的转子槽形和材料,进行样机的加工和试验,把计算结果与实测结果进行对比,表明复合笼条转子感应电动机起动性能的计算结果满足工程实际的需要。同时,将计算结果与普通感应电动机起动性能进行比较,证明复合笼条转子感应电动机具有良好的起动性能。

高性能低谐波绕组感应电动机电磁性能的数值分析

针对普通感应电动机采用低谐波绕组后电磁场分析难度将会提高的问题,利用数值计算的方法,给出了适合低谐波绕组电机电磁性能的数值求解方法。以一台普通感应电动机为例,利用低谐波绕组理论,对定子绕组的线规和形式进行调整,设计具有高起动转矩的低谐波电机。通过对低谐波电机电磁性能的数值计算结果与实验结果的比较,验证了所推导的方法的准确性,提高了所设计的低谐波电机的起动性能。将低谐波电机与普通同型式的感应电动机的气隙磁场和转子齿部磁场进行比较,分析两种电机中磁密谐波成分的含量,结果表明低谐波绕组电机的各次谐波磁密大大降低。

不同通风结构下高铁异步牵引电机温度场分析

为研究通风结构对高速列车异步牵引电机散热性能的影响,依据流体动力学和传热学的理论知识,建立600 kW高速列车异步牵引电机的三维流固耦合仿真模型,并采用有限体积法对该电机流体场和温度场进行数值计算与分析。通过实验验证了原始模型仿真结果的正确性后,修改定子通风孔孔径,并分析通风孔内风速对电机温升的影响规律,证实了缩小孔径有助于提高冷却效果。在保证定子通风孔体积不变的情况下,增加通风孔个数至定子槽数,即通风孔正对电机定子槽,该结构提高了通风孔壁面传热系数,有效降低了定子铁心、绕组和绝缘温升。在此基础上,进一步缩小出风口侧孔径,提出分段变截面的定子通风孔结构,孔内风速和风压发生阶跃式升高,电机各部分最高温度显著下降。

不同磁极拓扑结构的轴向磁通永磁同步电机传热的研究

针对轴向磁通永磁电机转子散热困难,使得永磁体容易温度过高的问题,研究考虑实际变频器供电,永磁体分段后的电密和涡流损耗。永磁体的分段方式分别为径向等长度、径向等体积和周向等体积分段。结合降低涡流损耗的效果和经济性综合分析,优选出永磁体最优的分段数。在优选分段数的基础上,考虑了永磁体之间粘接胶的影响,研究三种分段方式对电机温度场的影响,并与永磁体未分段的电机温度进行对比。最后制作了样机,进行效率和温升实验,验证了仿真计算的准确性。研究永磁体的分段,为进一步提高轴向磁通永磁电机的效率和功率密度,对电机设计初期选用更高的热负荷提供了参考依据。

转子槽形及材料对复合笼条转子感应电动机运行性能的影响

针对实心转子感应电动机运行性能相对较差这一问题,提出了在转子槽上下层采用两种不同材料的复合笼条转子感应电动机设计方法,其中上层采用导电导磁的合金材料。基于二维正弦时变场计算电机的运行性能,通过改变转子笼条形状和材料的特性,研究使用导电导磁材料和导电不导磁材料对转子槽和齿部磁场的分布及电机性能的影响,并对不同负载运行情况进行了计算。根据计算结果与实测结果的对比分析后表明,转子槽形及材料特性对电机磁场分布和运行性能有一定的影响,为电机优化设计提供参考依据。

导磁导电复合笼条转子感应电动机性能计算

为了研究既导磁又导电的复合材料作为高功率电机的转子材料时对其性能的影响,对37k W感应电动机进行了复合材料和普通铸铝材料的对比分析。采用二维电磁场有限元计算方法,建立了37k W感应电动机的数学模型和物理模型进行分析。在考虑工艺可行性的情况下,优化设计了三种适合复合笼条嵌入的转子槽型,分析复合材料放置位置对电机起动性能和运行性能的影响。同时,改变转子槽内合金材料的宽度,分析复合材料放置面积对电机起动和运行性能的影响,并与采用相同机座号的普通铸铝材料的感应电动机进行性能比较,证明了复合笼条转子应用于37k W感应电动机具有优越的起动性能和良好的运行性能,为新型感应电机设计和电工材料的选取提供一定的可行参考。

变频电动机正弦时变场的有限元分析

建立了变频电动机的数学模型,介绍了利用有限元法求解变频电动机内正弦时变场的方法.通过有限元法分析原始气隙下变频电动机优化前后的工作性能,与实验结果进行了对比,证明了有限元法分析电机正弦时变场的可靠性.分析不同气隙高度对电机性能的影响,得出与工厂实际相符合的结论.额定电压下的起动电流和起动转矩的计算结果与实测结果的对比表明,变频电动机优化后具有良好的起动性能.

电机轴电流问题中轴承等效电容和电阻的计算模型

在PWM逆变器供电交流电动机运行中,轴电流问题影响着系统安全。预测轴电压和轴电流需要确定轴承的等效电容和电阻。该文通过分析轴承受到应力作用发生的弹性形变推导了轴承滚球与滚道之间的赫兹接触面积与油膜厚度的计算公式,继而得出轴承电容的计算公式。通过该模型分析了轴承电容与电机轴承温度、电机转速和轴承受力之间的关系。推导了轴承等效击穿电阻的计算公式,指出该等效电阻会随着油膜击穿点数的增大而减小。对一台变频供电2.2 kW感应电机进行轴电压和共模电压测量,结果表明所提出的计算模型是合理的。

屏蔽电机屏蔽损耗与电机性能的计算与分析

根据电磁感应定律得到计算定子屏蔽套损耗二维涡流场有限元表达式,建立了工程涡流场的数学模型,采用有限元方法并结合端电压收敛条件对定子屏蔽套内的涡流损耗进行计算分析.通过与传统解析算法所得结果及有关实验数据进行比较,验证了有限元方法在计算损耗中的准确性.利用所得方法,对采用不同尺寸和不同材料时的屏蔽套损耗进行了计算分析,从而得出损耗随屏蔽套尺寸与材料特性变化的规律.同时,计算了定子屏蔽套尺寸改变时电机性能变化,研究涡流损耗对电机性能的影响,找出其间规律.所得计算方法和规律可对屏蔽电机的设计与制造以及整机的优化设计起到作用.

基于PWM逆变器供电轴电流问题的交流电机耦合电容的计算与测量

PWM变频供电驱动系统中在交流电机定、转子寄生电容耦合作用下轴上感应电压,继而产生轴电流,可使轴承失效。电机内部耦合电容参数的准确计算和测量对预测轴电压和轴电流有重要作用。本文根据电机几何尺寸,给出了耦合电容的解析计算公式,分析了电机容量对耦合电容和轴电压分压比的影响。采用有限元法对异步电机进行多导体系统耦合电容分析计算,提出了定子绕组电磁散线建模方法,大大减小了定子绕组和定子机壳之间电容Cwf的计算误差;三维有限元计算结果表明绕组端部对定子绕组与转子之间电容Cwr有较大影响。最后介绍了一种适用于中小容量电机的耦合电容测量方法。

轴–径向磁通全超导同步电动机的磁场分析

为了简化传统超导电机的低温冷却系统,提出一种新型轴–径向磁通全超导同步电动机,分析该电机的结构特点和工作原理。利用三维有限元法计算了电机的空载磁场分布,对不同轴向超导励磁绕组下的磁场以及轴向磁路对径向磁路的影响进行分析,分析结果通过空载反电动势实验得到了验证。在样机结构基础上,提出一种新型转子结构方案,分析了2种转子结构下的气隙磁场,并对气隙磁密的谐波含量进行了比较,得出一些有益的结论,为该新型大容量电动机的优化设计和性能分析提供参考。

定子结构型式对高速永磁发电机电磁性能影响

为了研究定子结构型式对高速永磁发电机电磁性能影响,根据一台100 kW级高速永磁发电机的结构特点,建立高速永磁发电机的二维电磁分析数学模型和物理模型。采用时步有限元法对电机稳态工作时的电磁场进行计算分析,确定电机输出功率、端电压、涡流损耗和铁耗等运行数据,并与部分实测数据进行对比。通过分析采用传统绕组结构和背绕式绕组结构时的电机磁场分布和性能变化,研究了背绕式绕组引起空载反电动势的变化及轭背部绕组产生附加漏磁场对铁心磁密分布的影响,对比分析了定子铁心开槽与否对电机主磁路漏磁通影响及引起各种损耗分布变化趋势。计算结果表明,背绕式绕组结构增加了绕组感应电动势,并使定子轭部负载磁密略微降低,而无槽结构定子铁心增加了电机铜耗,减少了转子涡流损耗。

基于电磁场数值计算的变频供电感应电机耦合电容与轴电压的分析

PWM变频供电驱动电机系统共模电压在电机耦合电容作用下会在轴承上产生轴电压和轴电流,影响电机的安全运行。对电机耦合电容的准确计算有助于合理预测轴电压的大小。本文在分析驱动系统共模模型基础上,建立了电机耦合电容计算的有限元分析模型,求得电容参数。比较了二维和三维有限元下电容计算结果,指出绕组端部对定子绕组与转子间耦合电容Cwr有较大的影响,计及端部时得到的电容Cwr更接近实测结果。采用定子绕组电磁散线计算模型可以大大提高定子绕组与铁心间电容Cwf计算精度。在不同电机端部结构参数下进行分析计算,发现定子绕组端部伸直部分长度和鼠笼端环的轴向长度是影响电容Cwr的两个主要参数。对变频供电下的感应电动机进行三维瞬态电场有限元分析,表明轴电压为共模电压的镜像,证明了电容分析模型是有效的。

复合笼型转子感应电动机起动性能的数值计算

给出复合笼型转子感应电动机起动时的求解域、边界条件和假设条件。利用电磁场理论和变分法建立了复合笼型转子感应电动机起动时二维电磁场的数学模型,给出了正弦时变场单元分析过程和离散格式以及最终的总体合成方程。在电磁场的数值计算过程中,以定子端电压为约束条件,对定子起动电流进行迭代计算,得到了额定电压下的起动电流和起动转矩,最后把正弦电磁场计算结果与实测结果进行对比,表明复合笼型转子感应电动机起动性能的计算结果满足工程实际的需要。同时,将计算结果与普通感应电动机进行比较,表明了复合笼型转子感应电动机具有良好的起动性能。通过改变复合材料的磁导率和电阻率的大小,进一步研究了复合材料磁性能和电性能的变化对起动性能的影响,对于合理选取复合性材料铜铁合金配方有一定的意义。根据复合笼型转子感应电动机一对极下的非线性时变场的求解结果,计算了10个槽的漏感,计算结果表明,起动时各槽参数并不相同。

表贴式永磁同步轮毂电机低速位置检测研究

车用永磁电机转子位置的准确获取,对于电机运行的控制精度和车辆运行的安全、舒适性具有重要的作用,针对电机启动、低速运行阶段转子位置检测的精确度还不够理想的问题,提出一种新的永磁同步电机启动到低速阶段转子位置检测方法,给出基于磁场相等原理的d-q旋转参考坐标系下直轴和交轴电感与定子三相电感之间的关系,通过测量定子三相电感,计算相应的恒定分量和二次谐波分量,得到相应的d-q轴下的电感值用于矢量控制。搭建轮毂电机的实验测试平台,给出从启动到低速位置的检测输出结果和角度误差值,对静止状态下、负载情况下的角度误差进行对比分析,实验结果验证了所提方法的准确性,对于指导该类型电机低速下位置检测方法提供了一定的理论支撑。

基于RSGWPT-LCD的轴承信号故障特征提取及模式识别

为了有效提取滚动轴承振动信号的故障特征和提高分类识别精度,提出了一种基于冗余二代小波包变换-局部特征尺度分解(redundant second generation wavelet packet transform-local characteristic scale decomposition,简称RSGWPT-LCD)和极限学习机(extreme learning machine,简称ELM)相结合的故障特征提取和分类识别方法。首先,利用希尔伯特变换对原始振动信号进行处理,得到包络信号;其次,基于双层筛选机制,结合冗余二代小波包变换(redundant second generation wavelet packet transform,简称RSGWPT)和局部特征尺度分解(local characteristic-scale decomposition,简称LCD)方法对包络信号进行分解,筛选出包含主要信息的内禀尺度分量(intrinsic scale components,简称ISCs);然后,对提取的各ISCs分量构建初始特征矩阵并进行奇异值分解(singular value decomposition,简称SVD),将得到的奇异值作为表征各损伤信号的特征向量;最后,以提取的特征向量为输入样本,建立ELM模式分类器对滚动轴承损伤信号进行识别。信号仿真和实测数据表明,该方法可有效提取振动信号故障特征,提高分类识别精度,实现滚动轴承故障诊断。

变频驱动系统电机接地状况对轴电压影响的研究

PWM变频驱动使电机获得良好的调速和运行性能,日益得到广泛应用。但由于变频器输出存在共模电压,导致产生轴电压及轴电流,引起轴承早期失效。轴电压是衡量轴电流危害的一个指标。电机机壳接地阻抗与驱动侧负载接地阻抗的大小会影响轴电压、轴电流的波形与幅值。该文围绕电机及负载的接地状况对PWM变频系统轴电压的影响展开研究。建立了考虑定转子接地阻抗的共模等效电路,利用惠斯通桥电路模型,分析和预测轴电压与接地阻抗的关系,结果表明随定子接地阻抗或转轴接地阻抗增大,轴电压呈V字型变化。设计并进行了实验,测量不同接地阻抗下的轴电压,结果与理论分析一致。表明可通过适当调整驱动侧设备接地阻抗,实现降低轴电压的目的。