全周期无轴承开关磁阻发电机的设计

分析全周期发电模式下无轴承开关磁阻发电机(bearingless switched reluctance generator,BSRG)的悬浮机理和发电原理,利用等效磁路法推导全周期BSRG的一相磁场储能表达式。考虑到全周期BSRG的控制方式和主、悬浮绕组的电流波形,将两套绕组电流等效为方波;再根据机电能量转换原理,积分得到了利用方波电流峰值表示的平均转矩和平均悬浮力表达式。结合输出功率与平均转矩的关系,推导出了全周期BSRG的主体尺寸计算公式。利用平均悬浮力设计样机最大径向负载要求,并通过绕组峰值电流与气隙磁密的关系计算绕组的匝数。最后,基于所提方法设计了一台实验样机,并通过有限元仿真验证了所提方法的正确性。

三相串联励磁式无轴承开关磁阻发电机原理与实现

为减少无轴承开关磁阻发电机(BSRG)所需功率器件数目,提出了一种将相邻三相定子齿极上的励磁绕组串联的新型发电励磁方式。在详细阐述其工作原理的基础上,从两套绕组的电压方程出发,建立其电流模型,进而结合磁链-电流曲线分析不同发电模态下的机电能量转换过程。根据悬浮力数学模型,提出相应控制策略以实现电机稳定悬浮发电运行,实验结果证实了所提方案的有效性。

串励式无轴承开关磁阻发电机的悬浮力特性研究

串励式无轴承开关磁阻发电机(BSRG)的稳定悬浮发电取决于对各绕组电流的合理控制,而在其运行状态和负载情况相同时,电流又取决于绕组电感和悬浮力,因此二者的准确计算是设计和控制该电机的关键。建立了串励式BSRG的二维有限元模型,计算了悬浮绕组电感。结合实际控制策略,在不同磁动势组合下,研究了串励式BSRG的悬浮力特性。

一种新型无轴承开关磁阻发电机的设计

分析了一种转子由6个凸极和一个圆盘轴向叠加而成的12/6极混合转子结构无轴承开关磁阻发电机的发电原理与悬浮机理。利用等效磁路法,并将绕组电流等效为方波,结合平均转矩与输出功率的关系,推导出了无轴承开关磁阻发电机的主体尺寸计算公式。在不考虑转子偏心情况下,推导了电机悬浮力的表达式。根据设计样机的径向负载要求,在留有一定径向力裕量的基础上计算得出转子圆盘尺寸,并通过绕组峰值电流与气隙磁密的关系计算绕组的匝数。最后,基于所提方法,在Ansoft中建立12/6极混合转子结构BSRG实验样机的模型,验证了所提设计方法的正确性。

面向波浪发电优化控制的开关磁阻发电机四象限推力分配策略

直线开关磁阻发电机(LSRG)由于其成本低、可靠性高,十分适合直驱式波浪发电的应用场合。为了提升波浪能的捕获效率,波浪发电装置需要采取优化控制策略来主动地改变浮体-波浪间的相互作用,此类策略要求电机在全部四个象限下具备推力指令跟踪的功能。然而,现有的波浪发电LSRG往往工作在固定开通-关断角的模式下,无法满足这一要求。为此,该文提出一种基于优化推力分配函数的LSRG控制方案,以使电机在四象限下以最小的推力波动实现推力指令跟踪。提出考虑直流电压受限这一约束条件的优化推力分配函数,并进一步讨论其在四象限下的实现方案。搭建LSRG-永磁同步电机对拖实验平台以模拟实际波浪发电工况,在恒定速度、阻尼控制和谐振控制的运行条件下,验证了所提出控制方案的有效性。

一种开关磁阻风力发电机新型功率变换系统及其最大功率点跟踪控制

本文提出一种含可变励磁电压且所用开关管数量最少的新型开关磁阻发电机(SRG)功率变换器,包括主电路与励磁电路,主电路所需主开关管数量等于SRG相绕组数,励磁电路仅需一只主开关管。励磁电压与发电电压解耦并可独立控制,励磁电路无隔离环节并与主电路共地。在分析该新型功率变换器工作原理的基础上,针对变速风力发电应用工况,提出基于该新型功率变换器的SRG最大功率点跟踪(MPPT)控制方法,给出励磁电压扰动控制策略。通过对一台750W的SRG样机系统进行仿真和实验,并与基于共上管功率变换器的SRG风电MPPT进行比较,结果表明本文所述新型SRG功率变换器的输出功率增加1.5%,验证了该新型功率变换器及其控制策略的有效性。

宽转子极无轴承开关磁阻电机径向力模型全周期拓展

针对单绕组宽转子极无轴承开关磁阻电机在定转子极非完全交叠区间的径向悬浮力模型空白、已有定转子极完全交叠区间径向悬浮力模型推导过程复杂且计算量大的不足,首先通过磁场有限元分析,分别确定了该电机在定转子非完全交叠区间和完全交叠区间的电磁场几何分布,计算了气隙磁密,再根据麦克斯韦应力法分别推导了这2个区间的径向力表达式,从而建立该电机在一个完整周期范围内的径向力数学模型,并通过与三维有限元计算结果的对比验证该模型的准确性。相比于利用等效磁路图推导径向力模型而言,该建模过程更简便,计算量也更小。全周期径向力模型的建立,不仅能为电机本体和控制器设计提供理论参考,还有助于提高该电机控制策略设计的灵活性,也可以提高与传统单绕组无轴承电机控制器的通用性。

宽转子无轴承开关磁阻电机的计及磁饱和径向力模型

针对无轴承开关磁阻电机现有的基于无磁饱和假设的数学模型只适用于未磁饱和工况的缺点,为宽转子单绕组无轴承开关磁阻电机建立了一种可以计及磁饱和影响的全周期径向力数学模型。首先依据该电机的磁场有限元分析结果,基于麦克斯韦应力法求出了径向力关于气隙磁密的表达式;然后对铁心材料的非线性磁化特性进行拟合,再根据该电机的等效磁路计算了计及磁饱和影响的气隙磁密;之后建立了该电机的径向力模型,并在对比分析了边缘气隙磁密和主气隙磁密对径向力的影响后,对所建径向力模型进行简化,以减小计算量和复杂度。最后利用三维有限元分析进行验证,结果表明所建径向力模型对该电机未磁饱和、部分磁饱和以及完全磁饱和工况均适用。计及磁饱和的全周期径向力模型的建立,可以为电机运行特性分析、本体优化设计以及控制策略研究提供更准确的理论参考。

无轴承开关磁阻全周期发电机输出功率的建模与优化控制

针对12/8极无轴承开关磁阻全周期发电机(FPBSRG),从两套绕组的电压方程出发,推导了发电电流的分段解析式,基于此建立了发电机在励磁区间的输出功率的数学模型,并分析不同励磁区域对输出功率的影响;基于不同的励磁条件,分析了励磁区间对发电机续流阶段输出功率的影响;提出了励磁区间的优化方法,以实现FPBSRG输出功率的优化控制。试验结果表明了理论分析的正确性。

开关磁阻发电机半自励功率变换器的设计分析与验证

开关磁阻发电机的输出功率和发电效率有待提高,而功率变换器作为开关磁阻发电系统中能量转换的通道,对整个发电系统的性能改善有着重要意义,可通过对功率变换器进行设计,达到提高开关磁阻发电机输出功率和发电效率的目的。因此首先提出从励磁电压与发电电压解耦角度出发,提高励磁电压并使发电电压低于励磁电压的半自励功率变换器及其控制策略;然后通过启动运行和稳态运行仿真验证了半自励功率变换器的可行性和预防过度充电能力,通过变速、变负载仿真发现随着转速和负载电阻的提高,半自励功率变换器励磁电压与发电电压也随之提高,能够有效提高开关磁阻发电机的输出功率及发电效率,尤其低速时输出功率及发电效率有明显提高,通过单相故障运行仿真,验证了半自励功率变换器具有较强容错能力;最后实验验证了理论分析和仿真的正确性,以及提出的半自励功率变换器及其控制策略的有效性。

开关磁阻风力发电机-齿轮传动系统集成设计与分析

为实现开关磁阻型风电机组轻量化的设计目标、提高设计效率,提出一种开关磁阻风力发电机-齿轮传动系统参数集成设计方法。该方法以开关磁阻风力发电机和齿轮传动系统结构参数为设计变量,以系统质量最小为优化目标。基于有限元法计算开关磁阻发电机磁链与转矩特性矩阵。在此基础上,建立开关磁阻发电机非线性动态仿真模型以计算开关磁阻发电机动态转矩,并应用模拟退火算法优化开关角,获得最大发电机转矩,最后采用下山单纯形优化方法迭代发电机-齿轮系统质量,获得满足设计要求前提下系统质量收敛时的设计变量值。该优化过程优化套优化,可最大程度降低系统质量。上述设计流程通过脚本实现自动化运行以提高设计效率,可实现开关磁阻发电机-齿轮系统轻量化参数集成设计。基于该方法,针对8 MW风电机组进行参数设计,并与现有的相同发电容量永磁型风电机组的质量和发电机转矩性能对比。结果表面:通过该方法设计开关磁阻风力发电机-齿轮传动系统可保证发电机具有良好的转矩性能,同时可有效降低系统质量,且可极大地提升设计效率。

开关磁阻发电机单脉冲模式综合性能优化研究

在基于开关磁阻发电机的起动/发电系统中,系统效率和电压品质是2个最关键的优化目标,它们都与开通角这一控制量相关,但其内在关系十分复杂,而现有文献缺乏对二者的系统性分析,导致难以对开关磁阻发电机的两方面性能进行协同优化。在满足稳压恒功率输出条件下,该文通过仿真和实验分析单脉冲模式下不同开通角对发电机效率与功率因数的影响。在开关磁阻发电机相电流线性模型的基础上,推导电压脉动解析表达式,据此分析不同开通角对电压品质的影响。在此基础上,提出多目标优化函数获取最优开通角,可兼顾系统效率和电压品质,提升发电综合性能。最后,通过实验验证仿真结论分析的正确性和所提多目标优化方法的有效性。

一种双定子型的磁悬浮开关磁阻双通道全周期发电机

针对传统磁悬浮开关磁阻发电机中发电绕组与径向力绕组以及径向力绕组之间存在非线性强耦合的问题,该文研究一种新型的双定子磁悬浮开关磁阻双通道全周期发电机。该电机采用内–外双定子结构,内定子悬浮极上设置悬浮力绕组,外定子发电极上设置激励和发电绕组。在结合电机结构说明悬浮和全周期发电原理的基础上,利用磁通分布以及绕组磁链的有限元计算结果分析了悬浮与发电绕组之间以及悬浮力绕组之间的耦合程度,建立了系统的数学模型和运行策略。该发电机的悬浮极和发电极均可双通道运行,二者具有独立磁路,且悬浮力不受转子位置角影响,可连续发电并提高供电可靠性。有限元及实验结果验证了所提方案的正确性和有效性。

宽转子无轴承开关磁阻电机的转子极形优化

为了解决宽转子无轴承开关磁阻电机由于开关型供电方式以及双凸极铁心结构在运行过程中容易导致转矩脉动很大的问题,本文对其转子极结构进行改进,提出在转子极两侧开槽的优化设计方案。旨在通过增大开槽处的气隙磁阻,提高用于产生转矩的切向分量的气隙磁密,从而降低转矩脉动。对所开槽进行参数化处理,使用控制变量法分析各开槽参数对转矩性能的影响,以性能指标最优为目标确定开槽参数。利用场路耦合的方法将电机有限元分析模型和直接瞬时转矩控制电路模型结合起来,实现电机系统的动态运行。仿真结果表明转子极开槽后能够有效降低宽转子无轴承开关磁阻电机的转矩脉动,提升平均转矩,并且对径向悬浮力的影响很小。

一种新型的磁悬浮开关磁阻发电机

为了减弱传统磁悬浮开关磁阻发电机内悬浮力绕组与发电绕组之间存在的强耦合问题,并改善悬浮力性能,提出了一种新型的磁悬浮开关磁阻发电机。结合电机结构说明了运行机理,并基于磁通分布以及绕组磁链的有限元计算结果推导了数学模型。该发电机的混合定子上依次设置悬浮极和发电极,可以减弱悬浮和发电子系统的耦合影响,实现二者的独立控制,并且悬浮极与转子齿的对齐面积等于转子齿宽,可以在发电机运转过程中产生恒定的悬浮力,增强径向负载能力,改善悬浮性能。有限元仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。

共悬浮绕组式无轴承开关磁阻电机两相导通解析模型建立及分析

针对共悬浮绕组式无轴承开关磁阻电机(Sharing Suspension Winding Bearingless Switched Reluctance Motor,SSW-BSRM)在某些位置悬浮力不足的问题,建立了适用于SSW-BSRM的两相导通解析模型.首先,基于SSW-BSRM两相导通的等效磁路图建立电感矩阵,在此基础上,推导得到径向悬浮力与电磁转矩的解析表达式.其次,通过与有限元计算结果对比验证了所推导模型的正确性和优良特性.最后,对两相导通模式进行优化,减小了两相导通模式下所产生的负转矩对电机运行的影响.研究结果表明:在两相导通模式下,SSW-BSRM具有良好的悬浮特性,优化后的两相导通模式能减小负转矩对电机运行的影响.

开关磁阻发电机

从描述开关磁阻电机的电磁特性、相电流波形解析、机电能量转换关系等方面 ,讲述了开关磁阻电机作为发电运行的机理 ;阐述了角度控制、斩波控制、脉宽调制控制和直接励磁电压控制等四种调控发电机输出的控制方案 ;文中最后给出了 6/4,6/6和 8/8三种结构开关磁阻发电机样机的特性试验结果。研究表明 ,开关磁阻发电机具有结构简单、能量密度高、过载能力强、容错性好、动静态性能好、效率高等特色 ,在许多场合有开发应用价值。

开关磁阻组合起动机/发电机设计及试验

开关磁阻发电机是一种与传统发电机有本质差异的新颖无刷直流发电机。针对磁阻电机、功率变换器和控制器彼此强耦合且气隙磁场剧烈往复变化、相绕组集励磁储能与续流发电双重功能等特征,提出了融电磁结构参数预估、相磁链空间数值分析及稳、动态性能仿真于一体的集成CAD方法,研制了4kW开关磁阻组合起动机/发电机并按照飞机供电标准进行稳态品质试验、突加突卸载及变速瞬态特性试验、组合起动/发电试验和容错发电试验。

开关磁阻发电机用于直接驱动、变速运行风力发电系统的评估

介绍了开关磁阻发电机(SRG)基本工作原理、控制规律以及逆变电路拓扑结构,并根据公开文献所提供的样机从力矩密度,效率曲线等性能指标,对开关磁组发电机用于直接驱动、变速运行的风力发电系统进行了评估。结果表明:SRG发电原理新颖、控制灵活、效率高(且高效区宽)、力矩密度高,因而在直接驱动、变速运行的风力电系统中,很有应用前景,值得对其进行进一步的探讨。

航空开关磁阻发电机双通道容错性能研究

12/8结构开关磁阻发电机(SRG)系统可以实现双通道工作,在一个通道故障时能够实现单通道容错工作模式,以提高电源系统的可靠性。但由于两个通道之间存在强耦合,当系统单通道容错运行时电机性能将受到影响。通过建立12/8结构双通道开关磁阻发电机系统的数学模型,仿真分析不同工作模式下绕组电感和不同通道间绕组互感对电机性能的影响。提出一种新的绕组连接方案,实现了两个通道之间的解耦,以提高系统单通道容错运行时的电机性能。最后实验验证了理论和仿真分析的正确性以及该方案的有效性。