五相定子雙繞組異步發(fā)電機(jī)及其參數(shù)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公開了五相定子雙繞組異步發(fā)電機(jī)及其參數(shù)優(yōu)化方法，屬于定子雙繞組異 步發(fā)電機(jī)的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 多電/全電飛機(jī)與傳統(tǒng)飛機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、可靠性高和可維護(hù)性好 等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了飛速發(fā)展。飛機(jī)電源系統(tǒng)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，從低壓直流電源系 統(tǒng)、恒速恒頻交流電源系統(tǒng)、變速恒頻交流電源系統(tǒng)，演變到如今的高壓直流電源系統(tǒng)和變 頻交流電源系統(tǒng)，逐步實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)電源系統(tǒng)的大容量、高性能、高功率密度、高效率、高可靠 性等要求?？v觀國內(nèi)外飛機(jī)電源系統(tǒng)的發(fā)展、研究及應(yīng)用情況，高壓直流電源系統(tǒng)和變頻交 流電源系統(tǒng)是飛機(jī)電源的發(fā)展趨勢。
[0003] 1997年美國NASALewis研究中屯、的專家們根據(jù)他們多年研究成果指出對于未來飛 機(jī)電源系統(tǒng)，籠型異步電機(jī)有可能作為航空發(fā)電機(jī)，值得全面深入研究。關(guān)于航空用異步電 機(jī)高壓直流發(fā)電系統(tǒng)，我國也較早地開展了相關(guān)研究工作。從1998年開始，南京航空航天大 學(xué)就一直對270VS相籠型異步高壓直流發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究，并研制出了 ISkW樣機(jī)。運(yùn)進(jìn)一 步表明籠型異步電機(jī)應(yīng)用于飛機(jī)高壓直流發(fā)電系統(tǒng)是可行的。而多相異步電機(jī)因其具有適 合大功率應(yīng)用、控制靈活、轉(zhuǎn)矩脈動小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，目前已在軍用、民用多種場合得到 了應(yīng)用。特別是，與非正弦供電技術(shù)相結(jié)合，還可W降低磁密峰值使氣隙磁密波形為準(zhǔn)方 波，從而充分利用電機(jī)鐵忍，達(dá)到提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度和功率密度的目的。定子雙繞組異步電 機(jī)發(fā)電系統(tǒng)是近幾年來出現(xiàn)的一種新型異步電機(jī)。從1999年美國田納西理工大學(xué)的Ojo 0. 教授首次提出定子雙繞組異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，國內(nèi)外的學(xué)者紛紛開展了對定子雙繞組異步 電機(jī)的研究。
[0004] 航空用高壓直流發(fā)電系統(tǒng)對電源的體積、重量有嚴(yán)格的要求，因此，電源系統(tǒng)不僅 需具有大容量、高性能、高可靠性的特點(diǎn)，還需要做到體積小、重量輕、功率密度高。運(yùn)就要 求在對整個高壓直流發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，做到系統(tǒng)體積重量最小化。目前關(guān)于定子雙繞 組異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計研究都是僅針對=相定子雙繞組異步發(fā)電系統(tǒng)開展的，沒 有設(shè)及到對發(fā)電機(jī)本體的體積、重量優(yōu)化，也沒有研究采用多相定子雙繞組結(jié)構(gòu)及諧波注 入的非正弦供電技術(shù)來對發(fā)電機(jī)的體積、重量進(jìn)行優(yōu)化。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明所針對上述【背景技術(shù)】的不足，為了解決尚無多相定子雙繞組異步發(fā)電機(jī)結(jié) 構(gòu)W及采用諧波注入的非正弦供電技術(shù)對電機(jī)參數(shù)優(yōu)化的技術(shù)問題，提供了五相定子雙繞 組異步發(fā)電機(jī)及其參數(shù)優(yōu)化方法，在非正弦供電條件下迭代優(yōu)化使得發(fā)電機(jī)體積和質(zhì)量最 小的電機(jī)參數(shù)。
[0006] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：
[0007] 五相定子雙繞組異步發(fā)電機(jī)，包括籠型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子，定子雙繞組為一套星形整距集 中結(jié)構(gòu)的五相功率繞組和一套星形整距集中結(jié)構(gòu)的五相控制繞組，所述功率繞組和控制繞 組均為單層繞組且具有相同的極對數(shù)，緊禪合的功率繞組和控制繞組分上下兩層同槽安放 在定子槽中，定子內(nèi)徑、定子外徑、鐵忍長度、氣隙、轉(zhuǎn)子外徑、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑的取值在非正弦供 電時滿足發(fā)電機(jī)體積和質(zhì)量最小的要求。
[0008] 五相定子雙繞組異步發(fā)電機(jī)的參數(shù)優(yōu)化方法，對于所述五相定子雙繞組異步發(fā)電 機(jī)，W非正弦供電時發(fā)電機(jī)體積V和質(zhì)量M最小為目標(biāo)，對定子內(nèi)徑、定子外徑、鐵忍長度、氣 隙、轉(zhuǎn)子外徑、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑的取值進(jìn)行迭代優(yōu)化，具體包括如下步驟：
[0009] A、初始化發(fā)電機(jī)體積V、定子槽數(shù)幻、轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z2、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑化2,選定定轉(zhuǎn)子槽型； [00 10] B、計算定子內(nèi)經(jīng)Dll、定子外徑Di、鐵忍長度lef、氣隙5、轉(zhuǎn)子外徑保持轉(zhuǎn)子內(nèi)徑 化2不變并在保證槽滿率的前提下調(diào)整定轉(zhuǎn)子槽型，開始第k次迭代優(yōu)化，k為正整數(shù)；
[0011] C、在發(fā)電機(jī)控制繞組側(cè)注入五相基波電壓和五相=次諧波電壓，調(diào)節(jié)五相基波電 壓的幅值和初始相位W及五相=次諧波電壓的幅值和初始相位，使得基波氣隙磁場與=次 諧波磁場的合成磁場波形為"準(zhǔn)方波"且合成磁場幅值滿足氣隙磁密度幅值給定的約束；
[0012] D、由第k次迭代中的氣隙磁密幅值計算第k次迭代的發(fā)電機(jī)齒部磁密Btk和輛部磁 密 Bck;
[0013] E、在步驟D所述第k次迭代的齒部磁密Bt和輛部磁密Bc滿足過飽和臨界給定值約束 時確定發(fā)電機(jī)體積和質(zhì)量，進(jìn)入步驟F，
[0014] 否則，k取值加1，返回步驟B;
[0015] F、當(dāng)前后兩次迭代優(yōu)化的體積和質(zhì)量滿足優(yōu)化目標(biāo)時，結(jié)束迭代優(yōu)化過程，第k次 迭代優(yōu)化計算的定子內(nèi)徑、定子外徑、鐵忍長度、氣隙、轉(zhuǎn)子外徑、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑即為最優(yōu)解，
[0016] 當(dāng)前后兩次迭代優(yōu)化的體積和質(zhì)量未滿足優(yōu)化目標(biāo)時，k取值加1，返回步驟B繼續(xù) 迭代直至得到滿足優(yōu)化目標(biāo)的定子內(nèi)徑、定子外徑、鐵忍長度、氣隙、轉(zhuǎn)子外徑、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑。
[0017] 作為所述五相定子雙繞組異步發(fā)電機(jī)的參數(shù)優(yōu)化方法的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟A 按如下表達(dá)式初始化發(fā)電機(jī)體積V、定子槽數(shù)Zi、轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z2:
[0019] 且轉(zhuǎn)子內(nèi)徑化2根據(jù)轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度和剛度確定，
[0020] 其中，Ca為發(fā)電機(jī)常數(shù)，P為發(fā)電機(jī)功率，n為轉(zhuǎn)速，m為相數(shù)，P為極對數(shù)，O為2至10 之間的整數(shù)。
[0021] 進(jìn)一步的，所述五相定子雙繞組異步發(fā)電機(jī)的參數(shù)優(yōu)化方法中，步驟B按照如下表 達(dá)式計算定子內(nèi)經(jīng)化1、定子外徑Dl、鐵忍長度lef、氣隙8、轉(zhuǎn)子外徑化：
[0023] 其中，A為發(fā)電機(jī)主要尺寸比，氣隙S的單位為米。
[0024] 作為所述五相定子雙繞組異步發(fā)電機(jī)的參數(shù)優(yōu)化方法的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟C 中所述使得基波氣隙磁場與=次諧波磁場的合成磁場波形為"準(zhǔn)方波"且合成磁場幅值滿 足氣隙磁密度幅值給定的約束，具體為：
[0025] 白3 = 3白i，Bsisin(白i)+Bs3sin(白3) < Bs*,
[0026] 其中，Bsi和01分別為基波氣隙磁場的幅值和相位，Bs3和03分別為S次諧波磁場的 幅值和相位，氣隙磁密度幅值給定。
[0027]再進(jìn)一步的，所述五相定子雙繞組異步發(fā)電機(jī)的參數(shù)優(yōu)化方法中，步驟D按照如下 表達(dá)式計算第k次迭代的發(fā)電機(jī)齒部磁密Btk和輛部磁密Bck:
[0029] 其中，Bsk為第k次迭代中的氣隙磁密幅值，bt為定子齒寬，T為極距，h。為輛部高度。
[0030] 更進(jìn)一步的，所述五相定子雙繞組異步發(fā)電機(jī)的參數(shù)優(yōu)化方法中，步驟E按照如下 表達(dá)式確定發(fā)電機(jī)體積和質(zhì)量：
[0032] 其中，P為鐵磁材料密度，分別為定子槽面積和轉(zhuǎn)子槽面積。
[0033] 作為述五相定子雙繞組異步發(fā)電機(jī)的參數(shù)優(yōu)化方法的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟F中 所述優(yōu)化目標(biāo)為：I Vk-Vk+l I < Ei，I Mk-Mk+l I < E2，
[0034] 其中，Vk+i、Vk分別為第k+1次、第k次迭代計算的發(fā)電機(jī)體積，Mk+i、Mk分別為第k+1 次、第k次迭代計算的發(fā)電機(jī)質(zhì)量，El為體積之差的闊值，為質(zhì)量之差的闊值。
[0035] 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有W下有益效果：
[0036] (1)提出了一種五相定子雙繞組異步電機(jī)，定子雙繞組為一套星形整距集中結(jié)構(gòu) 的五相功率繞組和一套星形整距集中結(jié)構(gòu)的五相控制繞組，功率繞組和控制繞組均為單層 繞組且具有相同的極對數(shù)，緊禪合的功率繞組和控制繞組分上下兩層同槽安放在定子槽 中，該發(fā)電機(jī)相比于=相定子雙繞組異步發(fā)電機(jī)，具有更高的功率密度和可靠性，并且有一 定的容錯能力，更適用于對功率密度和可靠性有更高要求的電動汽車、船舶推進(jìn)和飛機(jī)等 電源系統(tǒng)中；
[0037] (2)采用諧波注入的非正弦供電技術(shù)，W電機(jī)體積和質(zhì)量最小為目標(biāo)，對電機(jī)參數(shù) 進(jìn)行迭代優(yōu)化，改善了電機(jī)氣隙磁密的波形使其為準(zhǔn)方波，充分利用了鐵忍，改善電機(jī)的飽 和，并且提高了電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。
[0038] 本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，運(yùn)些將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說明】
[0039] 圖1為五相定子雙繞組異步發(fā)電機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0040] 圖2為額定功率化W、額定轉(zhuǎn)速1500rpm、極對數(shù)為2的五相定子雙繞組異步發(fā)電機(jī) 定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041 ]圖3(a)、圖3(b)為額定功率5kw、額定轉(zhuǎn)速1500rpm、極對數(shù)為2的五相定子雙繞組 異步發(fā)電機(jī)的繞組排布圖。
[0042] 圖4為正弦供電與=次諧波注入的非正弦供電氣隙磁密波形對比圖。
[0043] 圖5為五相定子雙繞組異步發(fā)電機(jī)近似穩(wěn)態(tài)等效電路圖。
[0044] 圖6為非正弦供電的五相定子雙繞組異步發(fā)電機(jī)的優(yōu)化迭代算法圖。
[0045] 圖中標(biāo)號說明：L為濾波電感，C為勵磁電容，D為二極管，CcDcXpDC分別為控制側(cè)直 流母線電容和功率側(cè)直流母線電容，V。、Vp分別為控制繞組和功率繞組相電流，I。、Ip分別為 控制繞組和功率繞組相電流，Er為反電動勢，Ir為轉(zhuǎn)子電流，。、町分別為控制繞組和功率繞 組的等效電阻，Xlc、Xlp分別為控制繞組和功率繞組的漏抗，Xm為激磁電抗，rr'/s為轉(zhuǎn)子等效 電阻。
【具體實(shí)施方式】
[0046] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性 的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0047] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員可W理解，除非另外定義，運(yùn)里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語 和科學(xué)術(shù)語)具有本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該 理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意 義一致的意義，并且除非像運(yùn)里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[004引圖1為此發(fā)電機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)。該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)，簡單堅(jiān)固。定子有兩套極 對數(shù)相同且均采用星形整距集中繞組結(jié)構(gòu)的五相繞組，一套為功率繞組，另一套為控制繞 組，兩套繞組均為單層繞組且都采用星形連接，功率繞組和控制繞組緊禪合，功率繞組和控 制繞組分上下兩層同槽安放在定子槽中。功率繞組經(jīng)勵磁電容C與五相不控整流橋的交流 側(cè)連接，五相不控整流橋的直流側(cè)接有功率側(cè)直流母線電容CpDC，控制繞組經(jīng)濾波電感L與 功率變換器的交流側(cè)連接，啟動電源經(jīng)二極管D向功率變換器供電，功率變換器的直流側(cè)接 有控制側(cè)直流母線電容CcDC。運(yùn)兩套繞組在電氣上沒有直接連接，僅通過磁場禪合，功能分 開，應(yīng)比及容量設(shè)計靈活，電磁兼容性好，易于實(shí)現(xiàn)高性能的控制和高品質(zhì)電能的輸出。發(fā) 電運(yùn)行時，從功率繞組側(cè)整流輸出高壓直流電，功率變換器通過控制繞組調(diào)節(jié)電機(jī)勵磁來 保證輸出電壓穩(wěn)定。為清晰起見，圖2、圖