采用单元模块组合式定子的新型低速大功率同步电机研究

低速大功率同步电机，庞大的体积给制造、运输、安装和维修带来诸多困难；三相三线的引出线方式，轻载时的冗余功率导致力能指标降低。本课题提出:（1）采用不等跨距线圈和反向嵌放绕组的方法，实现相邻定子单元绕组的电气解耦。（2）电机定子采用分瓣制作，不同定子单元实现机械解耦，使定子制造、运输、安装和维修模块化。（3）对各定子单元模块，根据系统的需要组成独立的支路，分别引出至控制核心，根据系统负载的需要控制投入运行的支路数，解决系统冗余功率控制问题。要解决的科学问题是：（1）这种新型结构给电机的分析和设计带来的理论问题；（2）不等距线圈导致端部磁场不对称，对电机性能的影响问题；（3）负载变化时，冗余功率的最优化控制问题。要解决的关键技术问题：（1）定子单元的结构设计问题；（2）不等距线圈的制造与嵌放以及绝缘的处理问题；（3）电机的安装、冷却、监控等工程问题。本研究对水电、风电和低速大功率直驱意义重大。

本项目提出了一种模块组合式定子低速大功率同步电机，并以模块组合式定子低速大功率永磁电机（MCSLSHP-PMM）为例进行了研究，主要研究成果体现在以下几个方面：.（1）研究了MCSLSHP-PMM的结构和原理。建立了其在所有单元模块电机投入运行与部分单元模块电机投入运行两种情况下的电压方程、电磁转矩方程；比较了单元模块电机之间绕组采用串联和并联两种供电方式的优缺点，为其电源及驱动系统的选取提供依据。.（2）研究了MCSLSHP-PMM的关键技术与设计方法。分析了定子模块拆分规则和不等跨距绕组中q的选取方法；提出了一种新型矩形状永磁体加导磁金属块表贴式磁极结构，采用遗传算法对导磁金属块外侧圆弧形状进行了优化研究，比较了常规磁极结构与新型磁极结构的涡流损耗；总结了其总体设计方法，并设计了一台样机，通过有限元软件对该样机进行了仿真分析。.（3）以MCSLSHP-PMM样机为研究对象，研究了不等跨距绕组对电机性能影响及绕组线圈端部受力。在分别计算其自感和互感参数的基础上，通过相量法重点分析了不等跨距绕组对电机性能的影响；建立MCSLSHP-PMM样机绕组端部有限元模型，把线圈端部作为一个整体，研究了构成不等跨距绕组各线圈端部受到的径向电磁力随时间的变化规律，采用基于磁固耦合联合仿真的方法对大跨距线圈端部的应力与应变分布进行了研究，研究结果为不等跨距绕组结构线圈端部的绑扎和固定提供了理论依据。.（4）研究了MCSLSHP-PMM力矩波动来源及削弱方法。采用许克变换理论分别分析了齿槽效应和边端效应，研究了齿槽力矩的生成机理以及削弱方法；重点研究了基于定子模块宽度优化、定子模块铁心沿轴向分段错位结构以及定子模块间边端力互抵三种边端力矩的削弱方法，为提高系统运行的平稳性和控制精度提供了依据；研究了部分单元模块电机投入运行时由于单元模块电机内部及单元模块电机之间的互感参数不完全对称引起的转矩波动的抑制方法。.（5）搭建试验台对样机进行了实验研究。实验内容主要包括：绕组电感参数测试、空载反电势波形测试、单元模块电机转矩与单元模块个数关系测试、空载与额定负载下绕组三相电流的波形和相位以及不同转速下不同数量定子模块投入运行时样机的效率和功率因数随负载率变化关系测量。..主要研究成果有：学术论文15篇，其中EI检索10篇，授权发明专利7项，申请专利2项。培养已毕业的硕士8名，博