新型混合转子无刷电励磁同步电机及其励磁控制研究

Conventional induction machine, electrically excited synchronous machine and permanent magnet synchronous machine have respectively themselves advantages and disadvantages in those aspects, such as starting characteristics, operation performance and brushless reliability, etc. Especially rare earth permanent magnet synchronous machine with high power density, brushless reliable, high efficiency and high power factor, has been widely used in many industrial areas. But the cost of the rare earth permanent magnet machine have multiplied as national strategic resource prices continued to rise, many industrial applications had to abandon the use of permanent magnet machine. Therefore, a novel brushless electrically excited synchronous machine with composite rotor structure and its excitation control system will be studied in this project. This kind of machine is a new type of electromechanical energy conversion device, its completely different from the traditional machine, not only has all the advantages of conventional electrically excited synchronous machine, but also complete realization the brushless, has broad application prospects. Stating from special electromechanical energy conversion mechanism, through analysis, simulation and experimental study of the basic electromagnetic relations, the basic method of the inductance parameters calculation, steady state and dynamic characteristics simulation and electromagnetic design and excitation control technology will be put forward, and the complete theoretical system of this kind of novel machine will be established. The project study not only has important engineering application, but also its theoretical research achievements and the solution of scientific problems has a very important scientific significance.

常规异步电机、电励磁同步电机和永磁同步电机在起动特性、运行性能和无刷可靠性等方面各有优缺点，特别是稀土永磁同步电机具有功率密度大、无刷可靠、效率和功率因数高等突出优点，在许多工业领域已得到广泛应用。但是随着作为国家战略资源的稀土价格的持续上涨，永磁电机成本成倍增加，许多工业场合不得不放弃采用永磁电机。为此，本项目提出研究一种新型混合转子结构无刷电励磁同步电机及其励磁控制系统，该种电机不仅具有常规电励磁同步电机所有优点，而且从电机本体上彻底实现了无刷化，是一种完全有别于传统电机的新型机电能量转换装置，应用前景广阔。本项目将从其特殊的机电能量转换机理出发，通过对基本电磁关系的分析和仿真与实验研究，提出其电感参数、稳态与动态性能计算和电磁设计的基本方法与励磁控制技术，建立该电机完整系统的理论体系。该项目研究不仅具有重要工程应用价值，而且其理论研究成果和所解决的科学问题，亦具有非常重要的科学意义。

常规异步电机、电励磁同步电机和永磁同步电机在起动特性、运行性能和无刷可靠性等方面各有优缺点，特别是稀土永磁同步电机具有功率密度大、无刷可靠、效率和功率因数高等突出优点，在许多工业领域已得到广泛应用。但是随着作为国家战略资源的稀土价格的持续上涨，永磁电机成本大幅增加，许多工业场合不得不放弃采用永磁电机。为此，本项目提出研究一种新型混合转子结构无刷电励磁同步电机及其励磁控制系统，该种电机不仅具有常规电励磁同步电机所有优点，而且从电机本体上彻底实现了无刷化，是一种完全有别于传统电机的新型机电能量转换装置，应用前景广阔。.本项目通过对所提出新型混合转子无刷电励磁同步电机特有机电能量转换机理和基本电磁关系的分析，导出了其准确的磁路和电路模型；在详细分析气隙磁场和混合转子磁场调制作用的基础上，通过分析电枢绕组和励磁绕组磁场耦合关系，提出了耦合能力强、谐波分量少的混合转子结构优化设计方案，以及该种电机电磁参数计算的一般方法；建立了考虑饱和非线性的电机通用数学模型，搭建了通用的性能仿真平台；提出了用于无刷电励磁同步电机电磁性能计算的准确方法并开发了相应的计算机辅助设计软件；研究了该种电机不同运行方式下的励磁控制策略并研发了相应的励磁控制系统；研制了8+4极和6+2极转子为磁障转子和复合转子的4台实验样机，对不同转子结构、极数配合和运行方式下的电机性能进行了全面的对比实验研究。结果表明，电感参数测量值与计算值基本接近，误差较小，验证了所推导电感参数计算模型的正确性；与磁障转子转子样机相比，混合转子具有更强的磁场调制能力，进而提高了电机的带载能力和功率密度。通过理论分析计算与样机性能的实验研究，建立了该种电机系统的理论体系和分析设计方法，为该种新型电机的推广应用提供了理论与技术支持。.结合该项目的研究，培养博士1名（已毕业），硕士5名（已毕业4名，在读1名）；在国内外重要学术刊物及国际会议上发表论文15篇，其中被SCI收录2篇、EI收录13篇，另有1篇期刊论文已录用待发表；获授权国家专利4项。.该项目研究不仅具有重要的工程应用价值，而且其理论研究成果和所解决的科学问题亦具有非常重要的科学意义。