五相定子双绕组异步发电机及其参数优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了五相定子双绕组异步发电机及其参数优化方法，属于定子双绕组异 步发电机的技术领域。
【背景技术】
[0002] 多电/全电飞机与传统飞机相比，具有结构简单、重量轻、可靠性高和可维护性好 等优点，近年来得到了飞速发展。飞机电源系统经历了几十年的发展，从低压直流电源系 统、恒速恒频交流电源系统、变速恒频交流电源系统，演变到如今的高压直流电源系统和变 频交流电源系统，逐步实现了飞机电源系统的大容量、高性能、高功率密度、高效率、高可靠 性等要求。纵观国内外飞机电源系统的发展、研究及应用情况，高压直流电源系统和变频交 流电源系统是飞机电源的发展趋势。
[0003] 1997年美国NASALewis研究中屯、的专家们根据他们多年研究成果指出对于未来飞 机电源系统，笼型异步电机有可能作为航空发电机，值得全面深入研究。关于航空用异步电 机高压直流发电系统，我国也较早地开展了相关研究工作。从1998年开始，南京航空航天大 学就一直对270VS相笼型异步高压直流发电系统进行研究，并研制出了 ISkW样机。运进一 步表明笼型异步电机应用于飞机高压直流发电系统是可行的。而多相异步电机因其具有适 合大功率应用、控制灵活、转矩脉动小、可靠性高等优点，目前已在军用、民用多种场合得到 了应用。特别是，与非正弦供电技术相结合，还可W降低磁密峰值使气隙磁密波形为准方 波，从而充分利用电机铁忍，达到提高电机转矩密度和功率密度的目的。定子双绕组异步电 机发电系统是近几年来出现的一种新型异步电机。从1999年美国田纳西理工大学的Ojo 0. 教授首次提出定子双绕组异步电机发电系统，国内外的学者纷纷开展了对定子双绕组异步 电机的研究。
[0004] 航空用高压直流发电系统对电源的体积、重量有严格的要求，因此，电源系统不仅 需具有大容量、高性能、高可靠性的特点，还需要做到体积小、重量轻、功率密度高。运就要 求在对整个高压直流发电系统进行设计时，做到系统体积重量最小化。目前关于定子双绕 组异步电机发电系统的优化设计研究都是仅针对=相定子双绕组异步发电系统开展的，没 有设及到对发电机本体的体积、重量优化，也没有研究采用多相定子双绕组结构及谐波注 入的非正弦供电技术来对发电机的体积、重量进行优化。
【发明内容】
[0005] 本发明所针对上述【背景技术】的不足，为了解决尚无多相定子双绕组异步发电机结 构W及采用谐波注入的非正弦供电技术对电机参数优化的技术问题，提供了五相定子双绕 组异步发电机及其参数优化方法，在非正弦供电条件下迭代优化使得发电机体积和质量最 小的电机参数。
[0006] 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
[0007] 五相定子双绕组异步发电机，包括笼型结构转子，定子双绕组为一套星形整距集 中结构的五相功率绕组和一套星形整距集中结构的五相控制绕组，所述功率绕组和控制绕 组均为单层绕组且具有相同的极对数，紧禪合的功率绕组和控制绕组分上下两层同槽安放 在定子槽中，定子内径、定子外径、铁忍长度、气隙、转子外径、转子内径的取值在非正弦供 电时满足发电机体积和质量最小的要求。
[0008] 五相定子双绕组异步发电机的参数优化方法，对于所述五相定子双绕组异步发电 机，W非正弦供电时发电机体积V和质量M最小为目标，对定子内径、定子外径、铁忍长度、气 隙、转子外径、转子内径的取值进行迭代优化，具体包括如下步骤：
[0009] A、初始化发电机体积V、定子槽数幻、转子槽数Z2、转子内径化2,选定定转子槽型； [00 10] B、计算定子内经Dll、定子外径Di、铁忍长度lef、气隙5、转子外径保持转子内径 化2不变并在保证槽满率的前提下调整定转子槽型，开始第k次迭代优化，k为正整数；
[0011] C、在发电机控制绕组侧注入五相基波电压和五相=次谐波电压，调节五相基波电 压的幅值和初始相位W及五相=次谐波电压的幅值和初始相位，使得基波气隙磁场与=次 谐波磁场的合成磁场波形为"准方波"且合成磁场幅值满足气隙磁密度幅值给定的约束；
[0012] D、由第k次迭代中的气隙磁密幅值计算第k次迭代的发电机齿部磁密Btk和辆部磁 密 Bck;
[0013] E、在步骤D所述第k次迭代的齿部磁密Bt和辆部磁密Bc满足过饱和临界给定值约束 时确定发电机体积和质量，进入步骤F，
[0014] 否则，k取值加1，返回步骤B;
[0015] F、当前后两次迭代优化的体积和质量满足优化目标时，结束迭代优化过程，第k次 迭代优化计算的定子内径、定子外径、铁忍长度、气隙、转子外径、转子内径即为最优解，
[0016] 当前后两次迭代优化的体积和质量未满足优化目标时，k取值加1，返回步骤B继续 迭代直至得到满足优化目标的定子内径、定子外径、铁忍长度、气隙、转子外径、转子内径。
[0017] 作为所述五相定子双绕组异步发电机的参数优化方法的进一步优化方案，步骤A 按如下表达式初始化发电机体积V、定子槽数Zi、转子槽数Z2:
[0019] 且转子内径化2根据转轴强度和刚度确定，
[0020] 其中，Ca为发电机常数，P为发电机功率，n为转速，m为相数，P为极对数，O为2至10 之间的整数。
[0021] 进一步的，所述五相定子双绕组异步发电机的参数优化方法中，步骤B按照如下表 达式计算定子内经化1、定子外径Dl、铁忍长度lef、气隙8、转子外径化：
[0023] 其中，A为发电机主要尺寸比，气隙S的单位为米。
[0024] 作为所述五相定子双绕组异步发电机的参数优化方法的进一步优化方案，步骤C 中所述使得基波气隙磁场与=次谐波磁场的合成磁场波形为"准方波"且合成磁场幅值满 足气隙磁密度幅值给定的约束，具体为：
[0025] 白3 = 3白i，Bsisin(白i)+Bs3sin(白3) < Bs*,
[0026] 其中，Bsi和01分别为基波气隙磁场的幅值和相位，Bs3和03分别为S次谐波磁场的 幅值和相位，气隙磁密度幅值给定。
[0027]再进一步的，所述五相定子双绕组异步发电机的参数优化方法中，步骤D按照如下 表达式计算第k次迭代的发电机齿部磁密Btk和辆部磁密Bck:
[0029] 其中，Bsk为第k次迭代中的气隙磁密幅值，bt为定子齿宽，T为极距，h。为辆部高度。
[0030] 更进一步的，所述五相定子双绕组异步发电机的参数优化方法中，步骤E按照如下 表达式确定发电机体积和质量：
[0032] 其中，P为铁磁材料密度，分别为定子槽面积和转子槽面积。
[0033] 作为述五相定子双绕组异步发电机的参数优化方法的进一步优化方案，步骤F中 所述优化目标为：I Vk-Vk+l I < Ei，I Mk-Mk+l I < E2，
[0034] 其中，Vk+i、Vk分别为第k+1次、第k次迭代计算的发电机体积，Mk+i、Mk分别为第k+1 次、第k次迭代计算的发电机质量，El为体积之差的阔值，为质量之差的阔值。
[0035] 本发明采用上述技术方案，具有W下有益效果：
[0036] (1)提出了一种五相定子双绕组异步电机，定子双绕组为一套星形整距集中结构 的五相功率绕组和一套星形整距集中结构的五相控制绕组，功率绕组和控制绕组均为单层 绕组且具有相同的极对数，紧禪合的功率绕组和控制绕组分上下两层同槽安放在定子槽 中，该发电机相比于=相定子双绕组异步发电机，具有更高的功率密度和可靠性，并且有一 定的容错能力，更适用于对功率密度和可靠性有更高要求的电动汽车、船舶推进和飞机等 电源系统中；
[0037] (2)采用谐波注入的非正弦供电技术，W电机体积和质量最小为目标，对电机参数 进行迭代优化，改善了电机气隙磁密的波形使其为准方波，充分利用了铁忍，改善电机的饱 和，并且提高了电机转矩密度和功率密度。
[0038] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，运些将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0039] 图1为五相定子双绕组异步发电机的发电系统结构框图。
[0040] 图2为额定功率化W、额定转速1500rpm、极对数为2的五相定子双绕组异步发电机 定、转子结构示意图。
[0041 ]图3(a)、图3(b)为额定功率5kw、额定转速1500rpm、极对数为2的五相定子双绕组 异步发电机的绕组排布图。
[0042] 图4为正弦供电与=次谐波注入的非正弦供电气隙磁密波形对比图。
[0043] 图5为五相定子双绕组异步发电机近似稳态等效电路图。
[0044] 图6为非正弦供电的五相定子双绕组异步发电机的优化迭代算法图。
[0045] 图中标号说明：L为滤波电感，C为励磁电容，D为二极管，CcDcXpDC分别为控制侧直 流母线电容和功率侧直流母线电容，V。、Vp分别为控制绕组和功率绕组相电流，I。、Ip分别为 控制绕组和功率绕组相电流，Er为反电动势，Ir为转子电流，。、町分别为控制绕组和功率绕 组的等效电阻，Xlc、Xlp分别为控制绕组和功率绕组的漏抗，Xm为激磁电抗，rr'/s为转子等效 电阻。
【具体实施方式】
[0046] 下面详细描述本发明的实施方式，下面通过参考附图描述的实施方式是示例性 的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0047] 本领域的技术人员可W理解，除非另外定义，运里使用的所有术语(包括技术术语 和科学术语)具有本发明所属技术领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该 理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意 义一致的意义，并且除非像运里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[004引图1为此发电机的发电系统。该发电机转子为笼型结构，简单坚固。定子有两套极 对数相同且均采用星形整距集中绕组结构的五相绕组，一套为功率绕组，另一套为控制绕 组，两套绕组均为单层绕组且都采用星形连接，功率绕组和控制绕组紧禪合，功率绕组和控 制绕组分上下两层同槽安放在定子槽中。功率绕组经励磁电容C与五相不控整流桥的交流 侧连接，五相不控整流桥的直流侧接有功率侧直流母线电容CpDC，控制绕组经滤波电感L与 功率变换器的交流侧连接，启动电源经二极管D向功率变换器供电，功率变换器的直流侧接 有控制侧直流母线电容CcDC。运两套绕组在电气上没有直接连接，仅通过磁场禪合，功能分 开，应比及容量设计灵活，电磁兼容性好，易于实现高性能的控制和高品质电能的输出。发 电运行时，从功率绕组侧整流输出高压直流电，功率变换器通过控制绕组调节电机励磁来 保证输出电压稳定。为清晰起见，图2、图