绕线式无刷双馈脉冲发电机研究

惯性储能脉冲发电机由于其体积小、重量轻、储能密度大、系统结构简单、连续运行可靠等优点在脉冲功率领域得到了广泛应用。但是在高速、高储能的脉冲发电机中，随着转速的升高和功率的逐渐增高，电刷滑环不仅要承受高转速、高线速度，还要传导大电流和大功率，电刷与滑环的摩擦会带来严重的发热和功率损耗，消耗转子储能，所以电刷滑环成为了限制脉冲发电机发展的一个瓶颈。已有的相对成熟的取消电刷滑环的方案是利用感应子电机作为给移动式电容快速充电的脉冲功率电源使用。感应子电机转子为一个实心体，强度高，转动惯量大，电机可以做到较高的转速以及储能密度来满足脉冲发电的需求。但是感应子电机也正是因其独特的转子结构使得电机的功率密度较低，只有同转速下普通同步电机的二分之一左右，这一特点也制约了感应子电机向更高功率等级应用方向的发展。本研究试图将无刷双馈电机引入到脉冲功率场合，以取代现有感应子电机来作为移动式电容快速充电电源，实现整套系统向更高功率等级的发展。无刷双馈电机定子有两套极对数不同的绕组：功率绕组和控制绕组。本身两套绕组间不存在直接耦合，而是通过特殊设计的转子实现间接耦合，从而实现电机的无刷励磁。并且无刷双馈电机可以通过调节控制绕组端电压的频率来调节功率绕组输出电压的频率，从而实现单次放电，转速下降后连发脉冲波形的一致性。无刷双馈电机具有转速高、结构可靠性高、功率密度适中等优点，从而可以用于大功率电容快速充电电源的应用。通过本项目的研究，详细分析了无刷双馈电机的本质原理和运行机制，建立了全新的无刷双馈电机等效电路模型。并将其应用到电容快速充电系统的建模分析中。并采用场、路耦合的多种分析方法，结合系统模型的构建和电机的设计，进行了全系统的性能仿真研究。在此基础上加工制造出能满足脉冲能量输出要求的绕线式无刷双馈脉冲发电机样机并搭建了电容快速充电电源系统，实验结果证明了该方案的可行性。通过该项目的研究，得到了电容快速充电用无刷双馈脉冲发电机及其电容负载系统的分析和优化设计理论。

脉冲发电机既具有储能密度大和功率密度高的综合特性，又具有体积小、重量轻、系统结构简化、连续运行可靠、可调幅度大等优点。因此，它是高功率脉冲电源实现小型化的较好的解决方案。但是在高速、高储能的脉冲交流发电机中，随着转速的升高和功率的加大，电刷滑环也成为脉冲发电机的一个瓶颈问题，不仅要承受高转速、高线速度，还要传导大的电流和功率，并且还会因为电刷与滑环的摩擦带来严重的发热和功率损耗，消耗转子储存的动能，也不经济。因此，本文将脉冲电机的运行方式与绕线式无刷双馈电机的特点相结合，提出了一种新型的无电刷结构的脉冲发电机--绕线式无刷双馈脉冲发电机。该电机在无刷的基础上可以实现变速下的主绕组输出电能的恒压恒频，在连发脉冲时波形具有良好的一致性。本质问题是要研究绕线式无刷双馈电机的原理和结构特点，建立一套根据脉冲负载要求设计配套的电机的理论，通过模型的仿真和样机的试验研究，来验证理论研究的结果。

“注意，“Fed”并不确指电能的交换方向（输出还是输入），所以，双馈既有双馈发电机，亦有双馈电动机。对于绕线转子的异步电机，除了定子必然和电源相联之外，转子也可以和电源相联，于是，当电机作为发电机时，称之为双馈异步发电机；反之作为电动机时，则称为双馈异步电动机，而只有一端和电源相联的普通电机则属于“单馈”。

还要指出，双馈发电或双馈电动均属于和外部电源的电能交换，因此，双馈（Double Fed）以及串级（Cascade Control）都应归属于外馈。

本申请拟研究一种世界首创的无刷双馈双机械端口电机(BL-DF-EVT)。该电机有两个转速独立变化的机械转子，分别接原动机和机械负载。定子铁心内有两套绕组用于控制转速。该电机的原理建立在有刷双机械端口电机和无刷双馈电机原理的基础上,并有所创新。其特点是：原动机的机械功率大部分通过双转子直接传递到负载端，转差功率可通过定子绕组和双向变换器传递给负载，因而功率变换器的容量大大减小。原动机和负载之间的不平衡功率可以通过向蓄电池充放电进行平衡。本申请提出的BL-DF-EVT和传统EVT电机相比省去了滑环电刷和内、外转子位置传感器，需要根据新电机结构特点深入研究电机内部的电磁关系、运行模式、控制策略并解决一些关键技术问题。本研究将对机械变速领域产生重大影响，使EVT电机具有机械结构更简单、磨损小、运行更可靠等优点，并拥有独立的自主知识产权。因此，本项目的研究具有重要的科学意义和理论价值。 2100433B