1研究背景与意义

　　交流电机是实施电能生产、传输、使用和电能特性变换的主要机械装置，其主要包括异步电机和同步电机两种类型。由于结构差异和运行原理的区别，两种电机均具有各自的优缺点。因此，学者们在不断探索新的电机形式以期具有两种常规交流电机的优势，并弥补它们的不足之处。无刷双馈电机是一种近年来被重点关注的一种新型交流电机。它取消了普通交流励磁双馈电机中的电刷与滑环，结构简单而坚固。无刷双馈电机定子上一般放置两套不同极对数的独立绕组，分别被称作功率绕组和控制绕组。它们将通过合理设计的转子使各自磁场间接耦合，进而实现不同绕组间能量的相互流动。控制绕组作为电机的交流励磁绕组，可以方便的通过电源进行电压幅值与频率的调节，来实现电机的同步、双馈等不同工作状态的切换。特别的，当控制绕组自短路连接或串接外电阻，无刷双馈电机将运行于异步状态，这种状态可以很好的弥补普通同步电机难以自行启动的缺陷。综上所述，无刷双馈电机工作状态多样，兼具异步电机与同步电机的运行特性，能够很好的适应不同工况对电机的要求。另外，在变速恒频发电及高压变频驱动领域中，无刷双馈电机亦可有效减小配套变频器的容量，极大节约了系统成本。

2解决的主要问题

　　本文以无刷双馈电机基础理论与应用为研究对象，深入探究电机合成磁场的变化规律，并解决了以下几个制约无刷双馈电机应用与普及的问题：

　　（1）借助驻波的概念描述由两个不同极对数磁场分量叠加产生的无刷双馈电机合成气隙磁场的变化规律与特征。

　　（2）利用无刷双馈电机磁场特点设计出绕线转子结构，此结构可尽量削弱气隙磁场中的无用谐波含量且避免磁场各极对数分量的比例随负荷不断变化。

　　（3）利用无刷双馈电机合成磁场的特点对无刷双馈电机的设计准则与电磁运行性能进行分析，总结电机的稳态及瞬态性能。　

3重点内容

　　3.1 合成磁场齿驻波特征

　　通过理论分析与计算对电机的合成磁场随时间变化的规律进行深入分析，发现了这种磁场与驻波以及交流绕组齿谐波磁场的关联，提出“齿驻波”磁场概念来描述无刷双馈电机磁场幅值随时间的波动规律，并利用有限元仿真方法验证。

　　3.2 基于齿驻波磁场特征的无刷双馈电机结构设计

　　基于无刷双馈电机齿驻波磁场特点，利用交流绕组齿谐波原理和不等匝、不等节距等谐波消除方法对转子绕组结构进行设计。经过磁动势谐波分析及对比，本文所提的新型绕线转子结构拥有较低的谐波含量及固定的磁动势幅值比例关系。与传统特殊笼型结构相比，这种绕线式结构更符合齿驻波磁场对转子设计的要求

　　3.3 基于齿驻波磁场特征的无刷双馈电机稳态性能研究

　　利用齿驻波磁场分布特点，对无刷双馈电机的不平衡磁拉力和电磁转矩的产生进行研究。由齿驻波磁场的对称性，无刷双馈电机极数配合必须满足|pp−pc|=2k的限制条件才能消除不平衡磁拉力，实现平稳运行。此外，根据齿驻波磁场的同步旋转特征，本文从电机的能量转换基本原理出发对无刷双馈电机的功率角进行定义，并推导出功角特性表达式，将无刷双馈电机的功率分析方法与普通交流电机相统一。利用30kW、2/6的无刷双馈电机电动实验测试和有限元仿真分析，本文所提的功角特性和不平衡磁拉力的消除得到了很好的验证。

　　3.4 无刷双馈电机瞬态过程研究

　　为了方便分析，本文首先采用等效旋转的观点将无刷双馈电机的控制绕组与功率绕组统一，建立起以功率绕组磁场同步速旋转的统一dq轴瞬态数学模型。其次，在所建立的数学模型基础上对绕线转子无刷双馈电机的对称三相短路瞬态过程进行了解析计算，分析了这种电机在低电压穿越运行中的优势。再次，针对无刷双馈电机独立发电系统，本文分析了电机转速突变、负载突变的瞬态变化过程并提出保持电压幅值和频率恒定的控制策略。最后，对实验中出现的电压幅值波动问题进行深入分析，并利用电压补偿的办法进行消除。经动态仿真和实验分析，本文所建立的数学模型及解析计算的有效性得到了验证。

4主要创新点

　　（1）对无刷双馈电机合成磁场随时间变化的规律进行深入分析，发现了这种磁场与驻波以及交流绕组齿谐波磁场的关联，首次提出“齿驻波”磁场概念。

　　（2）基于齿驻波磁场的特点，对无刷双馈电机的定转子结构设计进行研究，通过谐波分析及对比，指出利用齿谐波原理及不等匝、不等节距等方法所设计的新型绕线转子结构谐波含量低且各分量比例恒定，是符合齿驻波磁场的理想结构。

　　（3）利用齿驻波原理对无刷双馈电机的不平衡磁拉力的产生进行研究。经理论推导及有限元仿真验证，提出新的无刷双馈电机的极数配合条件：|pp−pc|=2k。只有满足此限制条件，才能保证无刷双馈电机磁场的磁密幅值在气隙圆周相对圆心对称，进而完全消除不平衡磁拉力。

　　（4）经解析计算并结合有限元仿真和实验测试，根据齿驻波磁场原理提出定、转子磁动势轴线夹角即为无刷双馈电机功角，并据此推导出电机功角特性曲线。

　　（5）对无刷双馈电机的瞬态过程进行研究，通过将控制绕组视为等效旋转的方法建立以功率绕组同步速旋转的统一dq轴数学模型，并借助此模型分析无刷双馈电机在功率绕组端发生三相对称短路的瞬态物理过程。经过解析计算、动态仿真及实验测试，得到无刷双馈电机具有较小的短路电流，有利于实现低电压穿越运行的结论。