[发明专利]五相定子双绕组异步发电机及其参数优化方法

说明书

技术领域

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

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。

1997年美国NASALewis研究中心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270V三相笼型异步高压直流发电系统进行研究，并研制出了18kW样机。这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，还可以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芯，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 O.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。

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。这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三相定子双绕组异步发电系统开展的，没有涉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

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以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。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

五相定子双绕组异步发电机的参数优化方法，以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、铁芯长度、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：

A、初始化发电机体积V、定子槽数Z₁、转子槽数Z₂、转子内径D_i2，选定定转子槽型；

B、计算定子内经D_i1、定子外径D₁、铁芯长度l_ef、气隙δ、转子外径D₂，保持转子内径D_i2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；

C、在发电机控制绕组侧注入五相基波电压和五相三次谐波电压，调节五相基波电压的幅值和初始相位以及五相三次谐波电压的幅值和初始相位，使得基波气隙磁场与三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；

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B_tk和轭部磁密B_ck；

E、在步骤D所述第k次迭代的齿部磁密B_t和轭部磁密B_c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，

否则，k取值加1，返回步骤B；

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、铁芯长度、气隙、转子外径、转子内径即为最优解，

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、铁芯长度、气隙、转子外径、转子内径。