[发明专利]一种电机等效气隙模型

说明书

本发明公开了一种电机等效气隙模型，基于统一气隙磁场调制理论建立等效气隙模型，将典型的感应电机与同步电机结构分为三个部分，初始励磁磁动势、调制器和滤波器的级联。初始励磁源在物理气隙上建立一个初始的磁动势分布；调制器调制初始励磁磁动势分布以产生一系列磁动势谐波分量，所有的磁动势谐波分量在气隙中产生相应的磁通密度谐波分量；电枢绕组作为空间谐波滤波器提取有效的气隙磁通密度谐波分量用于感应生成磁链或电动势，为负载供电或接收同步电流以产生相应的机械输出。本发明的等效气隙模型数学表达清晰简洁，能够清楚有效定性描述气隙磁场调制行为、反映电机运行特性，并能直观验证感应电机电机与同步电机的内在联系、区别从而加深理论理解。

技术领域

本发明涉及交流电机技术领域，尤其涉及一种电机等效气隙模型。

背景技术

感应电机和同步电机是最为传统的交流电机，由于其稳定可靠、发展成熟、易于加工和控制便捷等优势，一直是传统电机领域的研究热点，如在故障情形下容错控制、有效提升转矩传递能力及电机整体效率、建立电机理论分析模型以分析损耗特性、饱和特性分析及新型拓扑结构探索等方面已有学者做了大量工作。由于其拓扑结构和运行原理截然不同，在传统电机学中感应电机和同步电机向来被分为不同的章节，这样并不能有效的建立它们内在的联系及相似性分析。

有学者开创性的利用微分手段，如电学的基尔霍夫定律、力学的达朗贝尔原理和电磁学的麦克斯韦方程组，及变分手段如机械运动学的汉密尔顿原理来统一的分析论述传统电机的特性。这些工作虽借助了矩阵、传递函数、框图等数学表达技巧，但其数学表达过于复杂且物理意义不够明显，尤其是气隙能量转换传递机制没有得到很好的表达，因此并不能有效反映电机运行特性。20世纪30年代，学者克朗提出，任何电机的运动方程均可以从原型电机中推导出并利用统一的方法求解，称之为电机的统一理论。学者阿德金斯从机电能量转换的角度出发完善了电机统一理论，基于双轴理论建立了四线圈原型电机模型，并根据该模型推导了感应电机和同步电机的磁链、电压、转矩等效方程，是传统电机学发展历史上的一个重要的里程碑。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种电机等效气隙模型，用以促进交流电机的理论理解和学习。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种电机等效气隙模型，将电机拓扑结构分为初始励磁磁动势、调制器和滤波器的级联；所述初始励磁磁动势为永磁体或等效励磁绕组通以励磁电流在物理气隙上建立的初始磁动势分布，包含多种谐波分量；所述调制器调制初始励磁磁动势分布，产生一系列磁动势谐波分量，且所有的磁动势谐波分量在气隙中产生相应的磁通密度谐波分量；所述滤波器由电枢绕组作空间谐波选择性过滤，并提取有效的气隙磁通密度谐波分量用于感应生成磁链或电动势，为负载供电或接收同步电流产生相应的机械输出。

进一步地，所述调制器根据电机结构的不同分为单位调制器、短路线圈和磁阻凸极。

进一步地，所述调制器在绕线式感应电机和隐极式同步电机拓扑结构中为单位调制器，在鼠笼式感应电机拓扑结构中为短路线圈，在凸极式同步电机拓扑结构中为磁阻凸极。

进一步地，根据不同的调制器提出对应的调制算子，推导出调制过的励磁磁动势函数分布，从而表达气隙磁密、磁链、反电势、转矩及电感特性等电磁参数表达式。

进一步地，单位调制器调制后的周期函数与其本身相同。

进一步地，短路线圈的调制算子为：

其中，N_SC为短路线圈的单元数，γ为短路线圈的跨距，f(φ,t)为初始励磁磁动势分布函数，φ为静止坐标系下圆周位置机械角度，φ为调制器坐标系下圆周位置机械角度，N_j和i_j分别为短路线圈第j环绕组函数和电流。

进一步地，磁阻凸极的调调制算子为：