无刷双馈电机(BDFM)是一种新型电机,其结构与笼型转子异步电机相似,坚固可靠,没有滑环碳刷,然而它却可以像绕线转子电机那样实现异步、同步、双馈等多种运行方式。由于BDFM结构的特殊性、数学模型和电磁设计的复杂性,目前国内外尚未有该类电机的系列商品化产品,也未见到关于BDFM完整的电磁设计程序的文献报道。鉴于此,对其进行深入的理论研究,研究编制更加方便、有效、可靠、精确的计算软件,对于该种电机的研发是一项很有意义的探索性工作,这也是本文的研究目的。本文以笼型转子型式的无刷双馈电机为对象,围绕无刷双馈电机的基础理论、有限元仿真、参数计算等方面进行了深入的研究。特别是:本文提出并利用大型商用软件ANSYS的二次开发功能,开发的三个专用的有限元软件程序,对于准确计算BDFM的电路参数和稳态和瞬态特性,对于BDFM的电磁设计具有很重要的实用价值。本文的工作主要包括以下几方面的内容:(一)在回顾无刷双馈电机的发展进程的基础上,总结了无刷双馈电机运行理论和分析方法、特性仿真和参数计算、有限元仿真模型以及其国内外研究现状,重点对无刷双馈电机的相关基础理论进行了论述和介绍,主要是无刷双馈电机多回路模型和d-q模型。(二)本文首次在ANSYS软件环境下,建立了适合无刷双馈电机稳态性能计算的场路耦合伪静止涡流有限元模型、编写了专用程序;建立并开发了适合无刷双馈电机瞬态性能计算的场路耦合时步有限元模型和专用程序。全部工作利用APDL(ANSYS Parametric DesignLanguage)语言,通过二次编程开发来实现。无刷双馈电机结构与传统交流电机有较大的不同,建立适合无刷双馈电机稳态分析“快而准”的有限元专用程序对于完善目前无刷双馈电机分析手段是非常必要的。而本文提出的无刷双馈电机的场路耦合伪静止涡流有限元模型可以满足这种要求。该模型不须考虑转子的转动就能准确预测不同滑差点处电机的稳态性能,铁心饱和以及集肤效应直接在场中计及,诸如端环等三维效应可以通过传统参数计算方法加以考虑。本文提出的另一种有限元方法采用时步有限元模型分析无刷双馈电机瞬态及稳态计算,虽然计算时间较长,但是它有着其它模型无法比拟的优点:用最少的“假设条件”获得最接近真实样机的“仿真”。本文首次开发了无刷双馈电机的场路耦合的时步有限元程序,在处理转子转动时,采用了插值运动边界法,通过耦合与约束方程、有限元形函数关联移动表面的矢量磁位,转子转动后,不再需要重新剖分有限元网格。用所编制的两种有限元软件计算了无刷双馈电机在异步、同步、双馈等多种运行方式的稳态性能。实验数据证实了计算软件的有效性。(三)本文详细研究了无刷双馈电机电感的参数计算方法,提出了计算微分电感系数的改进的能量摄动法,编制了相应的程序。电机的自感和互感参数是研究电机运行性能和进行电机设计的关键参量。非线性电感可以分为割线电感和微分电感。磁链除以电流提供的是割线电感系数,磁链增量除以电流增量便得到微分电感,电路微分方程中需要的是微分电感系数。绕组函数法常应用于计算线性或割线电感。本文采用绕组函数法,导出了用于BDFM多回路电路方程中电感和互感参数计算的解析公式。由于绕组函数法无法计算微分电感,本文提出了一种改进的能量摄动法并编写了计算程序,与传统的能量摄动法相比,新方法具有更多的优点:它可以减少非线性有限元分析的求解次数,提高计算效率;直接计算磁场能量的摄动(相对值),使用一阶导数求电感,计算更准确;电流摄动可以取较大的值;转子的转动采用插值运动边界法,计算转子不同位置的定转子互感时,不再需要进行网格重新剖分。(四)在回顾交流异步电机设计方法的发展变化基础上,对无刷双馈电机的设计原则进行了研究探讨,总结了无刷双馈电机的设计原则。改制了一台无刷双馈电机样机,并对该电机的进行了初步的实验测试。