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《山东大学》 2010年
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新型磁通切换型磁阻电机系统的分析、设计与控制研究

王道涵  
【摘要】:磁通切换型磁阻电机(Flux Switching Motor, FSM)是一种新型的无刷结构双凸极电机,它具有与开关磁阻电机类似的双凸极结构,定转子上均无永磁体,避免了由于各种原因,如温升、振动、电枢反应等引起的永磁体去磁或磁性能不稳定而导致电机出力的下降,运行可靠性高。FSM电机本体结构和制造工艺简单,坚固耐用,成本低廉,适合高速运行,具有在高温等恶劣环境下工作的优势,整个运行过程中所有绕组全周期通电,绕组利用率高。与开关磁阻电机等单边激励双凸极电机相比,FSM从根本上实现了励磁电流分量和电枢电流分量的分离,降低了功率变换器的伏安容量。FSM独特的运行方式降低了电机运行时的振动和噪声,适合应用于对振动和噪声要求较高的场合。由于励磁磁通可调,FSM作为发电机运行时调压方便且具有故障灭磁能力,适合用于车载航空等高速发电系统和起动发电系统。 与其他类型双凸极电机相比,FSM由于只需控制一套绕组的通断电,功率电路所需功率开关器件个数少,控制方式和控制策略简单,调速成本低,很大程度上降低了电机控制器的成本。FSM具有与直流电机相似的优异的调速性能,在整个调速范围内具有较高的效率,因此在家用电器、电动工具及轻工业制造等场合具有良好的应用前景。 FSM是一种复杂的机电一体化装置,与其他双凸极电机一样,具有显著的边缘效应和局部饱和效应,不仅如此,FSM依靠电枢绕组和励磁绕组之间的互感产生转矩,励磁绕组产生的直流磁场源和电枢绕组产生的交流磁场源相互强耦合,运行时所有绕组同时通电,边缘效应和局部饱和效应更为明显,这些都使得FSM系统呈现出独特的非线性、变结构和强耦合的复杂特性。 FSM由于提出时间不久,目前的研究从涉及问题的广度上和深度上都十分有限,各方面的研究不够深入全面,本文以这种新型的FSM电机系统为研究对象,对FSM的运行方式特点、数学模型、性能分析、磁场分析、电磁参数计算、动态性能仿真、电机设计及其控制系统的软件和硬件开发设计等一系列关键问题进行了较为全面和深入的研究分析,试制了FSM样机,开发了FSM的位置检测装置和专用控制电路,为该电机的进一步深入研究和开发应用奠定基础。 论文的研究内容主要有以下几个方面: 1、详细全面地对FSM工作原理、运行方式和电磁特性进行了研究,阐述了FSM非线性、变结构和强耦合的特点,采用有限元法全面详细地计算了FSM的磁场分布、电磁参数和静态特性,为深入了解FSM的电磁特性和工作方式打下基础; 2、由于FSM具有独特的非线性、变结构和强耦合的复杂特性,通常用于分析其他类型双凸极电机的非线性方法很难完整地描述其电磁特性和进行建模分析。为了解决FSM非线性建模仿真的难题,本文研究了基于电感最大值的FSM三维非线性仿真模型,采用混合建模思路,建立了包括FSM电机本体和控制电路在内的整个系统的仿真模型,在此基础上对FSM进行了较为全面的仿真研究和性能分析,并与时步有限元仿真结果进行了对比验证; 3、提出了FSM的非线性变结构等效磁路模型。紧贴FSM独特的非线性变结构特性,建立了一种具有多相耦合特性的适用于分析FSM的自适应非线性变结构集中参数等效磁路模型,详细推导了等效磁路中每部分磁导的计算方法,并在此过程中讨论了局部饱和的处理技术,基于该等效磁路模型,对FSM进行了电磁特性分析和参数计算,在此过程中对磁导计算中的收敛问题进行了详细研究,提出了收敛系数的自适应确定方法,提高了计算效率,为FSM提供了一种新的行之有效的电磁参数计算方法; 4、提出了一种适用于FSM的动态性能计算方法——基于改进的前进欧拉公式的动态性能计算方法。针对FSM动态性能计算中的微分反演困难,紧贴FSM非线性变结构的特点,利用矩阵变换重新构建了FSM的状态方程,采用了改进的前进欧拉公式数值求解FSM的变系数偏微分方程,克服了FSM由于非线性强耦合特性导致的性能计算困难和动态性能求解过程中由于微分系数较多而导致的求解过程复杂和耗时长的困难,在此基础上进行了FSM的动态性能计算,并与经典四阶龙格库塔法和时步有限元法的计算结果和计算速度进行对比验证,为FSM动态性能计算和设计提供了一条新的途径; 5、对FSM的起动性能进行了分析研究。FSM独特的定转子极数配合使得进行电机设计时必须对其起动问题特别考虑。本文研究了不同结构对FSM起动死区的影响,对各种改善FSM起动性能的结构和方法进行了综合比较,并综合各种因素给出了解决FSM起动问题的方案; 6、建立了FSM电机的通用输出功率尺寸方程,给出了FSM电机的定转子铁心长度和绕组匝数的确定方法和性能计算方法,设计了FSM的专用光电位置检测装置,并进行了样机设计和试制;设计开发了FSM的功率逆变电路和专用配套控制电路,在不同控制方式下对FSM进行了样机运行试验,通过试验研究了FSM样机的性能; 7、深入全面的研究了永磁型磁通切换型磁阻电机(Permanent Magnet Flux Switching Motor, PMFSM)的定位转矩问题。PMFSM电机的本体结构、工作原理到设计理念均与传统永磁电机有着根本不同,其定位转矩产生的机理、特点、变化规律以及相应的削弱措施都与传统永磁电机有很大差异,但目前尚没有对PMFSM定位转矩的任何相关研究。本文建立了一套适用于双凸极电机定位转矩的解析分析理论,推导了与电机结构参数直接相关的PMFSM定位转矩解析表达式,紧贴PMFSM的结构特点和运行特点,给出了具有实际工程指导意义的削弱PMFSM定位转矩的解决方案; 8、提出并研究了一种新型的磁通切换型磁阻电机——混合励磁磁通切换型磁阻电机。电励磁FSM运行时励磁电流较大,励磁绕组损耗较大,限制了效率的进一步提高,而PMFSM由于永磁磁动势不可调,电动运行时调速困难,发电运行时调压困难而且无法进行故障灭磁。针对现有的磁通切换型磁阻电机性能上存在的不足,提出了一种混合励磁磁通切换型磁阻电机,采用特殊的方式在定子上放置励磁绕组和永磁体,二者共同建立气隙磁场,可通过调节励磁电流拓宽调速范围,性能上兼有电励磁和永磁型两种类型的优点,克服了电励磁FSM励磁容量大和PMFSM调速范围窄的不足。 本课题采用理论分析、仿真计算和试验研究三条主线相结合的手段,研究内容涉及磁通切换型磁阻电机的理论分析、电磁参数计算、动态仿真、性能计算、电机设计和试验研究等各个方面,不仅涵盖了现有磁通切换型磁阻电机的所有类型,而且提出了一种新型的混合励磁磁通切换型磁阻电机,在一定程度上丰富了FSM的类型,为磁通切换型磁阻电机系统的研究开辟了一个新的方向。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TM351

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 童怀;开关磁阻电机等效磁网络模型的降阶处理方案[J];电工技术学报;2000年01期
2 杨玉波,王秀和,陈谢杰,冀溥;基于不等槽口宽配合的永磁电动机齿槽转矩削弱方法[J];电工技术学报;2005年03期
3 李永斌,龚宇,江建中;双凸极永磁电机斜极转子设计和绕组换流模式研究[J];电工技术学报;2005年07期
4 花为;程明;D.Howe;;新型两相磁通切换型双凸极永磁电机的静态特性研究(英文)[J];电工技术学报;2006年06期
5 杨玉波;王秀和;张鑫;贺广富;;磁极偏移削弱永磁电机齿槽转矩方法[J];电工技术学报;2006年10期
6 花为;程明;;新型三相磁通切换型双凸极永磁电机电感特性分析(英文)[J];电工技术学报;2007年11期
7 王蕾;李光友;张强;;磁通反向电机的变网络等效磁路模型[J];电工技术学报;2008年08期
8 张建忠;程明;朱孝勇;赵文祥;花为;;新型整距绕组双凸极永磁电机工作原理及特性[J];电工技术学报;2009年02期
9 樊小明,经亚枝,张焕春,毛良明;开关磁阻电机的一种无位置检测器方案的研究[J];电工技术学报;1997年06期
10 严登俊,刘瑞芳,胡敏强,李训铭;鼠笼异步电机起动性能的时步有限元计算[J];电机与控制学报;2003年03期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 秦海鸿;混合励磁双凸极电机基本性能研究[D];南京航空航天大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 费伟中;三相永磁开关磁链电机的研究[D];浙江大学;2006年
2 刘士勇;磁通开关电机的设计与控制[D];山东大学;2008年
3 方宗喜;新型永磁开关磁链起发电机的研究[D];浙江大学;2008年
4 巩源泉;磁通开关发电机系统研究[D];山东大学;2009年
【共引文献】
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1 佘艳;;基于TC787的三相桥式全控整流电路实验装置的研制[J];安徽电气工程职业技术学院学报;2009年03期
2 朱久运;吴迺陵;;金属探测门的探测部分设计[J];安防科技;2006年12期
3 李异球;;基于嵌入式WEB的电视播出监控系统[J];安防科技;2008年12期
4 赵涛,徐圣林;全桥PWM步进电机微步距驱动器A3955S[J];安徽大学学报(自然科学版);2003年02期
5 姜久超;刘暐;孙士尉;;基于PIC16F877A的温室模糊温湿控制器研究[J];安徽农业科学;2010年01期
6 翟光荣;;交流电机的定子绕组展开图分析[J];安徽水利水电职业技术学院学报;2001年00期
7 张海琼;;基于嵌入式技术的校园远程监控系统[J];安徽水利水电职业技术学院学报;2007年04期
8 王晓侃;贾利军;;基于PSCAD/EMTDC的异步电动机定子绕组两相故障仿真[J];安阳工学院学报;2011年02期
9 刘爱元,卢建华,张旭;0-147M6机载电子装置的国产化设计[J];半导体技术;2001年08期
10 褚海英;范瑜;;用于地铁机车的飞轮电池磁悬浮控制系统的设计[J];北京交通大学学报;2007年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王应海;张好明;丁慎平;;永磁同步电动机负载转矩观测器数字化实现研究[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
2 薛玉春;萩原一郎;张义民;;混合动力电动汽车的振动建模与仿真研究[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
3 项倩雯;孙玉坤;张新华;;基于SVM-GA的磁悬浮开关磁阻电机优化设计[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年
4 高洁;孙鹤旭;董砚;何林;;开关磁阻电机RBF神经网络滑模控制器的设计与转矩脉动优化的研究[A];中国自动化学会控制理论专业委员会D卷[C];2011年
5 苑舜;徐家贺;于力;;大容量真空断路器永磁操动机构的研究[A];创新沈阳文集(A)[C];2009年
6 刘宝林;;基于MATLAB的500kV自耦变压器建模及仿真分析[A];2011年云南电力技术论坛论文集(入选部分)[C];2011年
7 陈新然;孙力;金鹏;;驱动电机工作点对电动汽车动力特性影响的研究[A];2011中国电工技术学会学术年会论文集[C];2011年
8 肖如晶;杨向宇;林清华;;新型双转子永磁同步电机的仿真与特性分析[A];2011中国电工技术学会学术年会论文集[C];2011年
9 翁永刚;;改进的FCG软件试验数据处理方法[A];第七届全国MTS材料试验学术会议论文集(一)[C];2007年
10 赵科义;李治源;;电磁领域的得力助手——电磁场有限元分析软件Maxwell[A];第五届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2009年
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1 许爱德;开关磁阻电机在船舶电力推进中的应用研究[D];大连海事大学;2010年
2 雷金;洛仑兹平面电机的结构动态特性研究[D];华中科技大学;2010年
3 王晋;多相永磁电机的理论分析及其控制研究[D];华中科技大学;2010年
4 戈晓岚;SiC_p/Al复合材料摩擦学特性及其分形研究[D];江苏大学;2010年
5 赵云;大功率调制气流声源的数值模拟与实验研究[D];国防科学技术大学;2010年
6 刘向东;24kV永磁机构真空断路器关键技术研究[D];沈阳工业大学;2010年
7 安忠良;模块式变速恒压混合励磁风力发电机设计研究[D];沈阳工业大学;2011年
8 李皓玉;车辆与路面相互作用下路面结构动力学研究[D];北京交通大学;2011年
9 王松;永磁同步电机的参数辨识及控制策略研究[D];北京交通大学;2011年
10 杨光源;运动导体涡流电磁问题的径向基点配置型无单元算法研究[D];华中科技大学;2011年
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1 王旭强;圆筒型永磁直线同步电机电磁性能及温度场研究[D];河南理工大学;2010年
2 秦臻;7.5KW开关磁阻电动机调速系统设计[D];山东科技大学;2010年
3 苏静;短路限流器在矿山供电系统中的应用研究[D];山东科技大学;2010年
4 陈洋;在线式瓦斯监测系统[D];山东科技大学;2010年
5 李国一;自动杀青理条机传动机构的创新设计与动态仿真[D];浙江理工大学;2010年
6 张振;基于无线传感器网络的粮仓监控系统研究[D];郑州大学;2010年
7 段志峰;具有最佳预测的多通道水质监测仪系统设计[D];郑州大学;2010年
8 赵俊波;取料系统起动特性及速度稳定性的理论分析和试验研究[D];郑州大学;2010年
9 范波;多途信道下的水下目标模拟器显控软件设计[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 曹和平;增压锅炉过热器动态性能仿真研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
【二级参考文献】
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1 宋吉江,牛轶霞;锁相环技术及CD4046的结构和应用[J];半导体技术;2000年03期
2 江萍,齐志才,李明,程琳琳;基于FACTS的无功功率补偿技术[J];长春理工大学学报;2004年03期
3 薛向党;黎家玲;;开关磁阻电动机角度最佳控制的研究方法与数值仿真[J];电工技术学报;1992年02期
4 程明,周鹗,蒋全;双凸极变速永磁电机的静态特性[J];电工技术学报;1999年05期
5 童怀;开关磁阻电机等效磁网络模型的降阶处理方案[J];电工技术学报;2000年01期
6 郑洪涛,蔡际令,蒋静坪;基于变结构模糊神经网络的开关磁阻电动机非线性模型[J];电工技术学报;2001年06期
7 孙强,程明,周鹗,胡敏强;双凸极永磁电动机转矩脉动分析[J];电工技术学报;2002年05期
8 王莉,宋晓峰,孟小利,严仰光;用支持矢量机建立电励磁双凸极发电机的非线性模型[J];电工技术学报;2004年09期
9 李永斌,龚宇,江建中;双凸极永磁电机斜极转子设计和绕组换流模式研究[J];电工技术学报;2005年07期
10 王莉,孟小利,曹小庆,严仰光;气隙对双凸极电励磁发电机特性的影响分析[J];电工技术学报;2005年09期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 严岚;永磁无刷直流电机弱磁技术研究[D];浙江大学;2005年
2 李永斌;定子双馈双凸极永磁电机及其控制系统研究[D];上海大学;2004年
3 胡勤丰;永磁式双凸极电机稳态特性研究[D];南京航空航天大学;2005年
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1 韦海荣;电励磁式双凸极电机调速系统研究[D];南京航空航天大学;2002年
2 王川云;双凸极无刷直流起动发电系统起动控制的研究与实现[D];南京航空航天大学;2002年
3 相蓉;基于DSP的电励磁双凸极电机调速系统数字控制技术研究[D];南京航空航天大学;2003年
4 申宁;耐高温混合式步进电动机及其驱动系统研究[D];山东大学;2007年
5 裘昌利;磁浮列车用直线感应电机的Maxwell 2D仿真及实验研究[D];国防科学技术大学;2006年
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1 陶醒世;磁阻转矩与磁阻电机[J];华中科技大学学报(自然科学版);1978年03期
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3 张勇,邵可然,詹琼华;磁阻电机按转子位置定向的矢量控制[J];微特电机;2003年06期
4 常青,路忠保,侯修兵;开关磁阻电机调速系统在煤矿的应用[J];煤;2004年05期
5 顾仲圻;周鹗;;新型磁阻电机结构参数对性能的影响[J];东南大学学报(自然科学版);1985年01期
6 张凤阁,王凤翔,白山;双馈磁阻电机的运行原理与调速特性[J];微特电机;1995年02期
7 王凤翔,张凤阁;定子双馈磁阻电机的气隙磁场分析与设计特点[J];电工技术学报;1996年03期
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9 程明;周鹗;;复合实心转子磁阻电机转子阻抗的解析计算[J];电工技术学报;1991年04期
10 柴春蕾;林辉;;开关磁阻电机驱动新型功率变换器分析与设计[J];电力电子技术;2007年09期
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1 杨涛;李忠杰;张志全;;以减小转矩脉动为目标的小功率开关磁阻电机的模糊控制[A];第七届中国小电机技术研讨会论文集[C];2002年
2 刘迪吉;;开关磁阻电机发展综述[A];电气技术发展综述[C];2004年
3 周杨;王峰;;FSM——基于子图同构和结构同构的频繁子图挖掘算法[A];第二十四届中国数据库学术会议论文集(研究报告篇)[C];2007年
4 陈乾;张杭;;一种简单的主备切换协议的设计和验证[A];江苏省通信学会2004年学术年会论文集[C];2004年
5 金鑫;居秀丽;陈昊;;直线式开关磁阻电动机系统[A];江苏省能源研究会成立二十周年纪念暨第十届学术年会热电专委会第十二届年会暨学术报告会论文集[C];2004年
6 黄洪;胥琳;叶枫;;新的对象概念与系统分析方法研究[A];管理科学与系统科学研究新进展——第8届全国青年管理科学与系统科学学术会议论文集[C];2005年
7 邹花蕾;刁小燕;朱熀秋;李天博;诸德宏;;基于支持向量机逆系统的无轴承同步磁阻电机解耦控制[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
8 ;Nonlinear State Estimation in Mobile Robot Using Fuzzy Set Membership Filter[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
9 方羿;孙玉坤;;无位置传感器开关磁阻电机位置检测的研究[A];第11届全国电气自动化电控系统学术年会论文集[C];2002年
10 邵梅;王玉斌;马争先;钟艳如;;Ad hoc网络AODV协议的形式化分析与仿真[A];广西计算机学会2010年学术年会论文集[C];2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 周建斌;山西天海泵业以科技促转型[N];中国工业报;2010年
2 张小明;电动汽车:结构性调整的切入点[N];经理日报;2003年
3 记者 苏娟;我国自主研发混合动力汽车实现商用[N];中国知识产权报;2005年
4 江苏大学 朱熀秋 瑞士苏黎世联邦工学院 J.Hugel;无轴承电机研究和应用前景[N];科技日报;2004年
5 本报记者 雷李平;毛利率虚高 正海磁材“863计划”项目成谜[N];21世纪经济报道;2011年
6 李运;英国实行单一金融监管[N];中国城乡金融报;2002年
7 记者 王贺 通讯员 王德朝;28家棉企年降耗3000吨标煤[N];德州日报;2010年
8 吴世湘;亚洲光纤连接器工业潜力巨大[N];中国电子报;2000年
9 王逸;税收战略管理论坛[N];中国税务报;2002年
10 人行上海分行 丛阳;英国防范洗钱犯罪法规概述[N];上海金融报;2001年
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1 王道涵;新型磁通切换型磁阻电机系统的分析、设计与控制研究[D];山东大学;2010年
2 徐强;平动式啮合电机的结构设计与基本特性研究[D];北京邮电大学;2008年
3 李瑞华;双转子平动式啮合电机设计与特性分析[D];北京邮电大学;2010年
4 刘攀;基于FSM的测试用例生成和测试优化[D];上海大学;2011年
5 郑黎明;并网风力发电机组的转矩控制研究[D];华南理工大学;2009年
6 张静;水平连续铸造Al-Si合金组织及其控制研究[D];山东大学;2011年
7 宋波;Web应用交互的建模和测试用例生成[D];上海大学;2010年
8 计春雷;全功能点方法和功能规模度量统一模型的研究与应用[D];华东理工大学;2011年
9 刘源;可重构星载计算机体系结构与容错技术研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
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1 朱晗;磁通反向电动机的设计与分析[D];山东大学;2011年
2 赵振卫;磁通反向永磁电机的研究[D];山东大学;2010年
3 李陶波;新型双凸极永磁风力发电机的设计[D];山东大学;2011年
4 李松;新型三相径向驱动式啮合电机结构设计与仿真[D];北京邮电大学;2011年
5 王景萍;低速磁阻电动机动态特性理论分析与有限元仿真[D];华北电力大学(北京);2011年
6 朱志伟;基于有限状态机的体育视频比赛类型识别[D];吉林大学;2006年
7 苗志锋;基于有限状态机的IP协议研究[D];兰州理工大学;2005年
8 李宏生;嵌入式CTI智能语音交换机软件的设计与实现[D];北京邮电大学;2006年
9 李文琦;高性能Memory BIST设计实例[D];上海交通大学;2007年
10 黄晓玲;基于GUI软件的测试自动化框架的研究与应用[D];合肥工业大学;2008年
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