无轴承开关磁阻电机的电磁基础研究

【摘要】：无轴承开关磁阻电机(BSRM)是利用磁轴承与电机结构的相似性,将磁轴承中的悬浮绕组叠绕在原开关磁阻电机(SRM)定子上,通过电力电子和微机控制使其同时具备驱动和磁悬浮支撑功能的一种新型磁悬浮电机。BSRM不仅拓宽了无轴承电机的理论和应用范围,继承和发挥了SRM的高速特性及其对恶劣环境的适应性,而且还有望通过对转子径向位置的主动控制以改善因不对称磁拉力造成的振动和噪声问题。 本文以BSRM和全周期无轴承开关磁阻发电机(BSRG)为研究对象,着重研究两种电机的电磁特性和本体设计。简单介绍了BSRM的运行原理及其数学模型的推导过程。以12/8结构的BSRM为例,分别建立了其二维和三维有限元模型,系统研究了其电磁特性(包括磁场分布、电感、转矩和悬浮力)。重点研究了BSRM的电感特性,推导了增强型能量增量法求解BSRM电感的计算公式,并提出了一种新型拟合方法对电感进行数值拟合。在此基础上,研究了主、悬浮绕组磁动势、转子径向偏心和端部效应对BSRM电磁特性的影响;并研究了双标量磁位法(DSMP)、矢量磁位法(MVP)和棱边有限元法(EFE)等三种三维有限元法在求解类如BSRM这种具有高度非线性磁场的计算精度。 在简单分析SRM本体设计的基础上,研究了BSRM本体设计的关键技术。分析了转矩和悬浮力随定、转子极弧的变化关系。针对BSRM现有数学模型对定、转子极弧的限制,推导了包含定、转子极弧这两个变量的通用数学模型。提出了BSRM绕组结构优化设计的方法,基于不同的优化目标,分别提出了其单相绕组和三相绕组最优结构形式。结合BSRM的运行特点,把主、悬浮绕组电流等效为方波形式,推导了其主体尺寸计算公式和径向悬浮力设计公式。在分析主、悬浮绕组磁动势组合对转矩和悬浮力的影响基础上,提出了基于绕组峰值电流计算绕组匝数的方法。通过一台BSRM实验样机的设计,验证了本文提出设计方法的正确性。 分析了BSRM的方波、最小磁势和平均悬浮力等三种控制策略及每种策略求解超前角和绕组电流的计算方法。利用瞬态场计算得到了三种控制策略下BSRM的磁场,研究发现,控制策略的不同和负载状况的变化均影响BSRM磁场特性。采用双频法把BSRM铁心损耗分离为涡流损耗和磁滞损耗,进而研究了三种控制策略对BSRM铁心损耗的影响。中低速时,三种控制策略下铁心损耗相差不大,最小磁势和平均悬浮力控制策略的铁心损耗均小于方波控制策略。高速时,最小磁势控制策略的损耗明显低于两种控制策略,随着转速的升高,损耗相差越大,最小磁势控制策略优势越明显。 最后,研究了全周期BSRG的电磁基础。在阐述全周期BSRG悬浮原理和发电机理的基础上,推导了全周期BSRG的数学模型,该模型可考虑相内各悬浮绕组间的耦合,模型精度高。研究了全周期BSRG的本体设计方法,提出了其最优绕组结构形式,推导了其主体尺寸计算公式和径向悬浮力设计公式,并以此设计了一台适用于全周期发电技术的实验样机。