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12/8极无轴承开关磁阻电机的研究

曹鑫  
【摘要】:开关磁阻电机(SRM)由于其双凸极结构的简单坚固的优点,以及恶劣工况下的良好运行特性,引起了学界和业界的广泛关注。将磁悬浮技术中的无轴承技术引入SRM中,可充分发挥SRM的高速适应性。同时,通过对定、转子间不对称径向力的主动控制,有望改善SRM固有的振动和噪声问题。作为美国未来多电/全电飞机电源系统的首选方案,高速开关磁阻起动/发电机系统已引起各国学者的密切关注,而无轴承开关磁阻起动/发电机的研究也将为具有磁悬浮功能的未来多电/全电航空发动机的发展提供必要的技术储备。此外,无轴承技术的应用也为开关磁阻发电机(SRG)在分布式发电系统、不间断电源(UPS)和可再生能源发电的飞轮储能系统、以及电动/混合动力汽车等领域的应用创造了条件。 针对起动/发电机系统的两项关键技术,本文主要研究无轴承开关磁阻电动机(BSRM)的实现方案和无轴承开关磁阻发电机(BSRG)的运行理论与实现。 基于双绕组BSRM,分别研究其麦克斯韦应力法建模、双绕组的分配设计方法、以及平均转矩和径向悬浮力独立控制策略。首先,从麦克斯韦应力法角度建立瞬时转矩和径向悬浮力的数学公式,为电流控制算法的设计提供理论依据。该方法避免了电感矩阵推导的繁琐过程,同时考虑了电机的磁饱和问题,能够为电机的本体设计和运行特性的离线分析提供理论参考。其次,研究了两套绕组安匝数随悬浮力和转矩变化的基本规律,为两套绕组的分配提供设计依据。最后,提出了平均转矩和径向悬浮力的独立控制策略。该方法简化了电机驱动和悬浮的控制算法,避免了平均转矩和径向悬浮力的耦合控制,减小了转矩脉动。 但是,双绕组无轴承电机为了实现磁悬浮功能,增加了一套悬浮绕组,这增加了电机设计和装配时的复杂性。为此,研究了BSRM的单绕组悬浮技术。在建立径向悬浮力模型的基础上,提出了电动悬浮控制策略,并通过实验实现了BSRM的单绕组悬浮运行。单绕组BSRM的研究丰富了无轴承电机的研究理论,为BSRM的应用提供了新途径。所提出的控制策略简单、易实现,有利于其更好地工业化应用。 将磁悬浮功能与发电机技术相结合,提出了BSRG的全周期发电运行方式。“全周期”的概念是针对传统SRG的“后半周期”发电的概念提出的。在BSRG全周期发电运行时,发电绕组在整个导通周期内均能向负载输出电能,因而称之为“全周期发电”。在探析BSRG全周期发电运行的基本理论后,建立了其电感模型和径向悬浮力模型。同时,基于两套绕组的电压平衡方程组,推导了励磁电流和发电电流的分段解析式,分析了机电能量转换过程。基于径向悬浮力模型,提出了BSRG的悬浮力控制算法,该算法实现了输出电压和径向悬浮力的协调控制。最后,通过仿真和实验验证了BSRG全周期发电运行方式的可行性和控制方法的有效性,实现了BSRG在发电状态下的稳定悬浮。


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