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开关磁阻电机的减振降噪和低转矩脉动研究

孙剑波  
【摘要】:开关磁阻电机(SR 电机)驱动系统(SRD)是一种先进的机电一体化装置,但是其较大的振动噪声和转矩脉动问题制约了SRD 的广泛应用。本文以减小SR 电机振动噪声和转矩脉动为主题展开理论分析和实验研究。主要内容有: 由于径向力引起的定子径向振动是SR 电机噪声的主要根源,因此径向力的分析和计算是研究SR 电机振动噪声的基础。本文利用磁通管法推导出径向力的解析表达式,定性分析了径向力与电机结构参数等之间的关系。 根据虚位移原理,推导出基于矢量磁势的电磁力计算公式。该计算方法求解电磁力时只需进行一次磁场计算,不但减小了计算量,同时计算精度较传统虚位移法高。利用这一计算方法,求出了实验样机的转矩及径向力的精确数值解。 针对在SRD 性能仿真时,传统的非线性插值不但耗时,而且对有限元计算数据量要求高的问题,本文利用人工神经网络强大的非线性模型辨识能力,成功进行了SR电机磁链反演和转矩计算的模型训练,最后建立了基于人工神经网络的SR 电机精确解析数学模型。 因为SR 电机本体结构形式的选择问题与振动噪声大小有着密切的关系。本文从噪声辐射和振动幅值角度探讨了SR 电机主要尺寸的确定; 接着从对称性、力波阶数等角度研究了SR 电机相数及绕组连接方式、极数、并联支路数的选择问题。并对一些常用的降低电机机械噪声的措施和方法进行了综述。 系统振动特性的研究对于减小振动噪声十分重要。本文从振动系统的运动方程出发,导出了从激振力到振动加速度的传递函数和系统的自由振动解; 然后利用机电类比法得出了SR 电机定子系统的固有频率以及振动振幅的解析解,定性分析了影响振动振幅的各种因素; 最后利用基于能量法的有限元解法,通过建立不同的散热筋结构形式、高度、根数以及形状的SR 电机三维有限元模型,分析得出了最有利于降噪和散热的散热筋结构是高度高、根数多、上窄下宽的梯形截面的周向散热筋的结论。通过建立不同绕组装配工艺下的SR 电机三维有限元模型,分析得出了加强绕组刚度可以提高系统低阶固有频率的结论。通过比较实验样机的模态分析结果和运行实验结果,证实了模态分析的有效性。 仿真是计算SRD 系统性能和预估电机振动的有效手段。本文在用MATLAB 建立SRD 系统的非线性动态仿真模型的基础上,对SRD 系统进行了稳态性能仿真、动态性能仿真以及负载突变仿真。接着利用稳态性能仿真,综合考虑最大平均转矩和效率这两个优化目标,对SR 电机的开关角进行了优化。最后结合由磁场有限元计算得到的径向力数据表和稳态性能仿真,通过非线性插值得到径向力的波形,然后对径向力波形进行了频谱分析,从而找到其主要的谐波分量。在电机设计阶段避免径向力波主要频谱分量与SR 电机定子的固有频率接近而引起共振是降低SR 电机噪声的首要条件。 合适的控制策略对于SR 电机减振降噪是必不可少的。本文理论推导出三步换相法的时间参数取值公式。仿真证明本取值公式较原先文献的结论在阻尼比较小时有更


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