飛輪電池用五自由度單繞組磁懸浮開關磁阻電機參數(shù)設計及運行控制.pdf

1、隨著新能源發(fā)電、分布式電源系統(tǒng)、混合動力車輛、航空航天等領域的發(fā)展，儲能技術已成為世界性的研究課題。眾多儲能技術中，飛輪電池以功率大、效率高、壽命長、儲能密度大、清潔無污染等優(yōu)點受到國內(nèi)外的高度重視。作為一種集機械、控制、電子等技術于一體的新型儲能裝備，飛輪電池目前還存在諸多制約其工程化應用的技術難題，主要表現(xiàn)于懸浮支承系統(tǒng)、集成式高速/超高速電機的性能與控制等。為減小支承損耗，飛輪電池通常采用多個磁懸浮軸承支承，增加了飛輪軸向長度，降

2、低了臨界轉速，同時也導致飛輪電池結構復雜、體積龐大。為此，論文提出一種以單繞組磁懸浮開關磁阻電機為核心部件的飛輪電池用五自由度磁懸浮支承與傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)了懸浮支承系統(tǒng)與驅(qū)動電機的統(tǒng)一，大大縮短了飛輪轉子軸向長度，提高了臨界轉速、功率密度與系統(tǒng)集成度，進一步減小了支承損耗，在高速低損飛輪電池領域具有重大的研究與應用價值。
　　 在國家自然科學基金(61074019，60774044)與江蘇省高?！扒嗨{工程”科技創(chuàng)新團隊等項目的資助

3、下，論文以實現(xiàn)飛輪電池用五自由度磁懸浮電機的高速、低損耗運行為目標，圍繞五自由度單繞組磁懸浮開關磁阻電機支承與傳動的飛輪電池結構、低損耗永磁偏置軸向—徑向混合磁懸浮軸承優(yōu)化設計、單繞組磁懸浮開關磁阻電機優(yōu)化設計與高速運行控制策略、五自由度磁懸浮電機的數(shù)字控制系統(tǒng)等關鍵技術開展研究。主要研究內(nèi)容與成果概略如下:
　　 (1)研究提出一種飛輪電池用五自由度磁懸浮電機支承與傳動系統(tǒng)結構。在分析飛輪電池動、靜載荷的基礎上，以降低支承損耗

4、、提高支承力可控性為目標，研究確定了飛輪電池五自由度磁懸浮支承與傳動系統(tǒng)結構方案;分析了相同功率下單繞組磁懸浮開關磁阻電機與雙繞組磁懸浮開關磁阻電機的懸浮力、轉矩、效率與功率密度特性，給出了磁懸浮開關磁阻電機的選型方法。
　　 (2)提出低損耗永磁偏置軸向—徑向混合磁懸浮軸承的優(yōu)化設計方法。基于旋轉磁場理論，通過減小轉子鐵心磁場波動頻率以降低轉子鐵心損耗，設計了低損耗的永磁偏置軸向—徑向混合磁懸浮軸承結構;分析了軸向與徑向氣隙處

5、的磁力線分布特性，構建了軸向與徑向承載力的數(shù)學模型，獲得軸向、徑向位移剛度與電流剛度;利用等效磁路法，研究了磁極面積、控制線圈匝數(shù)、定轉子結構等參數(shù)的設計方法;建立了轉子鐵心損耗計算模型，驗證了混合磁軸承高速運行時的低損特性。
　　 (3)提出基于相關向量機與粒子群優(yōu)化的單繞組磁懸浮開關磁阻電機關鍵參數(shù)優(yōu)化設計方法。建立了電機主體尺寸計算模型，以提高電機出力、減小相間耦合為目標，研究了繞組結構優(yōu)化設計方法;分析飛輪電池對電機懸浮

6、力、轉矩、效率與功率密度等性能參數(shù)的要求，研究了結構參數(shù)對性能參數(shù)的敏感度，獲取影響電機性能的主要結構參數(shù);建立電機性能的多目標優(yōu)化函數(shù)，研究基于基值與權重因子的統(tǒng)一目標函數(shù)構建方法;構建了主要參數(shù)與統(tǒng)一目標函數(shù)的相關向量機非參數(shù)模型，研究了基于粒子群的電機參數(shù)優(yōu)化設計算法;開展了相關的仿真與試驗研究，驗證了設計方法的正確性。
　　 (4)提出單繞組磁懸浮開關磁阻電機的雙相導通高速解耦控制策略。分析了懸浮力與轉矩的有效產(chǎn)生區(qū)間，

7、研究了懸浮相與旋轉相的繞組電流分配方法，提出了懸浮力與轉矩分相產(chǎn)生的雙相導通高速解耦策略;優(yōu)化計算了懸浮相電流轉矩分量與旋轉相關斷角，有效減小了轉矩脈動，提高了瞬時懸浮力的響應速度;開展了相關的仿真試驗研究，驗證了控制策略的正確性。
　　 (5)提出了基于自適應相關向量機的單繞組磁懸浮開關磁阻電機轉子徑向位移自檢測策略與方法。針對電機高速運行狀態(tài)下飽和程度高、數(shù)據(jù)樣本頻帶寬的特點，以磁鏈、電流與轉角為輸入，以徑向位移為輸出，研究

8、提出高斯核函數(shù)寬度自適應調(diào)節(jié)的相關向量機算法，建立了位移參量的自適應相關向量機預測模型;仿真結果表明，該策略的實時性與預測精度均較好地滿足電機高速懸浮運行的需要。
　　 (6)構建了DSP與FPGA復合結構的飛輪電池用五自由度單繞組磁懸浮開關磁阻電機高速數(shù)字控制系統(tǒng)。分析了五自由度磁懸浮電機對數(shù)字控制系統(tǒng)的性能要求，研究檢測與控制算法的分配、規(guī)劃以及在DSP與FPGA的實現(xiàn)策略與方法;設計了相關的功率變換、轉子位置與位移信號檢測