新型雙繞組磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)研究.pdf

1、磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有磁軸承電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，并且還兼有軸向利用率高、體積小和功耗低的特點(diǎn)。作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，可以將無(wú)軸承技術(shù)與開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，克服傳統(tǒng)機(jī)械支承方式的機(jī)械磨損和摩擦損耗，同時(shí)發(fā)電電流為直流脈動(dòng)電流，在電動(dòng)汽車(chē)、電力工程等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，尤其適用于可再生能源的動(dòng)量補(bǔ)償，峰值調(diào)節(jié)和負(fù)載平衡，具有重要的研究意義。然而傳統(tǒng)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)，懸浮繞組與主繞組之間存在復(fù)雜的非線(xiàn)性強(qiáng)耦合關(guān)系，并且傳統(tǒng)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

2、的發(fā)電運(yùn)行方式為周期性分時(shí)發(fā)電模式，主繞組僅在負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)間內(nèi)向外輸出電能，發(fā)電功率密度較低，這些已經(jīng)成為制約其發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。因此，研究一種能克服上述問(wèn)題的新型磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，并對(duì)其驅(qū)動(dòng)控制算法和高速數(shù)字系統(tǒng)等進(jìn)行研究是非常有必要的。
　　本文提出一種新型的雙繞組磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，針對(duì)其工作原理、電機(jī)基本參數(shù)設(shè)計(jì)、有限元分析、徑向力及繞組電壓數(shù)學(xué)模型、懸浮及發(fā)電系統(tǒng)控制算法、轉(zhuǎn)子徑向位移自檢測(cè)、以及高速數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等一

3、系列關(guān)鍵理論和技術(shù)問(wèn)題，在國(guó)家自然科學(xué)基金(60774044，61074019)和江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃(CXZZ11_0571)等項(xiàng)目的支持下，開(kāi)展了本課題的研究。將磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)技術(shù)與雙繞組發(fā)電機(jī)技術(shù)相結(jié)合，由懸浮極的懸浮力繞組提供懸浮力，由發(fā)電極的激勵(lì)繞組提供勵(lì)磁，由發(fā)電極的發(fā)電繞組向外輸出發(fā)電電壓，顯著減弱懸浮和發(fā)電系統(tǒng)之間的耦合影響，并且發(fā)電繞組在整個(gè)周期內(nèi)均向外輸出電能，發(fā)電功率密度較高。論文主要研究工作如下：

4、
　　(1)利用Ansoft/Maxwell-2D建立了該新型雙繞組磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的有限元模型，分析了其磁場(chǎng)特性，闡述了運(yùn)行原理，并進(jìn)行了基本參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　(2)考慮磁飽和影響，建立了徑向懸浮力和發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)對(duì)相同參數(shù)樣機(jī)進(jìn)行Ansoft有限元分析計(jì)算，驗(yàn)證了模型的正確性。
　　(3)研究了懸浮力繞組電流以及激勵(lì)繞組電流的控制算法，為徑向懸浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)了魯棒PID控制器，以克服外力擾動(dòng)、系統(tǒng)參數(shù)攝

5、動(dòng)，以及激勵(lì)、發(fā)電電流對(duì)懸浮力的干擾，增強(qiáng)轉(zhuǎn)子懸浮的魯棒性和穩(wěn)定性。
　　(4)結(jié)合FPGA自身特點(diǎn)完成復(fù)雜的控制信號(hào)組合邏輯，與DSP主控制器單元、信號(hào)檢測(cè)電路、以及外圍硬件接口電路共同構(gòu)成磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)高速數(shù)字控制系統(tǒng)，并且為懸浮力繞組、激勵(lì)繞組和發(fā)電繞組設(shè)計(jì)了功率變換器。
　　(5)基于高頻注入檢測(cè)方法的原理，研究了該新型雙繞組磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的無(wú)位移傳感器運(yùn)行方法，構(gòu)建了徑向位移自檢測(cè)系統(tǒng)。
　　可以取得

6、的有益效果如下：
　　(1)電機(jī)定子凸極依次間隔設(shè)置為懸浮極和發(fā)電極，懸浮繞組單獨(dú)繞制在懸浮極上，激勵(lì)繞組和發(fā)電繞組同時(shí)繞制在發(fā)電極上，結(jié)構(gòu)清晰，功能明確，便于維護(hù)和控制。
　　(2)有效減小了懸浮繞組和發(fā)電繞組之間的互感，削弱了懸浮極與發(fā)電極之間的耦合影響，解決了傳統(tǒng)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)內(nèi)懸浮和發(fā)電系統(tǒng)間的強(qiáng)耦合問(wèn)題。
　　(3)徑向懸浮力不隨轉(zhuǎn)子位置角改變，克服了傳統(tǒng)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)定轉(zhuǎn)子不對(duì)齊位置處不能有效產(chǎn)生

7、懸浮力的問(wèn)題，增強(qiáng)了電機(jī)的徑向負(fù)載能力，改善了電機(jī)的懸浮性能。
　　(4)在轉(zhuǎn)子極與發(fā)電極定子部分對(duì)齊位置期間，發(fā)電繞組磁鏈不存在平坦區(qū)域，通過(guò)合適的控制方法，發(fā)電繞組在全工作周期均可向外以整流形式輸出電能，提高了發(fā)電功率密度，且輸出電壓調(diào)節(jié)方便。
　　(5)將建模機(jī)理、有限元分析和仿真數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合，建立了對(duì)線(xiàn)性、飽和磁路以及不同轉(zhuǎn)子偏心度均適用的數(shù)學(xué)模型，可以彌補(bǔ)現(xiàn)有基于無(wú)磁飽和假設(shè)的各種建模方法不適用磁飽和工況的缺陷，并

8、且可以為電機(jī)的運(yùn)行特性分析、本體優(yōu)化設(shè)計(jì)以及控制策略研究提供更準(zhǔn)確的理論依據(jù)。
　　(6)采用偏心自傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子位移觀(guān)測(cè)器，可以克服傳統(tǒng)的位移傳感器靈敏度容易受溫度、電磁噪聲干擾等問(wèn)題，能縮小電機(jī)尺寸和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，降低總體成本，提高系統(tǒng)的可靠性。
　　(7)依據(jù)已建立的較精確的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了懸浮力繞組電流以及激勵(lì)繞組電流的控制算法，并且為徑向懸浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)了魯棒PID控制器，可以克服外力擾動(dòng)、系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)，以及激勵(lì)、