新型雙繞組磁懸浮開關磁阻發(fā)電機及其控制系統(tǒng)研究.pdf

1、磁懸浮開關磁阻電機具有磁軸承電機的優(yōu)點，并且還兼有軸向利用率高、體積小和功耗低的特點。作為發(fā)電機運行時，可以將無軸承技術與開關磁阻發(fā)電機技術結合起來，克服傳統(tǒng)機械支承方式的機械磨損和摩擦損耗，同時發(fā)電電流為直流脈動電流，在電動汽車、電力工程等領域有廣闊的應用前景，尤其適用于可再生能源的動量補償，峰值調(diào)節(jié)和負載平衡，具有重要的研究意義。然而傳統(tǒng)磁懸浮開關磁阻電機內(nèi)，懸浮繞組與主繞組之間存在復雜的非線性強耦合關系，并且傳統(tǒng)磁懸浮開關磁阻電機

2、的發(fā)電運行方式為周期性分時發(fā)電模式，主繞組僅在負轉矩區(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)展的瓶頸問題。因此，研究一種能克服上述問題的新型磁懸浮開關磁阻發(fā)電機，并對其驅(qū)動控制算法和高速數(shù)字系統(tǒng)等進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關磁阻發(fā)電機，針對其工作原理、電機基本參數(shù)設計、有限元分析、徑向力及繞組電壓數(shù)學模型、懸浮及發(fā)電系統(tǒng)控制算法、轉子徑向位移自檢測、以及高速數(shù)字控制系統(tǒng)設計等一

3、系列關鍵理論和技術問題，在國家自然科學基金(60774044，61074019)和江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃(CXZZ11_0571)等項目的支持下，開展了本課題的研究。將磁懸浮開關磁阻電機技術與雙繞組發(fā)電機技術相結合，由懸浮極的懸浮力繞組提供懸浮力，由發(fā)電極的激勵繞組提供勵磁，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關磁阻電機的有限元模型，分析了其磁場特性，闡述了運行原理，并進行了基本參數(shù)優(yōu)化設計。
　　(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)學模型，并通過對相同參數(shù)樣機進行Ansoft有限元分析計算，驗證了模型的正確性。
　　(3)研究了懸浮力繞組電流以及激勵繞組電流的控制算法，為徑向懸浮系統(tǒng)設計了魯棒PID控制器，以克服外力擾動、系統(tǒng)參數(shù)攝

5、動，以及激勵、發(fā)電電流對懸浮力的干擾，增強轉子懸浮的魯棒性和穩(wěn)定性。
　　(4)結合FPGA自身特點完成復雜的控制信號組合邏輯，與DSP主控制器單元、信號檢測電路、以及外圍硬件接口電路共同構成磁懸浮開關磁阻電機高速數(shù)字控制系統(tǒng)，并且為懸浮力繞組、激勵繞組和發(fā)電繞組設計了功率變換器。
　　(5)基于高頻注入檢測方法的原理，研究了該新型雙繞組磁懸浮開關磁阻電機的無位移傳感器運行方法，構建了徑向位移自檢測系統(tǒng)。
　　可以取得

6、的有益效果如下：
　　(1)電機定子凸極依次間隔設置為懸浮極和發(fā)電極，懸浮繞組單獨繞制在懸浮極上，激勵繞組和發(fā)電繞組同時繞制在發(fā)電極上，結構清晰，功能明確，便于維護和控制。
　　(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)磁懸浮開關磁阻發(fā)電機內(nèi)懸浮和發(fā)電系統(tǒng)間的強耦合問題。
　　(3)徑向懸浮力不隨轉子位置角改變，克服了傳統(tǒng)磁懸浮開關磁阻電機定轉子不對齊位置處不能有效產(chǎn)生

7、懸浮力的問題，增強了電機的徑向負載能力，改善了電機的懸浮性能。
　　(4)在轉子極與發(fā)電極定子部分對齊位置期間，發(fā)電繞組磁鏈不存在平坦區(qū)域，通過合適的控制方法，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)將建模機理、有限元分析和仿真數(shù)據(jù)有機結合，建立了對線性、飽和磁路以及不同轉子偏心度均適用的數(shù)學模型，可以彌補現(xiàn)有基于無磁飽和假設的各種建模方法不適用磁飽和工況的缺陷，并

8、且可以為電機的運行特性分析、本體優(yōu)化設計以及控制策略研究提供更準確的理論依據(jù)。
　　(6)采用偏心自傳感技術，設計了轉子位移觀測器，可以克服傳統(tǒng)的位移傳感器靈敏度容易受溫度、電磁噪聲干擾等問題，能縮小電機尺寸和結構復雜度，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)學模型，設計了懸浮力繞組電流以及激勵繞組電流的控制算法，并且為徑向懸浮系統(tǒng)設計了魯棒PID控制器，可以克服外力擾動、系統(tǒng)參數(shù)攝動，以及激勵、