高速開關(guān)磁阻電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐.pdf

1、隨著科技水平的發(fā)展，航空航天、能源、精密制造等諸多領(lǐng)域?qū)Ω咿D(zhuǎn)速電機(jī)的需求越來(lái)越多。電機(jī)轉(zhuǎn)速的大幅提升有利于提高電機(jī)的功率密度，減小設(shè)備的體積重量。因此，高速/超高速電機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已成為當(dāng)今國(guó)際電工界的研究熱點(diǎn)。
　　 開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）是近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展而逐漸完善起來(lái)的一種新型調(diào)速電機(jī)。由于SRM定轉(zhuǎn)子均為凸極實(shí)心疊片結(jié)構(gòu)，定子上繞有集中繞組，轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組、永磁材料及鼠籠線圈，具有

2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、成本低、可靠性高的特點(diǎn)，因此在許多工業(yè)調(diào)速領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。SRM的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以承受很高的機(jī)械應(yīng)力，特別適合高轉(zhuǎn)速要求，能適應(yīng)高溫等惡劣環(huán)境，在航空航天、高速加工等高速/超高速領(lǐng)域應(yīng)用具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
　　 本文主要致力于高速SRM系統(tǒng)的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，目標(biāo)是為高速SRM的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供較為完整的基本理論和關(guān)鍵技術(shù)支撐。在對(duì)前人成果的廣泛了解和深入研究的基礎(chǔ)上，本文以高速SRM電機(jī)本體的多參數(shù)綜合設(shè)計(jì)、

3、功率變換器主電路、專用集成電路等核心關(guān)鍵技術(shù)為突破口，對(duì)高速SRM在機(jī)理研究、樣機(jī)研制、實(shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用中存在的關(guān)鍵技術(shù)難題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，建立了高速SRM研究與實(shí)驗(yàn)的技術(shù)平臺(tái)。
　　 針對(duì)高速SRM的運(yùn)行特點(diǎn)，本文在常規(guī)SRM的電磁設(shè)計(jì)流程的基礎(chǔ)上，基于電磁、鐵損、應(yīng)力、轉(zhuǎn)子振動(dòng)等多物理場(chǎng)的有限元計(jì)算，構(gòu)建了包括電磁設(shè)計(jì)、損耗計(jì)算、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析在內(nèi)的高速SRM電機(jī)本體的多參數(shù)綜合設(shè)計(jì)方法，成功研制了三種高速S

4、RM實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，為高速SRM的電機(jī)本體設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。結(jié)合高速SRM樣機(jī)的研究與實(shí)驗(yàn)需要，本文還對(duì)高速SRM的電磁性能優(yōu)化、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應(yīng)力及動(dòng)力學(xué)性能分析、鐵損及風(fēng)阻損耗計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 分析了不對(duì)稱半橋式主電路、裂相式主電路等典型SRM功率變換器主電路的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)適合于高速SRM的功率變換器主電路拓?fù)溥M(jìn)行了探討，分析了典型功率變換器主電路拓?fù)鋵?duì)SRM換相性能的影響，并對(duì)傳統(tǒng)的雙開關(guān)式不對(duì)稱半橋主電路進(jìn)

5、行了改進(jìn)，提出了一種可提高電機(jī)換相性能的三開關(guān)式不對(duì)稱半橋主電路拓?fù)洌⒃谝慌_(tái)SRM實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上，對(duì)雙開關(guān)式主電路和三開關(guān)式主電路進(jìn)行仿真分析和對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
　　 成功研制了國(guó)內(nèi)第一片SRM控制專用集成電路SR3P10K07A，介紹了SR3P10K07A的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)過(guò)程，較為詳細(xì)的介紹了該芯片中各功能模塊的實(shí)現(xiàn)算法，并基于硬件電路對(duì)該芯片進(jìn)行了邏輯功能驗(yàn)證?；赟R3P10K07A，本課題還設(shè)計(jì)制作了通用的SRM數(shù)字控制器，并在

6、多臺(tái)高速SRM樣機(jī)中獲得了成功應(yīng)用。
　　 此外，本文分別對(duì)三種高速SRM樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用。其中，樣機(jī)Ⅰ的最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了136,000r/min，成功實(shí)現(xiàn)了該樣機(jī)的超高速運(yùn)行；作為高速原動(dòng)機(jī)，樣機(jī)Ⅰ還在南京航空航天大學(xué)微型發(fā)動(dòng)機(jī)研究所開發(fā)的氣浮軸承性能測(cè)試平臺(tái)中獲得了成功應(yīng)用；對(duì)分別采用常規(guī)凸極轉(zhuǎn)子和圓柱復(fù)合型轉(zhuǎn)子這兩種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的樣機(jī)Ⅱ進(jìn)行了空載實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的風(fēng)阻損耗；樣機(jī)Ⅲ在常州新羅特?cái)?shù)控機(jī)械有限公