新型磁通切換型磁阻電機(jī)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)與控制研究.pdf

1、磁通切換型磁阻電機(jī)(Flux Switching Motor，F(xiàn)SM)是一種新型的無刷結(jié)構(gòu)雙凸極電機(jī)，它具有與開關(guān)磁阻電機(jī)類似的雙凸極結(jié)構(gòu)，定轉(zhuǎn)子上均無永磁體，避免了由于各種原因，如溫升、振動(dòng)、電樞反應(yīng)等引起的永磁體去磁或磁性能不穩(wěn)定而導(dǎo)致電機(jī)出力的下降，運(yùn)行可靠性高。FSM電機(jī)本體結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單，堅(jiān)固耐用，成本低廉，適合高速運(yùn)行，具有在高溫等惡劣環(huán)境下工作的優(yōu)勢，整個(gè)運(yùn)行過程中所有繞組全周期通電，繞組利用率高。與開關(guān)磁阻電機(jī)等單邊

2、激勵(lì)雙凸極電機(jī)相比，F(xiàn)SM從根本上實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁電流分量和電樞電流分量的分離，降低了功率變換器的伏安容量。FSM獨(dú)特的運(yùn)行方式降低了電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪聲，適合應(yīng)用于對振動(dòng)和噪聲要求較高的場合。由于勵(lì)磁磁通可調(diào)，F(xiàn)SM作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)調(diào)壓方便且具有故障滅磁能力，適合用于車載航空等高速發(fā)電系統(tǒng)和起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)。
　　 與其他類型雙凸極電機(jī)相比，F(xiàn)SM由于只需控制一套繞組的通斷電，功率電路所需功率開關(guān)器件個(gè)數(shù)少，控制方式和控制策略簡單，調(diào)

3、速成本低，很大程度上降低了電機(jī)控制器的成本。FSM具有與直流電機(jī)相似的優(yōu)異的調(diào)速性能，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)具有較高的效率，因此在家用電器、電動(dòng)工具及輕工業(yè)制造等場合具有良好的應(yīng)用前景。
　　 FSM是一種復(fù)雜的機(jī)電一體化裝置，與其他雙凸極電機(jī)一樣，具有顯著的邊緣效應(yīng)和局部飽和效應(yīng)，不僅如此，F(xiàn)SM依靠電樞繞組和勵(lì)磁繞組之間的互感產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的直流磁場源和電樞繞組產(chǎn)生的交流磁場源相互強(qiáng)耦合，運(yùn)行時(shí)所有繞組同時(shí)通電，邊緣效應(yīng)和

4、局部飽和效應(yīng)更為明顯，這些都使得FSM系統(tǒng)呈現(xiàn)出獨(dú)特的非線性、變結(jié)構(gòu)和強(qiáng)耦合的復(fù)雜特性。
　　 FSM由于提出時(shí)間不久，目前的研究從涉及問題的廣度上和深度上都十分有限，各方面的研究不夠深入全面，本文以這種新型的FSM電機(jī)系統(tǒng)為研究對象，對FSM的運(yùn)行方式特點(diǎn)、數(shù)學(xué)模型、性能分析、磁場分析、電磁參數(shù)計(jì)算、動(dòng)態(tài)性能仿真、電機(jī)設(shè)計(jì)及其控制系統(tǒng)的軟件和硬件開發(fā)設(shè)計(jì)等一系列關(guān)鍵問題進(jìn)行了較為全面和深入的研究分析，試制了FSM樣機(jī)，開發(fā)了F

5、SM的位置檢測裝置和專用控制電路，為該電機(jī)的進(jìn)一步深入研究和開發(fā)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　 論文的研究內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面：
　　 1、詳細(xì)全面地對FSM工作原理、運(yùn)行方式和電磁特性進(jìn)行了研究，闡述了FSM非線性、變結(jié)構(gòu)和強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，采用有限元法全面詳細(xì)地計(jì)算了FSM的磁場分布、電磁參數(shù)和靜態(tài)特性，為深入了解FSM的電磁特性和工作方式打下基礎(chǔ)；
　　 2、由于FSM具有獨(dú)特的非線性、變結(jié)構(gòu)和強(qiáng)耦合的復(fù)雜特性，通常用

6、于分析其他類型雙凸極電機(jī)的非線性方法很難完整地描述其電磁特性和進(jìn)行建模分析。為了解決FSM非線性建模仿真的難題，本文研究了基于電感最大值的FSM三維非線性仿真模型，采用混合建模思路，建立了包括FSM電機(jī)本體和控制電路在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型，在此基礎(chǔ)上對FSM進(jìn)行了較為全面的仿真研究和性能分析，并與時(shí)步有限元仿真結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證；
　　 3、提出了FSM的非線性變結(jié)構(gòu)等效磁路模型。緊貼FSM獨(dú)特的非線性變結(jié)構(gòu)特性，建立了一種具

7、有多相耦合特性的適用于分析FSM的自適應(yīng)非線性變結(jié)構(gòu)集中參數(shù)等效磁路模型，詳細(xì)推導(dǎo)了等效磁路中每部分磁導(dǎo)的計(jì)算方法，并在此過程中討論了局部飽和的處理技術(shù)，基于該等效磁路模型，對FSM進(jìn)行了電磁特性分析和參數(shù)計(jì)算，在此過程中對磁導(dǎo)計(jì)算中的收斂問題進(jìn)行了詳細(xì)研究，提出了收斂系數(shù)的自適應(yīng)確定方法，提高了計(jì)算效率，為FSM提供了一種新的行之有效的電磁參數(shù)計(jì)算方法；
　　 4、提出了一種適用于FSM的動(dòng)態(tài)性能計(jì)算方法--基于改進(jìn)的前進(jìn)歐拉

8、公式的動(dòng)態(tài)性能計(jì)算方法。針對FSM動(dòng)態(tài)性能計(jì)算中的微分反演困難，緊貼FSM非線性變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，利用矩陣變換重新構(gòu)建了FSM的狀態(tài)方程，采用了改進(jìn)的前進(jìn)歐拉公式數(shù)值求解FSM的變系數(shù)偏微分方程，克服了FSM由于非線性強(qiáng)耦合特性導(dǎo)致的性能計(jì)算困難和動(dòng)態(tài)性能求解過程中由于微分系數(shù)較多而導(dǎo)致的求解過程復(fù)雜和耗時(shí)長的困難，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了FSM的動(dòng)態(tài)性能計(jì)算，并與經(jīng)典四階龍格庫塔法和時(shí)步有限元法的計(jì)算結(jié)果和計(jì)算速度進(jìn)行對比驗(yàn)證，為FSM動(dòng)態(tài)性能計(jì)

9、算和設(shè)計(jì)提供了一條新的途徑；
　　 5、對FSM的起動(dòng)性能進(jìn)行了分析研究。FSM獨(dú)特的定轉(zhuǎn)子極數(shù)配合使得進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須對其起動(dòng)問題特別考慮。本文研究了不同結(jié)構(gòu)對FSM起動(dòng)死區(qū)的影響，對各種改善FSM起動(dòng)性能的結(jié)構(gòu)和方法進(jìn)行了綜合比較，并綜合各種因素給出了解決FSM起動(dòng)問題的方案；
　　 6、建立了FSM電機(jī)的通用輸出功率尺寸方程，給出了FSM電機(jī)的定轉(zhuǎn)子鐵心長度和繞組匝數(shù)的確定方法和性能計(jì)算方法，設(shè)計(jì)了FSM的專用光

10、電位置檢測裝置，并進(jìn)行了樣機(jī)設(shè)計(jì)和試制；設(shè)計(jì)開發(fā)了FSM的功率逆變電路和專用配套控制電路，在不同控制方式下對FSM進(jìn)行了樣機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)，通過試驗(yàn)研究了FSM樣機(jī)的性能；
　　 7、深入全面的研究了永磁型磁通切換型磁阻電機(jī)(Permanent Magnet FluxSwitching Motor，PMFSM)的定位轉(zhuǎn)矩問題。PMFSM電機(jī)的本體結(jié)構(gòu)、工作原理到設(shè)計(jì)理念均與傳統(tǒng)永磁電機(jī)有著根本不同，其定位轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機(jī)理、特點(diǎn)、變化規(guī)律

11、以及相應(yīng)的削弱措施都與傳統(tǒng)永磁電機(jī)有很大差異，但目前尚沒有對PMFSM定位轉(zhuǎn)矩的任何相關(guān)研究。本文建立了一套適用于雙凸極電機(jī)定位轉(zhuǎn)矩的解析分析理論，推導(dǎo)了與電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)直接相關(guān)的PMFSM定位轉(zhuǎn)矩解析表達(dá)式，緊貼PMFSM的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行特點(diǎn)，給出了具有實(shí)際工程指導(dǎo)意義的削弱PMFSM定位轉(zhuǎn)矩的解決方案；
　　 8、提出并研究了一種新型的磁通切換型磁阻電機(jī)--混合勵(lì)磁磁通切換型磁阻電機(jī)。電勵(lì)磁FSM運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁電流較大，勵(lì)磁繞組損

12、耗較大，限制了效率的進(jìn)一步提高，而PMFSM由于永磁磁動(dòng)勢不可調(diào)，電動(dòng)運(yùn)行時(shí)調(diào)速困難，發(fā)電運(yùn)行時(shí)調(diào)壓困難而且無法進(jìn)行故障滅磁。針對現(xiàn)有的磁通切換型磁阻電機(jī)性能上存在的不足，提出了一種混合勵(lì)磁磁通切換型磁阻電機(jī)，采用特殊的方式在定子上放置勵(lì)磁繞組和永磁體，二者共同建立氣隙磁場，可通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流拓寬調(diào)速范圍，性能上兼有電勵(lì)磁和永磁型兩種類型的優(yōu)點(diǎn)，克服了電勵(lì)磁FSM勵(lì)磁容量大和PMFSM調(diào)速范圍窄的不足。
　　 本課題采用理論分析