新型混合勵磁同步電機的分析、設(shè)計及控制策略研究.pdf

1、混合勵磁同步電機(HESM)是繼電勵磁同步電機和永磁同步電機之后發(fā)展起來的又一種新型調(diào)速電機，它既綜合了永磁同步電機和電勵磁同步電機的優(yōu)點，又克服了各自的缺陷，成為無刷交流電機領(lǐng)域一個新的研究熱點。然而，用于交流正弦波驅(qū)動及采用矢量控制方式的HESM及其寬調(diào)速控制研究目前基本上還是空白，在電機分析、設(shè)計及系統(tǒng)控制等方面還未形成系統(tǒng)的理論，特別是在電動機磁路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇、電磁設(shè)計、電樞電流與勵磁電流相協(xié)調(diào)的寬調(diào)速控制策略等方面，尚有大量工

2、作有待進(jìn)一步深入。 本文在廣泛研究國內(nèi)外已有混合勵磁電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出了一種新型HESM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——非對稱交錯混合勵磁同步電機(ASHESM)，對該電機的分析理論、設(shè)計方法、數(shù)學(xué)模型，以及基于矢量控制的HESM調(diào)速系統(tǒng)的控制策略及其仿真等進(jìn)行了較為全面深入的研究，制作了樣機并搭建了實驗系統(tǒng)，進(jìn)行了比較系統(tǒng)的實驗研究。主要研究工作和成果如下： 闡述了HESM的工作原理、特點及應(yīng)用前景，比較全面地介紹了國內(nèi)外

3、混合勵磁電機的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式與控制方法及其研究現(xiàn)狀，并對各類混合勵磁電機的主要性能特征進(jìn)行了系統(tǒng)的比較。 在分析磁極分割型混合勵磁電機磁路結(jié)構(gòu)及性能特點的基礎(chǔ)上，深入分析了交錯永磁、中間永磁、單端永磁和非對稱交錯永磁等四種新結(jié)構(gòu)HESM的永磁磁路、電勵磁磁路、各自的漏磁特征和調(diào)磁性能，在性能比較的基礎(chǔ)上，提出了一種調(diào)磁性能相對較優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一一ASHESM。 深入分析了所提出的新型ASHESM的磁路結(jié)構(gòu)特征及工作原理，推導(dǎo)

4、出電機的等效磁路計算數(shù)學(xué)模型，采用等效磁路法比較準(zhǔn)確、快速地計算了該電機的主要性能，并具體分析了電機各部分氣隙磁通及磁密組成。有限元分析與實測結(jié)果驗證了等效磁路分析的正確性與有效性。 基于三維有限元分析和樣機實驗對電機靜態(tài)特性進(jìn)行了較為深入全面的分析，具體包括：電機空載磁場分布及空載調(diào)磁特性、空載磁鏈、反電動勢、繞組電感、定位力矩和電磁轉(zhuǎn)矩特性等，探討了永磁磁場、電勵磁磁場和電樞磁場之間的相互耦合作用對電感特性的影響，樣機的實測

5、結(jié)果驗證了理論分析的正確性，從而為電機的性能分析、設(shè)計及運行控制等奠定了必要的基礎(chǔ)。 基于現(xiàn)代電機設(shè)計的一般流程，詳細(xì)研究了ASHESM的電磁設(shè)計理論與設(shè)計方法。給出了ASHESM的一般化尺寸方程，對電機電磁負(fù)荷及主要尺寸初步估算、定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和勵磁繞組的初步設(shè)計等進(jìn)行了詳細(xì)論述與探討?；陔姍C初步設(shè)計方案，采用ANSYS有限元軟件對電機磁場及主要性能進(jìn)行了計算分析。利用三維有限元APDL參數(shù)化建模的優(yōu)點，分析了電機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對

6、電機性能的影響，為電機參數(shù)的合理選取提供了依據(jù)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計制作了一臺27槽8極的電機樣機。建立了HESM在定轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，給出了不同坐標(biāo)系下的磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程等。在分析HESM調(diào)速性能的基礎(chǔ)上，提出了HESM調(diào)速系統(tǒng)的分區(qū)控制策略，深入研究了調(diào)壓、調(diào)速、增磁和弱磁控制策略的具體實現(xiàn)方法。 采用MATLAB軟件的Simulink/PSB工具箱以及模塊化與功能化的建模方法，實現(xiàn)了電機本體、主控制器

7、、勵磁電流控制器和功率變換器的一體化建模。根據(jù)不同目的要求，設(shè)計了不同的仿真方法，仿真分析了HESM調(diào)速系統(tǒng)在低速標(biāo)準(zhǔn)調(diào)速區(qū)、低速增磁調(diào)速區(qū)及高速弱磁調(diào)速區(qū)的調(diào)速動態(tài)特性及穩(wěn)態(tài)特性，驗證了HESM數(shù)學(xué)模型、控制策略、仿真模型與仿真方法的正確性，并與PMSM調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真比較。對HESM定轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型分別建立了相應(yīng)的HESM調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行了較為深入的系統(tǒng)仿真，比較了兩種數(shù)學(xué)模型的統(tǒng)一性與兩者仿真結(jié)果的一致性。