盤式雙轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)及其控制研究.pdf

1、本文研究用于海洋裝備如水下航行器、輪船等的對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一種盤式雙轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)，該電機(jī)有兩個(gè)獨(dú)立的永磁轉(zhuǎn)子，通過(guò)內(nèi)外嵌套軸輸出，分別驅(qū)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳的兩個(gè)槳葉。電機(jī)只有一個(gè)定子和一套三相繞組，只需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。與現(xiàn)有對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，本文研究的盤式對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。雖然已有一些學(xué)者對(duì)類似的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行了研究，但是還有很多關(guān)鍵問(wèn)題需要解決，比如兩個(gè)永磁

2、轉(zhuǎn)子在不同步時(shí)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)特性、轉(zhuǎn)矩特性。特別是，由于只有一套三相繞組和一個(gè)三相驅(qū)動(dòng)器，如何保證在兩側(cè)轉(zhuǎn)子負(fù)載不平衡或擾動(dòng)變化時(shí)，兩個(gè)轉(zhuǎn)子還能夠同步運(yùn)行，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，是該新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是否能夠得以實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，該問(wèn)題還沒有得到解決，涉及該問(wèn)題的研究還很少。
　　為了解決盤式對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)及其控制存在的問(wèn)題，促進(jìn)該新型裝置及技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，本文擬對(duì)其電機(jī)本體設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)、基本特性進(jìn)行研究，進(jìn)一步掌握該特種電機(jī)的

3、原理和特性，同時(shí)解決該電機(jī)控制的難題，文章主要的研究工作和取得的成果如下:
　　(1)對(duì)本文研究對(duì)象的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，分析了電機(jī)本體和控制方面存在的主要問(wèn)題，為本文的研究提供了借鑒和依據(jù)。
　　(2)對(duì)電機(jī)的本體設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論分析，建立了電機(jī)的簡(jiǎn)化溫升模型，獲得了電機(jī)設(shè)計(jì)允許溫升和繞組電負(fù)荷的關(guān)系式，結(jié)合選取的磁負(fù)荷以及已有相關(guān)研究成果，獲得了電機(jī)設(shè)計(jì)功率與電機(jī)外徑的關(guān)系，為該型永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參

4、考依據(jù)。
　　(3)對(duì)電機(jī)的空載磁場(chǎng)進(jìn)行了解析建模，利用傅里葉級(jí)數(shù)和分離變量法求解了電機(jī)氣隙和永磁內(nèi)部磁場(chǎng)的麥克斯韋表征方程，獲得了相應(yīng)的磁密解析表達(dá)式，利用解析表達(dá)式對(duì)電機(jī)的磁場(chǎng)進(jìn)行了分析，獲得了電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的解析計(jì)算方法，同時(shí)用有限元結(jié)果對(duì)解析表達(dá)式進(jìn)行了有用性驗(yàn)證。
　　(4)分析了該電機(jī)的基本特性，分析了兩個(gè)永磁轉(zhuǎn)子分別在同步和不同步時(shí)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩特性，獲得了兩個(gè)轉(zhuǎn)子不同步時(shí)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的畸變特征，指出了該畸

5、變特征對(duì)于轉(zhuǎn)矩的影響。分析了轉(zhuǎn)子不同狀態(tài)是定子磁場(chǎng)的變化特征，根據(jù)磁場(chǎng)分布的規(guī)律，指出該型電機(jī)可以將定子模塊化，從而使得繞組繞制變得簡(jiǎn)單。還分析了交叉環(huán)形繞組的軸線的不均勻性，對(duì)于轉(zhuǎn)矩的影響，指出采用疊繞組可以減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。進(jìn)行了軸向電磁力的分析，獲得了空載和額定負(fù)載情況下軸向電磁拉力大小和分布特點(diǎn)，還分析了定子繞組受到的洛倫茲力，指出，與軸向磁拉力相比，繞組受到的洛倫茲力在設(shè)計(jì)基本可以忽略。
　　(5)分析電機(jī)在不平衡負(fù)載下的運(yùn)

6、行特點(diǎn)，指出了現(xiàn)有控制方法無(wú)法保證兩個(gè)轉(zhuǎn)子的同步運(yùn)行。提出了一種動(dòng)態(tài)主從控制方法，保證了兩個(gè)永磁轉(zhuǎn)子在負(fù)載不平衡或擾動(dòng)變化時(shí)能夠同步、穩(wěn)定地運(yùn)行，同時(shí)提出了一種可靠的起動(dòng)電機(jī)的方法。基于滑模觀測(cè)器對(duì)一個(gè)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了位置辨識(shí)，以期實(shí)現(xiàn)只用一個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置的獲得。仿真分析初步驗(yàn)證了以上方法和理論。
　　(6)提出了一種簡(jiǎn)便可行的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法，研制了2.2kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了本體設(shè)計(jì)和分析的正確性。同時(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了，論文