混合勵磁磁通切換型磁阻電機(jī)系統(tǒng)的研究.pdf

1、混合勵磁磁通切換型磁阻電機(jī)(Hybrid Excitation Flux Switching Motor,HEFSM)是由勵磁繞組與永磁體共同提供勵磁磁動勢的磁通切換型磁阻電機(jī)(FluxSwitching Motor, FSM)。FSM為雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上無永磁體與繞組，結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用;在電機(jī)運(yùn)行過程中所有繞組全周期通電，具有很高的繞組利用率。電勵磁FSM由勵磁繞組提供勵磁磁動勢，通過調(diào)節(jié)勵磁電流可以方便的調(diào)節(jié)勵磁磁動勢，但存在勵磁

2、電流較大、損耗較高等缺點(diǎn);永磁式FSM利用永磁體取代勵磁繞組提供勵磁磁動勢，雖然有助于提高電機(jī)效率但存在氣隙磁場難以調(diào)節(jié)的問題;HEFSM兼具電勵磁與永磁式FSM的優(yōu)點(diǎn)，既有較高的勵磁效率又有勵磁調(diào)節(jié)功能，具有很好的研究價值。
　　從結(jié)構(gòu)上FSM可分為多相與單相，其中多相結(jié)構(gòu)中又以三相FSM為主。較之三相結(jié)構(gòu)而言，單相FSM不論在電機(jī)本體還是控制電路上都更加簡單，單相FSM定轉(zhuǎn)子極數(shù)比為整數(shù)，所以無法借鑒三相FSM的研究方法，其研

3、究沒有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型可以借鑒。單相HEFSM相比電勵磁FSM、永磁式FSM磁場分布更為復(fù)雜，建立其數(shù)學(xué)模型的方法值得進(jìn)行探究。同時單相結(jié)構(gòu)FSM轉(zhuǎn)矩脈動大、存在起動死區(qū)的缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用推廣。不論是多相結(jié)構(gòu)還是單相結(jié)構(gòu)的雙凸極電機(jī)，增加其定轉(zhuǎn)子的極數(shù)可減小轉(zhuǎn)子的步進(jìn)角，有利于減小轉(zhuǎn)矩的波動，但是會導(dǎo)致開關(guān)頻率上升，增大控制器的容量，同時鐵心損耗也會增加。單相FSM的定轉(zhuǎn)子極中線重合時，電機(jī)磁路達(dá)到穩(wěn)定平衡電磁轉(zhuǎn)矩為零，電機(jī)沒有轉(zhuǎn)矩輸出能

4、力。在電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程中，由于轉(zhuǎn)動慣量、摩擦阻力等因素，轉(zhuǎn)矩要大于一定的數(shù)值電機(jī)才能夠運(yùn)行，所以在定轉(zhuǎn)子極中線重合時的轉(zhuǎn)子位置角為中心的某一鄰域就存在一個起動死區(qū)。起動死區(qū)是單相結(jié)構(gòu)FSM無法避免的問題，曾有學(xué)者就此問題進(jìn)行了改進(jìn)，在定子或轉(zhuǎn)子上加裝輔助結(jié)構(gòu)或改變定子疊片的形狀以減小電機(jī)起動死區(qū)，但只是減小了起動死區(qū)，并沒有真正消除起動死區(qū)。
　　現(xiàn)有關(guān)于HEFSM的研究主要集中在三相結(jié)構(gòu)，單相HEFSM具有與三相結(jié)構(gòu)不同的特點(diǎn)

5、，作為一種新型結(jié)構(gòu)，具有很好的研究價值，本文就單相HEFSM進(jìn)行了如下的研究工作:
　　1.分析了HEFSM采用串聯(lián)、并聯(lián)混合勵磁時所對應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用有限元仿真對比分析了兩種勵磁形式的勵磁效果，仿真結(jié)果表明并聯(lián)混合勵磁較串聯(lián)混合勵磁的勵磁效果及勵磁調(diào)節(jié)能力都更為理想，因此本文研究對象HEFSM采用了并聯(lián)混合勵磁結(jié)構(gòu)。分析了并聯(lián)HEFSM的工作原理及磁場分布特點(diǎn)，該電機(jī)結(jié)構(gòu)中永磁體、勵磁槽軛部的尺寸對電機(jī)電磁性能的影響最大，因此

6、就這兩部分對氣隙磁密、勵磁槽軛部磁密的影響進(jìn)行了有限元仿真研究，仿真結(jié)果表明為獲得良好的電磁效果在設(shè)計(jì)電機(jī)時須將兩者整體考慮。
　　2.對HEFSM的建模方法進(jìn)行了探索研究。提出了一種適用于該類電機(jī)的磁路模型及建模方法，利用該方法建立的磁路模型能夠反映不同轉(zhuǎn)子位置、不同激勵下的電機(jī)靜態(tài)特性，為該類電機(jī)的設(shè)計(jì)、靜態(tài)分析提供了有益的參考。給出了一種該類電機(jī)非線性電感的建模方法，所構(gòu)造的電感模型是關(guān)于轉(zhuǎn)子位置角及雙重激勵電流連續(xù)變化的高

7、階函數(shù)，該電感模型能夠描述電機(jī)的動態(tài)特性，對后續(xù)電機(jī)調(diào)速控制策略的制定與實(shí)施提供了有利的幫助。基于磁路分析的方法給出了一種建立連續(xù)氣隙磁導(dǎo)表達(dá)式的方案，為單相結(jié)構(gòu)FSM的分析中的重要問題——?dú)庀洞艑?dǎo)的求解提供了很好的解決方案，對類似結(jié)構(gòu)電機(jī)氣隙磁導(dǎo)分析及建模具有很好的借鑒意義，并基于此給出了建立簡化FSM模型的方法。最后制作了HEFSM及FSM樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了所述建模方法的可行性及模型的準(zhǔn)確性。
　　3.就單相結(jié)構(gòu)FSM

8、所共有的存在起動死區(qū)問題進(jìn)行了研究，并提出一種不對稱轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)很好地解決了該問題。根據(jù)起動死區(qū)的成因提出了利用轉(zhuǎn)子疊片錯位裝配以解決該問題的兩種方案，通過對比分析確定了不等極弧長度疊片構(gòu)成不對稱轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案及具體尺寸參數(shù)。分析了該不對稱轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)消除起動死區(qū)的工作原理，并利用三維有限元就其效果進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明該轉(zhuǎn)子可令單相FSM在大于一個定子極距范圍內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)的正向轉(zhuǎn)矩，具備良好的消除轉(zhuǎn)矩死區(qū)能力。同時結(jié)合本文所提出的HE

9、FSM建模方法建立了不對稱轉(zhuǎn)子HEFSM簡化模型，并對該簡化模型進(jìn)行了分析及三維有限元仿真驗(yàn)證，結(jié)果證明不對稱轉(zhuǎn)子具有良好的消除起動死區(qū)的能力。制作了不對稱轉(zhuǎn)子樣機(jī)并進(jìn)行了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，對比結(jié)果表明模型具有比較理想的準(zhǔn)確性。
　　4.設(shè)計(jì)制作了HEFSM控制系統(tǒng)的硬件電路，進(jìn)行了機(jī)電一體化聯(lián)合仿真分析及試驗(yàn)調(diào)試。提出一種利用三相逆變功率模塊實(shí)現(xiàn)勵磁繞組、電樞繞組并聯(lián)連接功率電路的方案，給出了具體的功率電路設(shè)計(jì)及其驅(qū)動隔離電路設(shè)計(jì)。詳述

10、了控制電路中控制芯片、各功能模塊的選擇與接口電路的設(shè)計(jì)，將控制電路與功率電路進(jìn)行了合理布局構(gòu)成了功能完備的控制器。確定了電機(jī)繞組全區(qū)間導(dǎo)通結(jié)合直流電流斬波的控制方案，利用Ansoft Maxwell與Ansoft Simplorer搭建的HEFSM系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型對該方案進(jìn)行了聯(lián)合仿真分析，證明了該控制方案及參數(shù)設(shè)定達(dá)到理想效果。利用樣機(jī)與本文所設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行了系列試驗(yàn)測試。試驗(yàn)包括常規(guī)轉(zhuǎn)子HEFSM系統(tǒng)的運(yùn)行測試及不對稱轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對消

11、除單相結(jié)構(gòu)FSM起動死區(qū)效果的測試，試驗(yàn)證明了繞組控制的方案的可行性，控制器與樣機(jī)匹配效果良好、運(yùn)行效果理想，同時通過試驗(yàn)證明了不對稱轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)消除單相結(jié)構(gòu)FSM的正向起動死區(qū)，但無法消除反向旋轉(zhuǎn)時的起動死區(qū)。
　　5.研究了HEFSM系統(tǒng)的調(diào)速控制問題，提出了實(shí)用的調(diào)速控制策略并進(jìn)行了調(diào)速試驗(yàn)研究。結(jié)合本文所設(shè)計(jì)控制器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了開環(huán)P型迭代學(xué)習(xí)控制策略并論述了其可行性與合理性，以及迭代系數(shù)的確定方法，并就采用開環(huán)P型迭代學(xué)習(xí)控

12、制策略的常規(guī)轉(zhuǎn)子HEFSM系統(tǒng)、不對稱轉(zhuǎn)子HEFSM系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究分析。同時借助本文所建立的HEFSM的數(shù)學(xué)模型，提出了將模型算法迭代學(xué)習(xí)律運(yùn)用于HEFSM系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速控制的策略并進(jìn)行了試驗(yàn)研究分析。試驗(yàn)結(jié)果證明:迭代系數(shù)確定方法簡潔，所確定的迭代系數(shù)也十分合理有效;采用開環(huán)P型迭代學(xué)習(xí)控制策略的HEFSM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了良好的電機(jī)調(diào)速控制效果;在融入模型算法迭代學(xué)習(xí)律時常規(guī)轉(zhuǎn)子HEFSM系統(tǒng)取得了理想效果，不對稱轉(zhuǎn)子HEFSM系