新型磁通切換型磁阻電機系統(tǒng)的分析、設計與控制研究.pdf

1、磁通切換型磁阻電機(Flux Switching Motor，F(xiàn)SM)是一種新型的無刷結(jié)構(gòu)雙凸極電機，它具有與開關(guān)磁阻電機類似的雙凸極結(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、電樞反應等引起的永磁體去磁或磁性能不穩(wěn)定而導致電機出力的下降，運行可靠性高。FSM電機本體結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單，堅固耐用，成本低廉，適合高速運行，具有在高溫等惡劣環(huán)境下工作的優(yōu)勢，整個運行過程中所有繞組全周期通電，繞組利用率高。與開關(guān)磁阻電機等單邊

2、激勵雙凸極電機相比，F(xiàn)SM從根本上實現(xiàn)了勵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獨特的運行方式降低了電機運行時的振動和噪聲，適合應用于對振動和噪聲要求較高的場合。由于勵磁磁通可調(diào)，F(xiàn)SM作為發(fā)電機運行時調(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)和起動發(fā)電系統(tǒng)。
　　 與其他類型雙凸極電機相比，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控制器的成本。FSM具有與直流電機相似的優(yōu)異的調(diào)速性能，在整個調(diào)速范圍內(nèi)具有較高的效率，因此在家用電器、電動工具及輕工業(yè)制造等場合具有良好的應用前景。
　　 FSM是一種復雜的機電一體化裝置，與其他雙凸極電機一樣，具有顯著的邊緣效應和局部飽和效應，不僅如此，F(xiàn)SM依靠電樞繞組和勵磁繞組之間的互感產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，勵磁繞組產(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耦合，運行時所有繞組同時通電，邊緣效應和

4、局部飽和效應更為明顯，這些都使得FSM系統(tǒng)呈現(xiàn)出獨特的非線性、變結(jié)構(gòu)和強耦合的復雜特性。
　　 FSM由于提出時間不久，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電機系統(tǒng)為研究對象，對FSM的運行方式特點、數(shù)學模型、性能分析、磁場分析、電磁參數(shù)計算、動態(tài)性能仿真、電機設計及其控制系統(tǒng)的軟件和硬件開發(fā)設計等一系列關(guān)鍵問題進行了較為全面和深入的研究分析，試制了FSM樣機，開發(fā)了F

5、SM的位置檢測裝置和專用控制電路，為該電機的進一步深入研究和開發(fā)應用奠定基礎。
　　 論文的研究內(nèi)容主要有以下幾個方面：
　　 1、詳細全面地對FSM工作原理、運行方式和電磁特性進行了研究，闡述了FSM非線性、變結(jié)構(gòu)和強耦合的特點，采用有限元法全面詳細地計算了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；
　　 2、由于FSM具有獨特的非線性、變結(jié)構(gòu)和強耦合的復雜特性，通常用

6、于分析其他類型雙凸極電機的非線性方法很難完整地描述其電磁特性和進行建模分析。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電機本體和控制電路在內(nèi)的整個系統(tǒng)的仿真模型，在此基礎上對FSM進行了較為全面的仿真研究和性能分析，并與時步有限元仿真結(jié)果進行了對比驗證；
　　 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的自適應非線性變結(jié)構(gòu)集中參數(shù)等效磁路模型，詳細推導了等效磁路中每部分磁導的計算方法，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進行了電磁特性分析和參數(shù)計算，在此過程中對磁導計算中的收斂問題進行了詳細研究，提出了收斂系數(shù)的自適應確定方法，提高了計算效率，為FSM提供了一種新的行之有效的電磁參數(shù)計算方法；
　　 4、提出了一種適用于FSM的動態(tài)性能計算方法--基于改進的前進歐拉

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

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

10、電位置檢測裝置，并進行了樣機設計和試制；設計開發(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進行了樣機運行試驗，通過試驗研究了FSM樣機的性能；
　　 7、深入全面的研究了永磁型磁通切換型磁阻電機(Permanent Magnet FluxSwitching Motor，PMFSM)的定位轉(zhuǎn)矩問題。PMFSM電機的本體結(jié)構(gòu)、工作原理到設計理念均與傳統(tǒng)永磁電機有著根本不同，其定位轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機理、特點、變化規(guī)律

11、以及相應的削弱措施都與傳統(tǒng)永磁電機有很大差異，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定位轉(zhuǎn)矩的解析分析理論，推導了與電機結(jié)構(gòu)參數(shù)直接相關(guān)的PMFSM定位轉(zhuǎn)矩解析表達式，緊貼PMFSM的結(jié)構(gòu)特點和運行特點，給出了具有實際工程指導意義的削弱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--混合勵磁磁通切換型磁阻電機。電勵磁FSM運行時勵磁電流較大，勵磁繞組損

12、耗較大，限制了效率的進一步提高，而PMFSM由于永磁磁動勢不可調(diào)，電動運行時調(diào)速困難，發(fā)電運行時調(diào)壓困難而且無法進行故障滅磁。針對現(xiàn)有的磁通切換型磁阻電機性能上存在的不足，提出了一種混合勵磁磁通切換型磁阻電機，采用特殊的方式在定子上放置勵磁繞組和永磁體，二者共同建立氣隙磁場，可通過調(diào)節(jié)勵磁電流拓寬調(diào)速范圍，性能上兼有電勵磁和永磁型兩種類型的優(yōu)點，克服了電勵磁FSM勵磁容量大和PMFSM調(diào)速范圍窄的不足。
　　 本課題采用理論分析