新型混合勵(lì)磁同步電機(jī)的分析、設(shè)計(jì)及控制策略研究.pdf

1、混合勵(lì)磁同步電機(jī)(HESM)是繼電勵(lì)磁同步電機(jī)和永磁同步電機(jī)之后發(fā)展起來(lái)的又一種新型調(diào)速電機(jī)，它既綜合了永磁同步電機(jī)和電勵(lì)磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺陷，成為無(wú)刷交流電機(jī)領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。然而，用于交流正弦波驅(qū)動(dòng)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(jī)分析、設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)磁路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇、電磁設(shè)計(jì)、電樞電流與勵(lì)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(guó)內(nèi)外已有混合勵(lì)磁電機(jī)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(duì)稱(chēng)交錯(cuò)混合勵(lì)磁同步電機(jī)(ASHESM)，對(duì)該電機(jī)的分析理論、設(shè)計(jì)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(jī)并搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了比較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。主要研究工作和成果如下： 闡述了HESM的工作原理、特點(diǎn)及應(yīng)用前景，比較全面地介紹了國(guó)內(nèi)外

3、混合勵(lì)磁電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式與控制方法及其研究現(xiàn)狀，并對(duì)各類(lèi)混合勵(lì)磁電機(jī)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(lì)磁電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，深入分析了交錯(cuò)永磁、中間永磁、單端永磁和非對(duì)稱(chēng)交錯(cuò)永磁等四種新結(jié)構(gòu)HESM的永磁磁路、電勵(lì)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(duì)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(jī)的等效磁路計(jì)算數(shù)學(xué)模型，采用等效磁路法比較準(zhǔn)確、快速地計(jì)算了該電機(jī)的主要性能，并具體分析了電機(jī)各部分氣隙磁通及磁密組成。有限元分析與實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)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(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)電機(jī)靜態(tài)特性進(jìn)行了較為深入全面的分析，具體包括：電機(jī)空載磁場(chǎng)分布及空載調(diào)磁特性、空載磁鏈、反電動(dòng)勢(shì)、繞組電感、定位力矩和電磁轉(zhuǎn)矩特性等，探討了永磁磁場(chǎng)、電勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)之間的相互耦合作用對(duì)電感特性的影響，樣機(jī)的實(shí)測(cè)

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

6、電機(jī)性能的影響，為電機(jī)參數(shù)的合理選取提供了依據(jù)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)27槽8極的電機(jī)樣機(jī)。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(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)了電機(jī)本體、主控制器

7、、勵(lì)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(jì)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(dòng)態(tài)特性及穩(wěn)態(tài)特性，驗(yàn)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(duì)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。