飛輪電池用五自由度單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機參數(shù)設(shè)計及運行控制.pdf

1、隨著新能源發(fā)電、分布式電源系統(tǒng)、混合動力車輛、航空航天等領(lǐng)域的發(fā)展，儲能技術(shù)已成為世界性的研究課題。眾多儲能技術(shù)中，飛輪電池以功率大、效率高、壽命長、儲能密度大、清潔無污染等優(yōu)點受到國內(nèi)外的高度重視。作為一種集機械、控制、電子等技術(shù)于一體的新型儲能裝備，飛輪電池目前還存在諸多制約其工程化應(yīng)用的技術(shù)難題，主要表現(xiàn)于懸浮支承系統(tǒng)、集成式高速/超高速電機的性能與控制等。為減小支承損耗，飛輪電池通常采用多個磁懸浮軸承支承，增加了飛輪軸向長度，降

2、低了臨界轉(zhuǎn)速，同時也導(dǎo)致飛輪電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大。為此，論文提出一種以單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機為核心部件的飛輪電池用五自由度磁懸浮支承與傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)了懸浮支承系統(tǒng)與驅(qū)動電機的統(tǒng)一，大大縮短了飛輪轉(zhuǎn)子軸向長度，提高了臨界轉(zhuǎn)速、功率密度與系統(tǒng)集成度，進一步減小了支承損耗，在高速低損飛輪電池領(lǐng)域具有重大的研究與應(yīng)用價值。
　　 在國家自然科學(xué)基金(61074019，60774044)與江蘇省高?！扒嗨{工程”科技創(chuàng)新團隊等項目的資助

3、下，論文以實現(xiàn)飛輪電池用五自由度磁懸浮電機的高速、低損耗運行為目標(biāo)，圍繞五自由度單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機支承與傳動的飛輪電池結(jié)構(gòu)、低損耗永磁偏置軸向—徑向混合磁懸浮軸承優(yōu)化設(shè)計、單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機優(yōu)化設(shè)計與高速運行控制策略、五自由度磁懸浮電機的數(shù)字控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)開展研究。主要研究內(nèi)容與成果概略如下:
　　 (1)研究提出一種飛輪電池用五自由度磁懸浮電機支承與傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在分析飛輪電池動、靜載荷的基礎(chǔ)上，以降低支承損耗

4、、提高支承力可控性為目標(biāo)，研究確定了飛輪電池五自由度磁懸浮支承與傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案;分析了相同功率下單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機與雙繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機的懸浮力、轉(zhuǎn)矩、效率與功率密度特性，給出了磁懸浮開關(guān)磁阻電機的選型方法。
　　 (2)提出低損耗永磁偏置軸向—徑向混合磁懸浮軸承的優(yōu)化設(shè)計方法。基于旋轉(zhuǎn)磁場理論，通過減小轉(zhuǎn)子鐵心磁場波動頻率以降低轉(zhuǎn)子鐵心損耗，設(shè)計了低損耗的永磁偏置軸向—徑向混合磁懸浮軸承結(jié)構(gòu);分析了軸向與徑向氣隙處

5、的磁力線分布特性，構(gòu)建了軸向與徑向承載力的數(shù)學(xué)模型，獲得軸向、徑向位移剛度與電流剛度;利用等效磁路法，研究了磁極面積、控制線圈匝數(shù)、定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)等參數(shù)的設(shè)計方法;建立了轉(zhuǎn)子鐵心損耗計算模型，驗證了混合磁軸承高速運行時的低損特性。
　　 (3)提出基于相關(guān)向量機與粒子群優(yōu)化的單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法。建立了電機主體尺寸計算模型，以提高電機出力、減小相間耦合為目標(biāo)，研究了繞組結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法;分析飛輪電池對電機懸浮

6、力、轉(zhuǎn)矩、效率與功率密度等性能參數(shù)的要求，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能參數(shù)的敏感度，獲取影響電機性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù);建立電機性能的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，研究基于基值與權(quán)重因子的統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建方法;構(gòu)建了主要參數(shù)與統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)的相關(guān)向量機非參數(shù)模型，研究了基于粒子群的電機參數(shù)優(yōu)化設(shè)計算法;開展了相關(guān)的仿真與試驗研究，驗證了設(shè)計方法的正確性。
　　 (4)提出單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機的雙相導(dǎo)通高速解耦控制策略。分析了懸浮力與轉(zhuǎn)矩的有效產(chǎn)生區(qū)間，

7、研究了懸浮相與旋轉(zhuǎn)相的繞組電流分配方法，提出了懸浮力與轉(zhuǎn)矩分相產(chǎn)生的雙相導(dǎo)通高速解耦策略;優(yōu)化計算了懸浮相電流轉(zhuǎn)矩分量與旋轉(zhuǎn)相關(guān)斷角，有效減小了轉(zhuǎn)矩脈動，提高了瞬時懸浮力的響應(yīng)速度;開展了相關(guān)的仿真試驗研究，驗證了控制策略的正確性。
　　 (5)提出了基于自適應(yīng)相關(guān)向量機的單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子徑向位移自檢測策略與方法。針對電機高速運行狀態(tài)下飽和程度高、數(shù)據(jù)樣本頻帶寬的特點，以磁鏈、電流與轉(zhuǎn)角為輸入，以徑向位移為輸出，研究

8、提出高斯核函數(shù)寬度自適應(yīng)調(diào)節(jié)的相關(guān)向量機算法，建立了位移參量的自適應(yīng)相關(guān)向量機預(yù)測模型;仿真結(jié)果表明，該策略的實時性與預(yù)測精度均較好地滿足電機高速懸浮運行的需要。
　　 (6)構(gòu)建了DSP與FPGA復(fù)合結(jié)構(gòu)的飛輪電池用五自由度單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機高速數(shù)字控制系統(tǒng)。分析了五自由度磁懸浮電機對數(shù)字控制系統(tǒng)的性能要求，研究檢測與控制算法的分配、規(guī)劃以及在DSP與FPGA的實現(xiàn)策略與方法;設(shè)計了相關(guān)的功率變換、轉(zhuǎn)子位置與位移信號檢測