雙定子無刷雙饋電機設(shè)計與驅(qū)動控制.pdf

1、隨著人類電氣化水平的逐步提升，人類對電機這一機電能量轉(zhuǎn)換裝置的需求呈現(xiàn)出多樣化和精細(xì)化的趨勢。除了傳統(tǒng)的直流電機、感應(yīng)電機和同步電機，多種多樣的新型電機結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，同時針對各種具體電機結(jié)構(gòu)的分析方法也相繼被提出。但總體來看，現(xiàn)有的電機分析理論缺乏通用性和統(tǒng)一性，表現(xiàn)出碎片化的特征。同時由于缺乏強有力的理論指導(dǎo)，電機在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新上存在盲目性、隨機性、經(jīng)驗性和低效性。本文擬以雙電氣端口電機為研究載體，基于電磁電機中廣泛存在的氣隙磁場調(diào)制現(xiàn)象

2、初步建立一套電機分析理論，將傳統(tǒng)電機結(jié)構(gòu)與新型電機結(jié)構(gòu)在拓?fù)浞治?、電磁設(shè)計和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新等方面進(jìn)行統(tǒng)一。并以無刷雙饋電機為例，應(yīng)用所提出的統(tǒng)一理論指導(dǎo)不同結(jié)構(gòu)無刷雙饋電機的特性分析、性能比較、結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計，驗證了統(tǒng)一理論的有效性和優(yōu)越性。
　　論文主要研究成果包括以下幾個方面:
　　1.對國內(nèi)外無刷雙饋電機的研究現(xiàn)狀從結(jié)構(gòu)與工作原理、分析與設(shè)計方法、應(yīng)用與控制策略方面進(jìn)行了廣泛而深入的綜述。將去刷化的方式總結(jié)為永磁、級聯(lián)和

3、調(diào)制。首次將無刷雙饋電機按照去刷化方式的不同分為級聯(lián)式和調(diào)制式。
　　2.基于對經(jīng)典繞組函數(shù)法的推導(dǎo)，指出影響氣隙磁動勢分布的三種方式分別為感應(yīng)、磁阻和磁障，對應(yīng)的三種物理形態(tài)為短路線圈、簡單凸極和多層磁障?；陔姶烹姍C與開關(guān)變換器在頻域上的相似性，提出統(tǒng)一氣隙磁場調(diào)制理論，將短路線圈、簡單凸極和多層磁障對磁動勢分布的影響用調(diào)制算子加以描述，使得任一具體的電機結(jié)構(gòu)均可轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的等效氣隙模型。將電機中普遍存在的調(diào)制現(xiàn)象分為同步（靜

4、態(tài)）調(diào)制和異步（動態(tài)）調(diào)制，并指出傳統(tǒng)直流電機、感應(yīng)電機和同步電機主要利用同步調(diào)制并人為抑制異步調(diào)制;而大部分新型電機結(jié)構(gòu)主要利用異步調(diào)制并人為增強異步調(diào)制。
　　3.利用統(tǒng)一氣隙磁場調(diào)制理論解析分析三種主要無刷雙饋電機和磁通切換電機（無刷雙饋電機的特例，定轉(zhuǎn)子采用雙邊凸極結(jié)構(gòu)、勵磁繞組采用單相集中繞組、電樞繞組采用三相分?jǐn)?shù)槽集中繞組、電機始終運行在自然同步轉(zhuǎn)速）的空載氣隙磁場分布和電感特性，同時對三種磁場調(diào)制器——短路線圈、簡單

5、凸極和多層磁障的工作原理進(jìn)行了深入分析和比較。
　　4.采用螺旋矢量理論建立三種主要無刷雙饋電機的動態(tài)電路模型，揭示其模型一致性和參數(shù)差異性?；谀Ｐ鸵恢滦裕骄苛藷o刷雙饋電機的共性問題，如雙饋同步運行條件、可能的運行模式及相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩構(gòu)成、極限運行范圍;基于參數(shù)差異性，分析了轉(zhuǎn)子阻抗參數(shù)對交叉耦合特性、轉(zhuǎn)矩構(gòu)成和控制復(fù)雜度的影響，并給出了不同無刷雙饋電機的模型層級結(jié)構(gòu)。
　　5.基于對傳統(tǒng)電機設(shè)計方法的推導(dǎo)，指出傳統(tǒng)電機設(shè)計

6、方法不適用于具有多端口和/或多諧波特點的電機結(jié)構(gòu)。以雙電氣端口電機為研究載體，明確了電機設(shè)計中的四個關(guān)鍵概念——線負(fù)荷、磁負(fù)荷、效率和功率因數(shù)，并建立了雙電氣端口電機的通用氣隙功率尺寸方程。基于該通用氣隙功率尺寸方程，推導(dǎo)了三種主要無刷雙饋電機的轉(zhuǎn)矩密度方程，并完成了相關(guān)驗證。在有效轉(zhuǎn)子體積、線負(fù)荷和磁負(fù)荷相同的條件下，借助所得到的轉(zhuǎn)矩密度方程對三種主要無刷雙饋電機的轉(zhuǎn)矩密度進(jìn)行了比較，闡明了無刷雙饋電機轉(zhuǎn)矩密度偏低的事實，并揭示出轉(zhuǎn)矩

7、密度偏低的根本原因。對同步調(diào)制和異步調(diào)制中鐵心飽和的機理進(jìn)行了分析，并給出采用同步調(diào)制和異步調(diào)制方式工作的兩類電機結(jié)構(gòu)中鐵心飽和對磁負(fù)荷約束的數(shù)學(xué)描述。
　　6.基于對現(xiàn)有無刷雙饋電機轉(zhuǎn)矩密度的比較分析，提出雙定子無刷雙饋電機結(jié)構(gòu)。在統(tǒng)一氣隙磁場調(diào)制理論的指導(dǎo)下，提出多種可能的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，并對其性能進(jìn)行定性比較分析，確定雙定子無刷雙饋電機應(yīng)當(dāng)采用雙層繞線轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以保持較高的轉(zhuǎn)矩密度。建立了雙定子無刷雙饋電機的設(shè)計、加工和測試流程

8、，針對電動汽車應(yīng)用場合設(shè)計并試制了一臺7.5kW原理樣機，完成了穩(wěn)態(tài)性能測試，驗證設(shè)計方法的可行性。
　　7.充分利用無刷雙饋電機具有兩個物理電氣端口的特點，從提高轉(zhuǎn)矩密度和控制靈活性的角度出發(fā)，提出無刷雙饋電機的兩種雙逆變器驅(qū)動運行模式，按照雙逆變器驅(qū)動采用主從還是平行結(jié)構(gòu)，提出單電氣端口控制和雙電氣端口控制兩種驅(qū)動控制模式，并在基于dSPACE1103/4的無刷雙饋電機電動/發(fā)電測試平臺上完成實驗驗證。
　　8.研究雙定

9、子無刷雙饋電機的穩(wěn)態(tài)運行特性，揭示出具體應(yīng)用場合對無刷雙饋電機本體要求的差異性，即按照電動機應(yīng)用設(shè)計的雙定子無刷雙饋電機不適合用作發(fā)電機，反之亦然。這一點與傳統(tǒng)直流電機、感應(yīng)電機和同步電機有很大區(qū)別。
　　9.基于對雙定子無刷雙饋電機穩(wěn)態(tài)發(fā)電運行的研究，分別以最大轉(zhuǎn)矩體積比和最大轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比為優(yōu)化目標(biāo)，對雙定子無刷雙饋發(fā)電機進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，完成了10kW工程樣機的分析計算，同時對機械結(jié)構(gòu)和穩(wěn)態(tài)溫升進(jìn)行了考慮。與雙定子無刷雙饋電動機相