基于單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機的飛輪電池系統(tǒng)研究.pdf

1、飛輪電池作為一種機、電、磁一體化的節(jié)能儲能裝置，具有功率密度大、運行效率高、環(huán)境友好性強以及工作壽命長等一系列特有性能。隨著高強度材料、現(xiàn)代控制理論、磁懸浮支承技術(shù)、電力電子技術(shù)以及制造加工工藝的蓬勃發(fā)展，飛輪電池在可再生能源、增程式電動汽車、純電動動汽車、農(nóng)村微電網(wǎng)、分布式發(fā)電系統(tǒng)以及航空航天等領(lǐng)域迎來了新的發(fā)展契機。
　　對于完全集成式飛輪電池，其首要目標是降低摩擦損耗、提高運行效率，相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)主要集中于支承系統(tǒng)設(shè)計與控制

2、、電動機/發(fā)電機多模態(tài)協(xié)調(diào)控制等。為最大限度提高能量利用率，通常采用徑向磁軸承與軸向磁軸承作為軸承支承系統(tǒng)設(shè)計方案，但隨之帶來了系統(tǒng)軸向長度較長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大等缺點。本文以高轉(zhuǎn)速、低損耗、高可靠性的完全集成式飛輪電池為設(shè)計目標，提出一種以單繞組外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機（簡稱單繞組磁懸浮飛輪電機，SWBFM）為核心部件的五自由度磁懸浮飛輪電池支承與傳動系統(tǒng)，該方案具有“適時懸浮”特點，同時其繞組利用率高、功率密度大，獨特的機械結(jié)

3、構(gòu)大大縮短了飛輪轉(zhuǎn)子軸向長度，提高了臨界轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)集成度，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。
　　論文以飛輪電池支承與傳動系統(tǒng)為研究對象，圍繞磁懸浮支承系統(tǒng)設(shè)計，永磁偏置軸向-徑向混合磁軸承高效可靠運行控制，電機關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、運行機理/容錯性能分析、精確快速數(shù)學(xué)建模、電動/懸浮模態(tài)下控制策略以及高速數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)開展研究。主要研究內(nèi)容概括如下：
　　(1)研究一種完全集成式五自由度磁懸浮飛輪電池

4、結(jié)構(gòu)方案，以低損耗、高比功率、高緊湊性、高可靠性為設(shè)計目標，分析了異步電機，永磁電機，磁阻電機工作特性以及電磁特點，進一步對比不同結(jié)構(gòu)的磁懸浮開關(guān)磁阻電機的運行機理與工作特性，確定了SWBFM最終選型。以降低系統(tǒng)損耗，縮小磁軸承體積，提高系統(tǒng)徑向-軸向負載能力為目標，確定飛輪電池磁懸浮支承系統(tǒng)方案。
　　(2)分析永磁備用軸承不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和磁環(huán)偏心對磁力的影響，基于虛位移法，推導(dǎo)出工程化顯式數(shù)學(xué)模型，有限元分析驗證了數(shù)學(xué)模型的精確

5、性；利用等效磁路法，構(gòu)建了三自由度永磁偏置磁軸承（3-DOF PMBMB）懸浮力數(shù)學(xué)模型，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，有限元分析驗證設(shè)計方法的正確性。
　　(3)為提高飛輪電池的運行性能，圍繞三自由度永磁偏置磁軸承控制系統(tǒng)進行較深入研究，通過有限元分析其線性工作區(qū)域和非線性工作區(qū)域電磁特性；以轉(zhuǎn)子起浮速度快，穩(wěn)態(tài)運行抖動小為目標，設(shè)計出在線性工作區(qū)域內(nèi)基于數(shù)學(xué)模型的變飽和柔性變結(jié)構(gòu)（VSSVS）控制器

6、；為提高系統(tǒng)在極端情況下運行可靠性、拓寬磁軸承轉(zhuǎn)子懸浮區(qū)域，設(shè)計出非線性工作區(qū)域內(nèi)無模型自適應(yīng)控制器（MFAC）；實驗驗證了控制器的合理性與可行性。
　　(4)將人工智能算法用于SWBFM關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計中，提出基于最小二乘支持向量機與和聲混沌搜索的優(yōu)化算法。建立了電機主體尺寸計算模型和基本尺寸計算公式，研究了繞組結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對飛輪電池性能的影響，確定了對電機性能影響較為明顯的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)以及取值區(qū)間，

7、建立了電機性能優(yōu)化指標的優(yōu)化函數(shù)以及基于權(quán)重因子的統(tǒng)一目標函數(shù)構(gòu)建方法；構(gòu)建了最小二乘支持向量機非參數(shù)模型，研究了基于和聲混沌搜索的優(yōu)化算法；給出了飛輪尺寸的設(shè)計方法并制造了實驗樣機。
　　(5)根據(jù)飛輪電池的不同運行模態(tài)，分析了SWBFM在電動/懸浮，空載/懸浮，發(fā)電/懸浮狀態(tài)下的運行機理；考慮在極端條件下單極繞組開路情況，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，提出了無?方向徑向力約束和有?方向徑向力約束的徑向力補償方案。
　　(6)采用虛

8、位移法的磁懸開關(guān)磁阻電機建模過程中存在不夠直接，不具有通用性等不足，為了實現(xiàn)SWBFM快速建模與精確控制，加快其工程推廣應(yīng)用速度，建立了基于麥克斯韋應(yīng)力法的懸浮力與轉(zhuǎn)矩模型，給出了等效積分路徑的理論證明，有限元分析驗證了數(shù)學(xué)模型的正確性。
　　(7)結(jié)合SWBFM電動/懸浮運行機理，設(shè)計出控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，給出了轉(zhuǎn)矩電流分量和懸浮電流分量的計算流程，確定了平均轉(zhuǎn)矩/瞬時懸浮力控制策略，實驗驗證了SWBFM控制系統(tǒng)的合理性。