非接触式同步电机转子励磁系统的辨识建模与动态分析

摘要

新能源汽车能否安全、稳定地运行与其核心部件车载电机的性能息息相关。为取消电刷与滑环所带来的安全隐患，车载电机的无刷化已成为必然发展趋势，但目前国内外的无刷方案需要增加附加绕组或附加装置，使电机结构复杂，体积增加，电机利用率降低。针对以上问题，本文提出了非接触式同步电机转子励磁(contactless synchronous machine rotor excitation，CSMRE)方法，将非接触式能量传输技术创新地应用于车载电机的励磁系统中，利用相对旋转的高频变换器，取代电刷和滑环，实现无刷励磁。该方法应用范围广泛，既可用于电励磁电机系统中，也可用于混合励磁电机系统中。
　　本文论述了CSMRE系统的基本结构与工作原理，介绍了非接触式励磁变换器的工作机理，给出了将CSMRE系统应用于车载电机后所形成的无刷发电机的结构及设计方案。
　　针对由CSMRE系统拓扑电路与补偿电路的复杂性所导致的各功能模块之间兼容度差、可移植性低等问题，提出了初值为估计值的递推最小二乘法(estimate initial value recursive least squares，EIV-RLS)的参数辨识与建模方法，该建模方法具有良好的通用性和可移植性。辨识建模只需对系统的输入、输出数据进行采集与变换，采用赤池信息准则确定系统阶次，最后通过EIV-RLS算法对模型参数进行辨识，便可得到系统的动态小信号模型，无需依赖明确的拓扑电路与具体参数。文中以串联-串联型半桥-全波CSMRE系统为建模对象，分别对最小二乘法(least squares，LS)、初值为零的递推最小二乘法(zero initial value recursive least squares，ZIV-RLS)及EIV-RLS辨识法进行了建模和仿真，对比分析了三种方法的精确度，并通过实验验证了EIV-RLS辨识建模法具有更好的精确性及通用性。
　　CSMRE系统中的非接触式高频变压器工作在相对高速旋转条件下，为研究这种一次侧静止、二次侧高速旋转的工作状态对变压器传输效率是否有影响，提出了两种可在此条件下工作的非接触式变压器绕组结构——毗邻型和嵌套型绕组结构，在ANSOFT/Maxwell环境下，分别对两种结构的非接触式变压器进行了相对高速旋转时的3D瞬态仿真，分析了瞬态磁密、瞬态漏磁及电流密度，通过仿真结果的对比，验证了CSMRE系统的可行性，选取毗邻型变压器作为CSMRE系统中的高频变压器，对毗邻型变压器铁芯材料与气隙影响进行了仿真分析。
　　非接触式变压器存在较大的气隙，因此漏感的影响已不可忽略不计，漏感的增加会导致耦合系数降低，传输效率下降。本文利用谐振原理，对非接触式变压器的漏感进行了补偿，以提高CSMRE系统的能量传输效率，采用更为适合非接触式变压器的互感模型，引入映射阻抗概念，给出了四种基本补偿网络中补偿电容的匹配方法，分析了四种补偿电路的功率传输特性，为使系统保持稳定，推导了基本补偿网络的稳定运行条件。
　　在MATLAB/Simulink环境下，根据状态变量法，对非接触式变压器进行补偿建模与对比仿真，验证串联-串联补偿系统具有良好的补偿效果。根据非接触式同步电机的数学模型，构建非接触式励磁同步电机发电系统的Sim Power Systems模型，并对各个功能模块分别进行了模型建立与仿真分析，分析了采用CSMRE系统的同步电机发电系统的动态特性。
　　最后，搭建了CSMRE系统实验平台，并研发了采用该励磁系统的非接触式励磁同步电机发电系统。通过对CSMRE系统的补偿特性与旋转特性进行实验测试，验证了文中所提出方法与仿真结果的正确性。同时，也对非接触式励磁同步电机发电系统进行了性能测试，验证了本文所提出的非接触式同步电机转子励磁方法的有效性及可行性，且具有实用价值。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景

1．2 车载电机概述

1．2．1 车载发电机

1．2．2 车载驱动电机

1．3 车载电机无刷励磁技术应用现状

1．4 非接触式励磁技术研究现状

1．5 本文研究的主要内容

第2章 非接触式同步电机转子励磁系统

2．1 引言

2．2 感应型非接触电能传输技术

2．3 非接触式转子励磁系统基本结构及工作原理

2．4 非接触式励磁变换器工作机理分析

2．5 非接触式励磁电机设计方案

2．6 本章小结

第3章 非接触式励磁系统EIV-RLS辨识法建模

3．1 引言

3．2 非接触式转子励磁系统辨识法建模

3．2．1 最小二乘法建模

3．2．2 递推最小二乘法建模

3．2．3 阶跃数据变换

3．2．4 模型阶次的判定

3．3 仿真及实验验证

3．3．1 数据变换与阶次判定

3．3．2 最小二乘法建模

3．3．3 初值为零的递推最小二乘法建模

3．3．4 初值为估值的递推最小二乘法建模

3．4 实验结果分析

3．5 本章小结

第4章 励磁系统中非接触式变压器相对旋转时的瞬态分析

4．1 引言

4．2 非接触式变压器的建模及特性分析

4．3 非接触式变压器的基本电磁理论

4．4 非接触式变压器相对旋转状态下的瞬态分析

4．4．1 磁密分析

4．4．2 漏磁分析

4．4．3 电流密度分析

4．5 毗邻型非接触式变压器磁场分析

4．5．1 铁芯材料分析

4．5．2 气隙影响分析

4．6 非接触励磁系统相对旋转变压器实验验证

4．7 本章小结

第5章 非接触式励磁系统谐振补偿及稳定性分析

5．1 引言

5．2 非接触式变压器的特性分析与互感模型

5．3 非接触式能量传输系统谐振补偿分析

5．3．1 谐振补偿网络中映射阻抗特性分析

5．3．2 一次侧与二次侧补偿电容匹配方法

5．3．3 谐振补偿网络的功率传输特性分析

5．3．4 谐振补偿网络的稳定性分析

5．4 本章小结

第6章 非接触式励磁同步电机发电系统动态特性的仿真与分析

6．1 引言

6．2 非接触式变压器模型仿真分析

6．2．1 未补偿时非接触式变压器数学模型与仿真

6．2．2 串联-串联补偿后非接触式变压器数学模型与仿真

6．3 非接触式同步电机MATLAB仿真模型

6．3．1 非接触式同步电机数学模型

6．3．2 非接触式同步电机SPS模型

6．3．3 非接触式励磁系统模型

6．3．4 整流及负载模型

6．4 非接触式励磁同步电发电系统的动态特性仿真分析

6．5 本章小结

第7章 非接触式励磁同步电机发电系统的设计与实验分析

7．1 引言

7．2 非接触式励磁变换器设计

7．2．1 半桥全波拓扑电路设计

7．2．2 PWM控制与驱动电路设计

7．3 非接触式励磁同步电机发电系统设计

7．4 非接触式励磁系统系统实验分析

7．4．1 非接触式变换器补偿特性分析

7．4．2 非接触式变换器频率与气隙影响分析

7．4．3 非接触式变压器旋转特性分析

7．5 非接触式励磁同步电机发电系统实验分析

7．6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢