新型磁通切换型可变磁通记忆电机研究

摘要

可变磁通记忆电机（Variable Flux Memory Machine，VFMM）被认为是一种真正意义上的可调磁通永磁电机。该类电机通过定子绕组或者附加线圈施加瞬时的充、去磁电流脉冲来改变记忆低矫顽力永磁材料的磁化状态，从而灵活调节气隙磁场，并几乎没有电励磁损耗。VFMM作为一种新概念的永磁电机，在电动汽车、风力发电及家用电器等领域具有广阔的应用前景。
　　本文在全面分析VFMM国内外研究现状的基础上，针对现有结构存在的不足之处，成功地将VFMM与磁通切换(Switched Flux，SF)原理相结合，提出了全新拓扑结构的磁通切换型可变磁通记忆电机(SF-VFMM)。该电机既继承了记忆电机高效调磁和调速范围宽的特点，同时又能够实现感应电动势正弦，可以采用经典的矢量控制。本文以SF-VFMM为研究对象，对其拓扑结构、电磁特性、调磁机理、设计方法、数学模型、控制策略和实验测试等进行了全面深入的研究。论文的主要研究工作包括以下几个方面:
　　(1)系统地介绍课题的研究背景和意义，总结现有各类可调磁通永磁电机的结构形式和控制方法，分析目前国内外VFMM的研究现状，指出现有VFMM研究存在问题。
　　(2)提出新型SF-VFMM，给出几种典型的拓扑，分析其结构特点与运行原理，采用有限元法研究分析和比较不同结构的电磁特性，探寻性能最优的拓扑结构。
　　(3)基于近似分段线性模型和Frolich磁滞模型，并与有限元法结合对SF-VFMM的调磁机理进行研究。对混合永磁结构中低矫顽力永磁负载运行时的去磁现象进行分析，给出有效避免该种去磁的设计原则。
　　(4)基于磁路解析方法，推导SF-VFMM关键电磁参数的解析表达式，揭示电机各电磁参数之间存在的制约关系，给出混合永磁磁路结构设计原则，总结归纳一套适于SF-VFMM的通用电磁设计方法。
　　(5)提出调磁绕组的“功能切换”概念，据此提出“混合励磁”和“直流-交流切换”SF-VFMM。分析混合励磁运行对电机电磁性能的影响，探寻最优的直流励磁控制策略;探讨调磁绕组“直流-交流切换”的可行性，研究其对电机弱磁能力的影响。
　　(5)建立SF-VFMM的非线性数学模型，基于MATLAB/Simulink进行电机及其控制系统的仿真研究。依据电机在不同磁化状态下运行特性的变化，提出一种分步调磁控制策略，并通过仿真和实验对所提出的控制策略进行验证。
　　(6)制作SF-VFMM样机，搭建动静态性能测试和调磁控制实验系统。对样机主要电磁特性、空载以及负载调磁驱动控制进行了实验研究。
　　本文工作为SF-VFMM的进一步深入研究与工程化奠定了一定的理论与技术基础。

目录

声明

摘要

图表目录

主要符号与缩写解释

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．1．1 可调磁通永磁电机的提出

1．1．2 可调磁通永磁电机的分类及结构特点

1．1．3 可变磁通记忆电机的提出

1．2 可调磁通永磁电机国内外研究现状

1．2．1 混合励磁电机

1．2．2 机械调磁电机

1．2．3 变定子绕组结构电机

1．2．4 可变磁通记忆电机

1．3 记忆电机国内外研究现状与发展动态

1．3．1 记忆电机“记忆”机理和结构形式

1．3．2 记忆电机的研究现状

1．3．3 记忆电机的应用前景

1．3．4 记忆电机研究存在问题

1．4 本课题主要研究工作及论文结构

1．4．1 课题研究思路

1．4．2 主要研究工作

1．4．3 论文结构安排

第2章 磁通切换型记忆电机拓扑结构和电磁特性研究

2．1 单定子磁通切换型记忆电机

2．1．1 单一永磁型

2．1．2 混合永磁型

2．2 双定子磁通切换型记忆电机

2．2．1 定子分离型

2．2．2 电磁特性分析

2．2．3 样机实验验证

2．3 不同拓扑结构电磁性能比较

2．4 本章小结

第3章 磁通切换型记忆电机调磁机理研究

3．1 时步有限元法分析

3．2 非线性磁滞建模分析

3．2．1 现有磁滞模型概述

3．2．2 近似分段线性模型

3．2．3 Frolich磁滞模型

3．1 空载调磁特性研究

3．1．1 磁滞模型验算

3．1．2 不同磁化电流参数的影响

3．2 负载去磁现象研究

3．2．1 负载调磁特性

3．2．2 负载去磁现象

3．2．3 去磁类型识别

3．2．4 抗负载去磁设计原则

3．2．5 实验验证

3．3 本章小结

第4章 磁通切换型记忆电机通用设计方法

4．1 单一永磁型通用设计方法

4．1．1 基本结构和解析模型

4．1．2 功率尺寸方程

4．1．3 定转子极数配合

4．1．4 永磁设计

4．1．5 电枢绕组设计

4．1．6 主要参数优化

4．1．7 样机设计和实验验证

4．2 混合永磁型磁路结构设计原则

4．2．1 磁路结构选择

4．2．2 并联磁路型基本结构

4．2．3 设计问题的提出

4．2．4 综合设计方法

4．2．5 样机设计

4．2．6 运行原理

4．3 本章小结

第5章 磁通切换型记忆电机调磁绕组功能切换技术

5．1 混合励磁磁通切换型记忆电机

5．1．1 电机结构和控制电路

5．1．2 混合励磁运行原理

5．1．3 全局运行优化

5．1．4 实验验证

5．2 直流-交流切换磁通切换型记忆电机

5．2．1 拓扑结构

5．2．2 设计原则

5．2．3 绕组切换运行

5．2．4 电磁性能仿真研究

5．3 本章小结

第6章 磁通切换型记忆电机控制策略

6．1 电机数学模型

6．1．1 定子三相静止坐标系下的数学模型

6．1．2 两相同步旋转砌坐标系下的数学模型

6．2 全局控制策略

6．2．1 总体控制框图

6．2．2 全局控制策略

6．3 控制系统建模与仿真

6．4 实验验证

6．5 本章小结

第7章 磁通切换型记忆电机实验研究

7．1 实验系统构成

7．1．1 静态特性实验平台

7．1．2 发电运行实验平台

7．1．3 电动运行实验平台

7．2 单定子磁通切换型记忆电机实验

7．2．1 静态性能测试

7．2．2 发电运行实验

7．2．3 电动运行实验

7．3 双定子磁通切换型记忆电机实验

7．3．1 静态特性实验

7．3．2 调磁特性实验

7．3．3 负载突变实验

7．3．4 转矩转速特性曲线

7．4 本章小结

第8章 总结与展望

8．1 论文工作及创新点

8．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间学术成果

致谢