基于双极性控制的三相开关磁阻电机分析与设计

摘要

开关磁阻电机凭借其结构简单、牢固，可靠性高、容错性好、适合高速运行等性能优势赢得了广泛关注。尤其是近年来稀土永磁材料供应限制和价格波动，使得无需永磁体的开关磁阻电机得到了进一步发展，已被成功应用于航空航天、动力牵引和工业调速等领域。然而，传统的开关磁阻电机采用不对称桥式变换器，体积大且缺乏市场统一标准，导致开关磁阻电机调速系统成本高，限制了开关磁阻电机的广泛应用。为解决上述问题，本文采用普遍应用的三相全桥电路代替传统不对称桥式电路，改变绕组内的电流控制方式，即由传统的单极性控制变为双极性控制，故该控制类型下的开关磁阻电机亦称为“双极性开关磁阻电机”。本文对该类双极性开关磁阻电机的工作原理进行了分析，并提出了本体尺寸和绕组连接方式的优化设计方案，试制了实验样机，完成了实验验证，为该类新型开关磁阻电机的进一步深入研究和工程应用奠定了重要基础。
　　论文主要的研究内容和成果包括以下几个方面:
　　(1)深入分析了开关磁阻电机双极性控制下的基本工作原理，推导了双极性开关磁阻电机的电压方程、磁链方程、电磁转矩方程及运动方程，在此基础上提出了适合双极性控制的开关磁阻电机拓扑结构与基本控制策略。
　　(2)基于二维静态有限元法，全面分析了双极性开关磁阻电机的电磁静态特性。基于Maxwelll/Simplorer，搭建了双极性开关磁阻电机调速系统的磁场一电路耦合仿真模型，进行了开关磁阻电机调速系统的双极性控制仿真研究，验证了双极性开关磁阻电机的工作原理。
　　(3)研究并归纳了双极性开关磁阻电机绕组连接方式对电机性能的影响，总结了适合双极性开关磁阻电机最优绕组连接方式，对双极性开关磁阻电机本体的结构尺寸参数进行了全面优化。
　　(4)建立了双极性开关磁阻电机非正弦铁心磁密波形的铁耗计算模型，综合考虑了局部磁滞回环和直流偏置影响，对比分析了优化前后两台双极性开关磁阻电机的铁心磁密分布及铁耗。
　　(5)在一台三相12/8单极性开关磁阻电机基础之上，研制了一台三相12/8双极性开关磁阻电机，并测试了静态电磁特性。
　　(6)搭建了基于dSPACE1104的双极性开关磁阻电机调速系统实验测试平台，设计了主电路及辅助电路，进行了实验验证。通过实验结果比较分析了四种不同绕组连接方式下的双极性开关磁阻电机输出特性，验证了理论分析与有限元仿真结果的正确性。

目录

声明

摘要

图录

表录

第1章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 开关磁阻电机的研究现状

1．2．1 开关磁阻电机的新型本体结构

1．2．2 开关磁阻电机的新型控制策略

1．3 本文主要研究内容与结构安排

1．3．1 本文主要研究内容

1．3．2 本文主要章节结构安排

第2章 双极性开关磁阻电机基本结构和运行原理

2．1 双极性开关磁阻电机的提出

2．2 双极性开关磁阻电机基本方程

2．2．1 电压平衡方程式

2．2．2 功率平衡方程

2．2．3 机械运动方程

2．2．4 电磁转矩方程

2．3 双极性开关磁阻电机工作原理

2．3．1 双极性开关磁阻电机系统组成

2．3．2 双极性开关磁阻电机换相原理

2．4 双极性开关磁阻电机运行分析

2．5 双极性开关磁阻电机基本控制策略

2．5．1 电流斩波控制

2．5．2 角度位置控制

2．6 本章小结

第3章 双极性开关磁阻电机电磁性能分析

3．1 基于ANSYS的参数化建模

3．2 双极性开关磁阻电机静态电磁特性

3．2．1 电机有限元模型

3．2．2 气隙磁密

3．2．3 绕组电感

3．3 BE-SRM控制系统模型

3．3．1 给定转速源下的电机性能

3．3．2 给定负载转矩的比较

3．4 本章小结

第4章 双极性开关磁阻电机优化分析

4．1 双极性开关磁阻电机优化过程

4．1．1 线圈绕组结构

4．1．2 电机裂比

4．1．3 定子极弧

4．1．4 定子轭厚

4．1．5 转子极弧

4．1．6 优化结果

4．2 优化前后的对比

4．3 优化前后电机铁耗对比

4．3．1 铁耗计算模型

4．3．2 BE-SRM铁心典型磁密分布

4．3．3 铁耗计算结果

4．4 本章小结

第5章 双极性开关磁阻电机调速系统实验验证

5．1 软件平台

5．1．1 dSPACE1104控制平台

5．1．2 主要控制模块

5．2 硬件平台

5．2．1 各类传感器

5．2．2 信号调理电路

5．2．3 主电路及驱动电路设计

5．3 系统测试平台

5．4 实验样机

5．5 样机性能实验

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 课题展望

参考文献

致谢

硕士期间的学术成果