磁通切换型定子励磁无刷电机的分析与设计

摘要

磁通切换型电机(Flux-Switching Machines)作为一种双凸极无刷电机，其励磁源，如永磁体和励磁绕组以及电枢绕组均位于定子侧，而转子上既无永磁体，也无绕组。磁通切换电机展现出诸多优点，包括高功率密度、高转矩密度、高效率、强抗去磁能力、优良散热性能和易于对永磁体采用水冷等，在电动汽车、全电/多电飞机、风力发电、飞轮储能等领域展现出巨大的应用前景。以励磁方式划分，磁通切换电机可分为永磁型、电励磁型和混合励磁型。本文以电动汽车和风力发电为背景，研究了永磁型和混合励磁型磁通切换电机。具体而言，首先，以完善设计理论为目的提出了在考虑加工工艺时的三相永磁型磁通切换电机的设计方法;然后，以扩展调速范围为目的研究了三相混合励磁型磁通切换电机的调磁原理和控制策略;最后，以提升电机可靠性为目的分析了六相混合励磁型磁通切换容错电机的设计理论和控制策略。针对上述各研究内容，分别试制了原理样机，进行了实验分析和性能验证，为该类型电机的进一步深入研究和推广应用提供了理论与技术基础。
　　论文主要研究成果包括以下几个方面:
　　1.提出了永磁型磁通切换（Permanent Magnet Flux-Switching，PMFS）电机的设计参数敏感性估算模型。该模型基于等效磁路法和有限元分析的结果，来预估在电机的初始设计阶段各电磁特性对设计尺寸的敏感程度。
　　2.详细分析了一台三相起动发电用PMFS电机的设计方法和模块化加工工艺。研究了温升、运行电磁频率、硅钢片材料属性、三维端部效应等对电磁性能的影响，制造了工程样机并进行了实验测量，然后以降低批量化生产的成本和难度为目标，进一步讨论了该电机的模块化加工制造方法。在此基础之上，建立了该电机采用水冷散热时的三维有限元温度场模型，该模型可以得到电机内部的稳态温度场分布，且分析结果得到了实验验证。
　　3.在上述永磁型磁通切换电机的研究基础上，进一步开展了混合励磁磁通切换(Hybrid-ExcitedFlux Switching，HEFS)电机的研究。针对采用U形定子铁心的HEFS电机，通过将励磁线圈分为位于永磁体外侧和内侧的两组，揭示出HEFS电机磁场调节内在机理。在此基础上提出了一种改进型HEFS电机结构，可以有效提升调磁能力。
　　4.为评估采用U型定子铁心的HEFS电机的发热情况，建立了该电机的三维有限元温度场模型，综合比较了不同结构的HEFS电机的电磁性能和散热能力，制造了不同结构的HEFS电机样机，通过实验测试验证了理论分析的正确性。
　　5.进一步建立了三相HEFS电机的数学模型和调速系统仿真模型。首先推导了该电机在定子静止坐标系下和转子旋转坐标系下的数学模型，然后建立了其基于MATLAB/Simulink的控制系统仿真模型，研究了该电机在纯永磁和混合励磁两种工况下的调速性能和动态响应性能。从最大输出转矩和最大转速两方面入手，提出了HEFS电机励磁磁场与永磁磁场的最优比例分配原则，以及在两种典型性能需求下的设计流程。
　　6.在三相HEFS电机的研究基础上，进一步采用U形和E形定子铁心分别设计了两台六相容错型HEFS电机，并制定了不同绕组开路时的容错运行控制策略。基于有限元法分析了两台电机的正常运行和容错运行能力，且考虑了励磁电流对性能的影响，制造了样机并对分析结果进行了实验验证。
　　7.分别推导了六相HEFS电机在定子静止坐标系下和转子旋转坐标系下的数学模型，然后建立了基于MATLAB/Simulink的六相HEFS电机调速系统仿真模型，通过对电机在正常运行和容错运行两种工况下的动态仿真，证明两电机均具备较好的动态响应能力和容错运行性能。

目录

声明

摘要

符号

缩写词

图录

表录

第1章 绪论

§1．1．研究背景与意义

§1．1．1．定子励磁型电机概念简介

§1．1．2．电动汽车系统

§1．1．3．风力发电系统

§1．1．4．飞轮储能系统

§1．2．磁通切换型电机种类

§1．2．1．依据励磁方式划分

§1．2．2．依据运动彩式及主磁通方向划分

§1．3．U形定子铁心磁通切换型电机及其拓扑结构

§1．4．磁通切换型电机的国内外研究现状及不足

§1．4．1．国内外研究现状

§1．4．2．国内外研究不足

§1．5．本课题研究内容及论文结构

§1．5．1．本课题研究内容

§1．5．2．论文结构

第2章 三相PMFS电机的设计方法和制造工艺

§2．1．PMFS电机的一般设计方法和参数敏感性分析

§2．1．1．空载气隙磁密分布和局部峰值

§2．1．2．简化局部等效磁路和等效气隙长度系数(kgap)

§2．1．3．设计参数敏盛性分析

§2．2．PMFS电机的设计方法和与IPM电机的对比

§2．2．1．电磁频率对铁心磁化曲线的影响

§2．2．2．运行温度对电机性能的影响

§2．2．3．三维端部效应对电机性能的影响

§2．2．4．转子偏心对电枢磁通和电磁转矩的影响

§2．2．5．PMFS电机实验验证及与IPM电机的对比

§2．3．三相PMFS电机的模块化制造工艺

§2．3．1．转子不平衡径向磁拉力气隙长度和连接桥的影响

§2．3．2．转子不平衡径向磁拉力

§2．4．基于水冷方式的散热系统

§2．5．本章小结

第3章 U形铁心HEFS电机调磁原理和调磁性能

§3．1．基于有限元法的调磁原理分析

§3．1．1．电机结构及空载电磁特性

§3．1．2．调磁原理的对比

§3．1．3．调磁能力的对比

§3．1．4．空载三维端部效应

§3．2．加载性能对比及温度场分析

§3．2．1．加载性能对比

§3．2．2．电机损耗及热分析

§3．2．3．样机和实验验证

§3．3．一种改进的HEFS电机结构

§3．3．1．电机结构及调磁性能改进方法

§3．3．2．永磁体位置对调磁性能的影响

§3．3．3．样机和实验验证

§3．4．对本章所涉及HEFS电机的综合评估

§3．5．本章小结

第4章 三相HEFS电机调速系统仿真和励磁分配比例

§4．1．HEFS电机的数学模型

§4．1．1．定子静止坐标系下的数学模型

§4．1．2．转子旋转坐标系下的数学模型

§4．1．3．HEFS电机控制系统基本控制策略

§4．2．HEFS电机调速系统仿真研究

§4．2．1．HEFS电机调速系统仿真建模

§4．2．2．HEFS电机励磁绕组开路时的调速性能(纯永磁励磁)

§4．2．3．HEFS电机励磁绕组加载时的调速性能(永磁+电励磁)

§4．2．4．HEFS电机增磁电流对动态响应的影响

§4．3．永磁和电励磁分配比例分析

§4．3．1．永磁和电励磁比例的分配原则

§4．3．2．HEFS电机的基本设计流程

§4．4．本章小结

第5章 六相HEFS电机性能分析、设计方法及容错运行

§5．1．分别采用E形和u形铁心的两台六相HEFS电机的设计方法

§5．1．1．电机结构及运行原理

§5．1．2．尺寸参数优化方法及对性能的影响

§5．1．3．正常运行状态下的静态电磁特性

§5．2．电枢绕组开路故障的容错控制策略和容错运行能力

§5．2．1．无故障运行状态下的电压及电流矢量关系

§5．2．2．A相开路故障时的容错控制策略和容错运行能力

§5．2．3．A-D两相开路故障时的容错控制策略和窖错运行能力

§5．2．4．A-B和A-C两相开路故障时的容错控制策略和容错运行能力

§5．2．5．转子不平衡径向磁拉力

§5．2．6．励磁电流对u形铁心电机容错控制策略和容错运行能力的影响

§5．3．样机及实验验证

§5．3．1．实验样机及实验平台

§5．3．2．有限元分析实验验证

§5．4．本章小结

第6章 六相HEFS电机数学模型和调速系统仿真模型

§6．1．定子静止坐标系下的六相HEFS电机数学模型

§6．1．1．磁链方程和电压方程

§6．1．2．功率方程和转矩方程

§6．1．3．机械运动方程

§6．2．转子旋转坐标系下的六相HEFS电机数学模型

§6．2．1．磁链方程和电压方程

§6．2．2．功率方程和转矩方程

§6．3．六相HEFS电机的调速系统仿真模型

§6．3．1．调速系统基本控制策略

§6．3．2．调速系统仿真建模

§6．4．六相HEFS电机的调速性能

§6．4．1．正常运行状态输出特性和动态响应

§6．4．2．故障状态容错运行输出特性

§6．5．本章小结

第7章 总结与展望

§7．1．全文总结

§7．2．课题展望

附录

参考文献

攻读博士学位期间的学术成果

致谢