混合励磁双凸极电机及其驱动控制系统研究

摘要

混合励磁双凸极电机(简称HEDS电机)是一种新型磁通可控式定子永磁型双凸极电机,由于辅助电励磁绕组的存在,混合励磁电机不仅能继承永磁电机的诸多优点,而且具有电机磁场可灵活调节的特点。电动运行时,HEDS电机具有起动转矩大、调速范围广的优点,在工业驱动、航空航天、汽车舰船等领域具有潜在应用前景。本文以该新型HEDS电机为研究对象,首次系统介绍了HEDS电机磁场调节的一般原理,研究了HEDS电机基本结构、设计理论、控制策略等问题。试制了实验样机,进行了实验分析和验证,为该电机的进一步深入研究和推广应用奠定了基础。 论文主要研究成果包括以下几个方面： 1.提出结构新颖的定子永磁型HEDS电机结构,分析了HEDS电机的基本工作原理,并给出了混合励磁和混合励磁电机的一般定义。 2.建立了HEDS电机设计的一般方法,特别是推导出了电励磁绕组、永磁磁势以及磁通调节范围之间的一般关系,为混合励磁电机设计中永磁体材料用量、电励磁绕组安匝数等关键设计参数的确定提供了理论依据。 3.基于ANSYS平台,建立了混合励磁双凸极电机全参数化建模方法,深入分析了混合励磁双凸极电机的基本电磁特性,揭示了“一步法”分析混合励磁双凸极电机端部漏磁特性的数学基础和理论依据。 4.基于MATLAB建立了模块化、功能化的HEDS电机驱动控制系统通用仿真模型,为分析不同控制方式和控制策略对HEDS电机驱动控制系统性能的影响提供了良好的仿真平台。 5.研究了HEDS电机转矩脉动的抑制策略,对于直槽HEDS电机,提出了谐波电流注入法,对于斜槽HEDS电机,引入电流矢量控制,理论分析和实验验证了两种方法的可行性和效果,进一步丰富和发展了定子永磁型双凸极电机转矩脉动研究方法。 6.构建了基于DSP的HEDS电机数字驱动控制系统,设计了软硬件结合、多层次的综合保护电路,编制了控制系统软件程序,为HEDS电机驱动控制系统的实验验证奠定了软件和硬件基础。 7.实验验证了电机的稳态和动态性能,综合评估了电励磁绕组对电机调速范围、效率等性能的影响,为HEDS电机实用化研究提供了理论和实验基础。

目录

文摘

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论文说明：图表目录

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第1章绪论

§1.1.混合励磁电机的提出

§1.1.1.混合励磁与混合励磁电机

§1.1.2.气隙磁场调节原理

§1.2.混合励磁电机基本结构类型与研究现状

§1.2.1.转子永磁型混合励磁电机

§1.2.2.定子永磁型混合励磁电机

§1.3.混合励磁电机研究难点

§1.4.本课题研究内容和论文结构

§1.4.1.课题研究主要内容

§1.4.2.论文结构

第2章HEDS电机基本结构与运行原理

§2.1.引言

§2.2.DSPM电机的典型结构

§2.3.12/8极HEDS电机提出

§2.4.HEDS电机基本结构

§2.5.HEDS电机基本工作原理

§2.6.本章小结

第3章HEDS电机的设计

§3.1.混合励磁电机设计特点与方法

§3.2.电机的功率方程

§3.3.主要尺寸方程

§3.4.定、转子极弧的选取

§3.5.永磁体尺寸

§3.6.电枢绕组的匝数

§3.7.电励磁绕组的励磁磁势与磁场调节能力

§3.8.HEDS电机设计数据

§3.9.本章小结

第4章HEDS电机电磁性能分析

§4.1.永磁电机电磁场计算的一般方法

§4.2.HEDS电机的有限元模型

§4.3.基于ANSYS的电机建模与分析

§4.3.1.混合励磁电机的参数化建模

§4.3.2.混合励磁电机的网格剖分

§4.4.HEDS电机的磁场分析

§4.4.1.空载永磁磁场分布

§4.4.2.永磁与电励磁共同作用下的磁场分布

§4.1.1.负载磁场分布

§4.5.HEDS电机的静态特性计算与验证

§4.5.1.绕组磁链

§4.5.2.绕组电感

§4.5.3.反电势

§4.5.4.定位力矩

§4.5.5.静态转矩

§4.6.HEDS电机端部漏磁特性分析

§4.6.1.端部漏磁特性的影响

§4.6.2.3D有限元模型

§4.6.3.端部漏磁特性分析

§4.6.4.端部漏磁系数与电机参数的关系

§4.7.本章小结

第5章HEDS电机驱动控制系统建模与仿真

§5.1.HEDS电机的数学建模

§5.1.1.定子相绕组电压方程

§5.1.2.磁链方程：

§5.1.3.功率方程：

§5.1.4.转矩方程

§5.1.5.机械运动方程

§5.2.磁场调节能力与最大转速的关系

§5.3.HEDS电机控制模式

§5.4.基于MATLAB的HEDS电机控制系统建模与仿真

§5.4.1.电气系统与控制系统混合仿真

§5.4.2.HEDS电机仿真模型

§5.4.3.HEDS电机控制系统基本控制策略

§5.5.HEDS电机及其驱动系统数字仿真研究

§5.5.1.HEDS电机励磁电流为零时的驱动性能

§5.5.2.HEDS电机电励磁电流不为零时性能分析

§5.6.本章小结

第6章HEDS电机转矩脉动分析与抑制策略研究

§6.1.BEDS电机转矩脉动分析

§6.2.HEDS电机空载反电势的谐波分析

§6.3.谐波电流注入法的提出

§6.4.谐波电流注入法的仿真研究与分析

§6.5.斜槽转子HEDS电机电磁性能分析

§6.5.1.斜槽HEDS电机的建模

§6.5.2.斜槽转子HEDS电机电磁性能分析

§6.5.3.斜槽HEDS电机数学建模

§6.5.4.电流矢量控制与转矩脉动的关系仿真研究

§6.6.本章小结

第7章HEDS电机驱动控制系统软硬件设计与实现

§7.1.HEDS电机驱动系统结构与硬件设计

§7.1.1.YMS320F2812的结构与特点

§7.1.2.功率变换电路设计及功率器件的选择

§7.1.3.IPM驱动电路的设计

§7.1.4.电流检测和信号调理电路的设计

§7.1.5.转子速度与位置检测电路

§7.1.6.控制系统保护电路综合设计

§7.2.HEDS电机驱动控制系统的软件设计

§7.2.1.HEDS电机驱动系统软件框架

§7.2.2.控制系统软件设计DSP中断源的使用

§7.2.3.HEDS电机速度的计算与控制

§7.2.4.HEDS电机位置的计算

§7.2.5.HEDS电机的启动

§7.3.本章小结

第8章HEDS电机驱动控制系统实验研究

§8.1.HEDS电机实验系统的构成

§8.2.HEDS电机恒压发电实验研究

§8.2.1.HEDS发电机自然特性实验研究

§8.2.2.HEDS发电机恒压发电特性实验研究

§8.3.HEDS电机驱动控制系统实验研究

§8.3.1.HEDS电机电流、速度双闭环控制器设计

§8.3.2.HEDS电机稳态和动态性能分析

§8.3.3.HEDS电机磁场调节特性实验研究

§8.4.转矩脉动抑制策略实验研究

§8.4.1.谐波电流注入法与转矩脉动

§8.4.2.电流矢量控制与转矩脉动

§8.5.本章小结

第9章总结与展望

§9.1.全文总结

§9.2.展望

参考文献

攻博期间完成的学术成果

攻博期间参与的科研项目及学术经历与奖励

致谢