飞轮电池用混合励磁磁悬浮开关磁阻电机及数字控制系统设计

摘要

飞轮电池是一种集机、电、磁一体的现代化储能装置，具有高效率、高能量密度和长寿命等一系列优越性能，在电动汽车、电力系统、新能源发电以及航空航天等领域有着广泛的应用前景。 鉴于现有飞轮电池结构复杂、损耗较高以及运行转速较低等缺陷，论文在国家自然科学基金(51307077，51377074，51707082)项目资助下，提出了一种基于混合励磁磁悬浮开关磁阻电机(Hybrid Excitation Bearingless Switched Reluctance Motor , HEBSRM)的飞轮电池新结构。采用 HEBSRM 实现电动和四自由度径向悬浮，轴向卸载永磁轴承(Axial Unloading Permanent Magnet Bearing , AUPMB)卸载飞轮重量，再辅以轴向混合磁轴承(Axial Hybrid Magnetic Bearing , AHMB)克服轴向动载荷，从而实现飞轮转子的五自由度全悬浮。该结构不仅大大降低了绕组铜耗和发热量，还提升了系统的临界转速、集成度以及运行可靠性，有利于飞轮电池的进一步发展和推广，具有重大的研究意义和应用价值。主要研究成果如下： (1) 针对传统BSRM非线性、强耦合的缺点，提出了一种HEBSRM新结构。其中，永磁环的采用降低了绕组的安匝数，提高了运行效率；电机径向四自由度悬浮力的实现，缩短了飞轮电池支承系统的轴向长度，使结构更加紧凑、稳固。详细介绍了新电机的结构与工作原理，推导了其悬浮力数学模型，并给出了基本尺寸的计算方法；运用单一变量法，分析不同转子轭高、转子极弧、转矩极弧、悬浮极弧以及永磁环厚度对电机平均转矩、转矩脉动、平均悬浮力、悬浮力脉动的影响，确定了最优参数；在最优参数的基础上，运用Ansoft Maxwell 3D有限元软件，分析磁密、转矩、悬浮以及耦合特性，验证了结构的合理性。 (2) 鉴于轴向磁轴承采用永磁环单独励磁时的不可控或线圈单独励磁时的高损耗特性，选取了永磁环励磁和线圈电励磁混合的AHMB，并详细介绍了AHMB基本组成部分，推导了轴向悬浮力的数学模型，通过有限元分析验证了结构的合理性。 (3) 飞轮转子的重力是不变的静载荷，采用 AUPMB 卸载其重力，极大地降低了AHMB 的功耗，提高了运行效率。对永磁环的充磁方式进行了详细分析，选取了轴向充磁的AUPMB。建立了卸载力的数学模型，并通过有限元分析得到了最大卸载力，验证了结构以及数学模型的合理性。 (4) 针对 HEBSRM 高速运行控制的需要，构建了以 DSP 芯片 TMS320F28335 和CPLD芯片EPM570为核心的数字控制系统，主要包括控制器、悬浮系统绕组功率变换器、转矩系统绕组功率变换器、开关器件驱动电路、转子位移位置角检测电路以及电流检测电路等组成部分。 最后，总结了本文所开展的工作，提出了下一步需要深入研究的内容。

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