电动汽车飞轮电池用无轴承永磁同步电机热分析与数字控制系统研究

摘要

飞轮电池是一种新型物理储能方式，具有功率密度高、无污染、安全性能高等优点，应用到电动汽车中可提高汽车动力性与经济性。无轴承永磁同步电机(Bearingless Permanent Magnet Synchronous Motor, BPMSM)是近年来出现的集悬浮与旋转于一体的新型电机，应用到飞轮电池系统中可进一步提升飞轮转速，简化系统结构。本文在国家自然科学基金(51305170)、江苏省优秀青年基金项目(BK20170071)与江苏省高等学校自然科学研究重大项目（17KJA460005)的支持下，主要开展了 BPMSM悬浮力数学模型、电磁特性分析、温度场建模与分析、数字控制系统与实验等相关研究。主要内容如下： 1、在阐述麦克斯韦力的基础上，介绍了 BPMSM悬浮力产生的原理。应用麦克斯韦(Maxwell)应力张量法，从气隙磁动势的角度出发，逐步推导得出了BPMSM悬浮力数学模型。 2、采用参数化建模的方法，建立了三种不同转子拓扑结构的BPMSM有限元模型。比较了三种结构BPMSM的转矩性能与悬浮力性能，考虑到在飞轮电池领域的应用，选择内置式无轴承永磁同步电机(Interior IBPMSM, ffiPMSM)作为研究对象，并在此基础上详细研究了 ffiPMSM的磁场分布、感应电动势、电感等其它电磁性能。 3、BPM SM定子槽中具有两套绕组，导致损耗较大。针对该问题，开展了BPMSM温度场的研究。应用有限元法计算了 BPMSM的铁芯损耗和永磁体涡流损耗，并将其转换为热源。在此基础上，对气隙与绕组绝缘进行等效处理，并在ANSYS/Workbench中建立了 BPMSM温度场模型。通过加载热源、导热系数、散热系数，对BPMSM三种典型运行工况进行了仿真分析。 4、针对BPMSM传统控制方法的不足，提出了基于空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)的控制策略实现对BPMSM转矩与悬浮力的高效控制。基于控制核心芯片TMS320F2812DSP，设计了相应的硬件系统，包括电源电路、电流信号处理电路、位移信号处理电路、光码信号处理电路、PWM保护电路、驱动电路等;编写了相应的软件系统，包括转速及转子角度计算模块、转子初始定位模块等，为BPMSM的实验研究奠定了基础。 5、在设计的BPMSM数字控制系统软硬件基础上，构建了BPMSM实验平台，开展了相关实验，包括静态悬浮实验与悬浮运行实验。实验结果表明，两种实验状态下BPMSM均可实现稳定运行。

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苏伯凯大论文终稿4

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