飞轮电池用外转子磁悬浮无刷直流电机的优化设计与分析

摘要

21 世纪能源问题成为世界主要问题之一。可再生能源的发展迫在眉睫，由于飞轮电池性能优越，在可再生能源应用中有很高的研究价值。磁悬浮无刷直流电机因其特点很适合应用于飞轮电池当中。针对该电机在飞轮电池中还存在的一些缺陷，本文提出了一种飞轮电池用磁悬浮无刷直流电机，即外转子磁悬浮无刷直流电机(Outer-rotor Bearingless Brushless DC Motor，简称OBBDM)。该电机功率密度高，悬浮力和转矩之间耦合度较低，其结构的设计可极大的缩减飞轮电池尺寸实现飞轮电池的高集成度，其悬浮力的产生原理使之具有较强的悬浮力调节性能。 首先简要介绍了OBBDM整个系统的基本组成，提出了OBBDM电机本体的基本结构，讲解了电机本体结构包括转矩绕组与悬浮绕组的连接方式，根据该电机的通电特点，提出同齿的转矩绕组与悬浮绕组不同时通电来减小耦合。解释了电机的转矩原理和悬浮原理，并给出了转矩数学模型和径向悬浮力的数学模型。 其次从飞轮电池的结构和需求出发对 OBBDM 进行设计和优化。参考于 BLDC电机的设计方法研究了 OBBDM 的电机参数设计方法并计算得出了初始值。为使电机性能更加优越，对电机进行多约束条件下的电机参数单一变量寻优，约束条件为在满足转矩和悬浮力前提下同时达到悬浮、转矩脉动和涡流、磁滞损耗最小，综合考虑约束条件的情况下确定最优参数。 再次利用 Ansys 旗下的有限元分析软件 Maxwell 研究电机的电磁特性。建立了OBBDM有限元模型，仿真和分析了电机各项性能参数。首先分析了电机磁场，包括磁场分布、转矩绕组和悬浮绕组的反电势和气隙磁场密度，验证了悬浮力产生的原理是因为气隙磁场密度的不平衡。然后分析了电机转矩特性，验证了转矩数学模型的结果。之后分析了悬浮力特性，验证了悬浮力数学模型，证明了电机悬浮力的调节性能。最后分析了电机的耦合特性，得出转矩与悬浮、悬浮与悬浮的耦合关系，证明了OBBDM的弱耦合性。 最后针对 OBBDM 样机的测试，设计了该样机使用的数字控制系统。从控制方法入手了解控制所需的检测量和控制量。设计了以TMS320F28335数字信号处理器为核心的数字控制系统。首先设计了转矩绕组与悬浮绕组的主电路，然后分别设计了驱动电路、信号调理电路与保护电路并制作了实物，并对实物进行了部分测试。 在文章的最后总结了本文所做的工作和所取得的成果，对本课题需要继续完成的工作进行了介绍。

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