基于单绕组磁悬浮开关磁阻电机的飞轮电池系统研究

摘要

飞轮电池作为一种机、电、磁一体化的节能储能装置，具有功率密度大、运行效率高、环境友好性强以及工作寿命长等一系列特有性能。随着高强度材料、现代控制理论、磁悬浮支承技术、电力电子技术以及制造加工工艺的蓬勃发展，飞轮电池在可再生能源、增程式电动汽车、纯电动动汽车、农村微电网、分布式发电系统以及航空航天等领域迎来了新的发展契机。
　　对于完全集成式飞轮电池，其首要目标是降低摩擦损耗、提高运行效率，相应的关键技术主要集中于支承系统设计与控制、电动机/发电机多模态协调控制等。为最大限度提高能量利用率，通常采用径向磁轴承与轴向磁轴承作为轴承支承系统设计方案，但随之带来了系统轴向长度较长，结构复杂、体积庞大等缺点。本文以高转速、低损耗、高可靠性的完全集成式飞轮电池为设计目标，提出一种以单绕组外转子磁悬浮开关磁阻飞轮电机（简称单绕组磁悬浮飞轮电机，SWBFM）为核心部件的五自由度磁悬浮飞轮电池支承与传动系统，该方案具有“适时悬浮”特点，同时其绕组利用率高、功率密度大，独特的机械结构大大缩短了飞轮转子轴向长度，提高了临界转速与系统集成度，在高速低损飞轮电池领域具有重大的研究与应用价值。
　　论文以飞轮电池支承与传动系统为研究对象，围绕磁悬浮支承系统设计，永磁偏置轴向-径向混合磁轴承高效可靠运行控制，电机关键参数优化设计、运行机理/容错性能分析、精确快速数学建模、电动/悬浮模态下控制策略以及高速数字控制系统设计等关键技术开展研究。主要研究内容概括如下：
　　(1)研究一种完全集成式五自由度磁悬浮飞轮电池结构方案，以低损耗、高比功率、高紧凑性、高可靠性为设计目标，分析了异步电机，永磁电机，磁阻电机工作特性以及电磁特点，进一步对比不同结构的磁悬浮开关磁阻电机的运行机理与工作特性，确定了SWBFM最终选型。以降低系统损耗，缩小磁轴承体积，提高系统径向-轴向负载能力为目标，确定飞轮电池磁悬浮支承系统方案。
　　(2)分析永磁备用轴承不同结构参数和磁环偏心对磁力的影响，基于虚位移法，推导出工程化显式数学模型，有限元分析验证了数学模型的精确性；利用等效磁路法，构建了三自由度永磁偏置磁轴承（3-DOF PMBMB）悬浮力数学模型，研究了磁极面积、控制线圈匝数、定转子结构等参数的设计方法，有限元分析验证设计方法的正确性。
　　(3)为提高飞轮电池的运行性能，围绕三自由度永磁偏置磁轴承控制系统进行较深入研究，通过有限元分析其线性工作区域和非线性工作区域电磁特性；以转子起浮速度快，稳态运行抖动小为目标，设计出在线性工作区域内基于数学模型的变饱和柔性变结构（VSSVS）控制器；为提高系统在极端情况下运行可靠性、拓宽磁轴承转子悬浮区域，设计出非线性工作区域内无模型自适应控制器（MFAC）；实验验证了控制器的合理性与可行性。
　　(4)将人工智能算法用于SWBFM关键结构参数优化设计中，提出基于最小二乘支持向量机与和声混沌搜索的优化算法。建立了电机主体尺寸计算模型和基本尺寸计算公式，研究了绕组结构优化设计方法，研究了不同结构参数对飞轮电池性能的影响，确定了对电机性能影响较为明显的主要结构参数以及取值区间，建立了电机性能优化指标的优化函数以及基于权重因子的统一目标函数构建方法；构建了最小二乘支持向量机非参数模型，研究了基于和声混沌搜索的优化算法；给出了飞轮尺寸的设计方法并制造了实验样机。
　　(5)根据飞轮电池的不同运行模态，分析了SWBFM在电动/悬浮，空载/悬浮，发电/悬浮状态下的运行机理；考虑在极端条件下单极绕组开路情况，为保证系统稳定运行，提出了无?方向径向力约束和有?方向径向力约束的径向力补偿方案。
　　(6)采用虚位移法的磁悬开关磁阻电机建模过程中存在不够直接，不具有通用性等不足，为了实现SWBFM快速建模与精确控制，加快其工程推广应用速度，建立了基于麦克斯韦应力法的悬浮力与转矩模型，给出了等效积分路径的理论证明，有限元分析验证了数学模型的正确性。
　　(7)结合SWBFM电动/悬浮运行机理，设计出控制系统总体结构，给出了转矩电流分量和悬浮电流分量的计算流程，确定了平均转矩/瞬时悬浮力控制策略，实验验证了SWBFM控制系统的合理性。
　　(8)针对SWBFM高速运行控制需要，设计了基于DSP+CPLD的SWBFM高速数字控制系统，主要包括：控制系统结构、功率变换器拓扑、驱动与缓冲电路、保护电路、转子位置、位移检测电路、电流检测调理电路等。

目录

声明

缩写词与单位表

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 飞轮电池发展概况与关键技术

1.3 主动磁轴承发展概况与关键技术

1.4 BSRM及其关键技术综述

1.5 本文的研究内容与结构安排

第2章 飞轮电池轴承支承系统设计

2.1 完全集成式飞轮电池设计方案

2.2 永磁备用轴承数值解析设计

2.3 三自由度永磁偏置磁轴承设计

2.4 本章小结

第3章 永磁偏置磁轴承控制系统研究

3.1 PMBMB耦合性分析

3.2 线性区域下变饱和柔性变结构控制

3.3 非线性区域下无模型自适应控制

3.4 本章小结

第4章 单绕组磁悬浮飞轮电机和声混沌优化设计

4.1 本体设计

4.2 SWBFM参数设计结果与分析

4.3 基于和声混沌搜索的SWBFM结构参数优化

4.4 飞轮用金属材料设计

4.5 SWBFM参数设计汇总与样机

4.6 本章小结

第5章 单绕组磁悬浮飞轮电机电动/悬浮建模与控制

5.1 SWBFM运行机理阐述

5.2 SWBFM悬浮力建模

5.3 SWBFM运行控制

5.4 本章小结

第6章 单绕组磁悬浮飞轮电机高速数字控制系统

6.1 SWBFM实验平台总体设计方案

6.2 控制系统的功率变换器与保护电路设计

6.3 控制系统的功能子模块设计

第7章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士期间学术成果