飞轮电池用五自由度单绕组磁悬浮开关磁阻电机参数设计及运行控制

摘要

随着新能源发电、分布式电源系统、混合动力车辆、航空航天等领域的发展，储能技术已成为世界性的研究课题。众多储能技术中，飞轮电池以功率大、效率高、寿命长、储能密度大、清洁无污染等优点受到国内外的高度重视。作为一种集机械、控制、电子等技术于一体的新型储能装备，飞轮电池目前还存在诸多制约其工程化应用的技术难题，主要表现于悬浮支承系统、集成式高速/超高速电机的性能与控制等。为减小支承损耗，飞轮电池通常采用多个磁悬浮轴承支承，增加了飞轮轴向长度，降低了临界转速，同时也导致飞轮电池结构复杂、体积庞大。为此，论文提出一种以单绕组磁悬浮开关磁阻电机为核心部件的飞轮电池用五自由度磁悬浮支承与传动系统，实现了悬浮支承系统与驱动电机的统一，大大缩短了飞轮转子轴向长度，提高了临界转速、功率密度与系统集成度，进一步减小了支承损耗，在高速低损飞轮电池领域具有重大的研究与应用价值。
　　 在国家自然科学基金(61074019，60774044)与江苏省高校“青蓝工程”科技创新团队等项目的资助下，论文以实现飞轮电池用五自由度磁悬浮电机的高速、低损耗运行为目标，围绕五自由度单绕组磁悬浮开关磁阻电机支承与传动的飞轮电池结构、低损耗永磁偏置轴向—径向混合磁悬浮轴承优化设计、单绕组磁悬浮开关磁阻电机优化设计与高速运行控制策略、五自由度磁悬浮电机的数字控制系统等关键技术开展研究。主要研究内容与成果概略如下:
　　 (1)研究提出一种飞轮电池用五自由度磁悬浮电机支承与传动系统结构。在分析飞轮电池动、静载荷的基础上，以降低支承损耗、提高支承力可控性为目标，研究确定了飞轮电池五自由度磁悬浮支承与传动系统结构方案;分析了相同功率下单绕组磁悬浮开关磁阻电机与双绕组磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力、转矩、效率与功率密度特性，给出了磁悬浮开关磁阻电机的选型方法。
　　 (2)提出低损耗永磁偏置轴向—径向混合磁悬浮轴承的优化设计方法。基于旋转磁场理论，通过减小转子铁心磁场波动频率以降低转子铁心损耗，设计了低损耗的永磁偏置轴向—径向混合磁悬浮轴承结构;分析了轴向与径向气隙处的磁力线分布特性，构建了轴向与径向承载力的数学模型，获得轴向、径向位移刚度与电流刚度;利用等效磁路法，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;建立了转子铁心损耗计算模型，验证了混合磁轴承高速运行时的低损特性。
　　 (3)提出基于相关向量机与粒子群优化的单绕组磁悬浮开关磁阻电机关键参数优化设计方法。建立了电机主体尺寸计算模型，以提高电机出力、减小相间耦合为目标，研究了绕组结构优化设计方法;分析飞轮电池对电机悬浮力、转矩、效率与功率密度等性能参数的要求，研究了结构参数对性能参数的敏感度，获取影响电机性能的主要结构参数;建立电机性能的多目标优化函数，研究基于基值与权重因子的统一目标函数构建方法;构建了主要参数与统一目标函数的相关向量机非参数模型，研究了基于粒子群的电机参数优化设计算法;开展了相关的仿真与试验研究，验证了设计方法的正确性。
　　 (4)提出单绕组磁悬浮开关磁阻电机的双相导通高速解耦控制策略。分析了悬浮力与转矩的有效产生区间，研究了悬浮相与旋转相的绕组电流分配方法，提出了悬浮力与转矩分相产生的双相导通高速解耦策略;优化计算了悬浮相电流转矩分量与旋转相关断角，有效减小了转矩脉动，提高了瞬时悬浮力的响应速度;开展了相关的仿真试验研究，验证了控制策略的正确性。
　　 (5)提出了基于自适应相关向量机的单绕组磁悬浮开关磁阻电机转子径向位移自检测策略与方法。针对电机高速运行状态下饱和程度高、数据样本频带宽的特点，以磁链、电流与转角为输入，以径向位移为输出，研究提出高斯核函数宽度自适应调节的相关向量机算法，建立了位移参量的自适应相关向量机预测模型;仿真结果表明，该策略的实时性与预测精度均较好地满足电机高速悬浮运行的需要。
　　 (6)构建了DSP与FPGA复合结构的飞轮电池用五自由度单绕组磁悬浮开关磁阻电机高速数字控制系统。分析了五自由度磁悬浮电机对数字控制系统的性能要求，研究检测与控制算法的分配、规划以及在DSP与FPGA的实现策略与方法;设计了相关的功率变换、转子位置与位移信号检测、电流滞环控制、PWM控制等硬件模块。
　　 最后，在总结全文的基础上，提出需要进一步研究的内容和今后工作的重点。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 飞轮电池的结构与工作原理

1．3 飞轮电池的研究现状及发展趋势

1．4 飞轮电池用电机的研究现状

1．4．1 飞轮电池用传统电机

1．4．2 飞轮电池用五自由度磁悬浮电机

1．5 磁悬浮开关磁阻电机的研究现状

1．6 本文的研究内容与结构安排

第2章 飞轮电池用五自由度单绕组磁悬浮开关磁阻电机结构方案

2．1 五自由度单绕组磁悬浮开关磁阻电机支承的飞轮电池主体结构

2．2 轴系结构

2．3 二自由度磁悬浮开关磁阻电机结构方案

2．3．1 磁悬浮开关磁阻电机分类

2．3．2 磁悬浮开关磁阻电机选型

2．4 三自由度磁悬浮轴承系统结构方案

2．4．1 磁悬浮轴承分类

2．4．2 磁悬浮轴承选型

2．5 本章小结

第3章 低损耗三自由度永磁偏置轴向——径向混合磁悬浮轴承研究

3．1 三自由度混合磁悬浮轴承的几种拓扑结构与分析

3．1．1 拓扑结构一

3．1．2 拓扑结构二

3．1．3 拓扑结构三

3．2 新型低损耗三自由度混合磁悬浮轴承的研究

3．2．1 结构与工作原理

3．2．2 悬浮承载力计算

3．2．3 参数设计

3．2．4 铁心损耗计算

3．3 设计结果与性能验证

3．3．1 设计要求与设计结果

3．3．2 电磁性能的仿真计算与验证

3．3．3 2极径向定子与4极径向定子三自由度混合磁悬浮轴承比较

3．4 本章小结

第4章 单绕组磁悬浮开关磁阻电机的优化设计

4．1 数学模型

4．1．1 转子位置角定义

4．1．2 磁导计算

4．1．3 电感矩阵

4．1．4 径向悬浮力与电磁转矩

4．2 本体设计

4．2．1 绕组结构

4．2．2 主体尺寸

4．2．3 绕组参数

4．2．4 悬浮力计算

4．2．5 电机基本尺寸

4．3 设计结果与主要参数分析

4．3．1 样机初步设计

4．3．2 主要参数分析

4．4 基于相关向量机与粒子群算法的结构参数优化

4．4．1 优化方法

4．4．2 基于相关向量机的非参数建模

4．4．3 基于粒子群算法的结构参数优化

4．5 本章小结

第5章 单绕组磁悬浮开关磁阻电机的运行控制

5．1 双相导通解耦控制

5．1．1 单相导通控制与分析

5．1．2 双相导通解耦数学模型

5．1．3 双相导通解耦控制

5．1．4 仿真与试验

5．2 转子径向位移自检测

5．2．1 磁链特性分析

5．2．2 转子径向位移自检测

5．2．3 仿真分析

5．3 本章小结

第6章 飞轮电池用五自由度单绕组磁悬浮开关磁阻电机高速数字系统硬件设计

6．1 高速数字系统总体设计

6．2 控制系统设计

6．2．1 DSP与FPGA简介

6．2．2 DSP与FPGA的功能分配

6．2．3 电流滞环控制器

6．2．4 PWM发生电路

6．3 功率变换器设计

6．3．1 单绕组磁悬浮开关磁阻电机主电路设计

6．3．2 三自由度混合磁悬浮轴承主电路设计

6．3．3 主开关缓冲电压设计

6．3．4 主开关驱动电路设计

6．4 信号检测与硬件接口

6．4．1 三自由度混合磁悬浮轴承位移信号检测

6．4．2 电流检测

6．4．3 转子角度位置检测

6．4．4 硬件接口

6．5 本章小结

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

攻读博士期间完成的论文与专利

攻读博士期间参与的科研项目