电励磁双凸极电机转矩特性与控制方法研究

摘要

电励磁双凸极电机具有结构简单、坚固可靠、励磁可调、成本较低等优点，在航空电源、工业驱动等领域有重要应用价值。双凸极电机结构上类似于开关磁阻电机，但运行原理却显著不同。电励磁双凸极电机作为电动机运行，由于反电势、电感的特性差异以及励磁电流的引入，传统无刷直流电机及开关磁阻电机控制方式难以直接应用，也不能充分发挥双凸极电机的转矩输出能力。本文从电励磁双凸极电机的转矩形成机理和特性出发，对其转矩输出能力和工作效率进行充分挖掘，探索研究其高效控制策略与方法，从而提升了双凸极电机的输出转矩与工作效率。 首先基于机电能量转换原理和电励磁双凸极电机的电感特性，研究了电励磁双凸极电机转矩产生的机理。并对励磁转矩、磁阻转矩和定位力矩这三种基本转矩的特性进行了深入分析。指出并分析了电励磁双凸极电机的三种基本电动工作方式，即SRM方式、DSM1方式和DSM2方式。基于静态转矩特性分析研究了电励磁双凸极电机的极限转矩输出能力，提出了静态最大转矩控制方法。对电励磁双凸极电机的转矩脉动特性进行了研究，对抑制转矩脉动的方法进行了探讨。 系统分析并深入研究了现有的标准角控制、提前角控制以及三相六状态控制方法，分析了它们的优缺点。在此基础上提出了三相九状态控制方法，充分利用电感变化区间来输出转矩，因此电机的转矩输出能力得到提高。在静态最大转矩控制方法的基础上，又进一步提出了不对称电流控制方法，不仅电感变化区间得到了充分利用，而且磁阻转矩也得到了利用，因此电机的转矩输出能力提升到更高水平，并且转矩脉动也得到有效抑制。研究了气隙长度以及转子极宽等关键结构参数对电励磁双凸极电机转矩输出能力的影响规律，从而为电机本体优化提供了依据。 推导了电励磁双凸极电机在电动模态与发电模态下的统一的感应电势数学模型。提出了不斩波电流控制方法，通过调节角度参数和励磁电流来控制双凸极电机感应电势的大小，使之与母线电压保持平衡，从而减少相电流斩波发生的次数，有效提高了电机以及控制器的效率，因此整个驱动系统的工作效率得到优化。 建立了电励磁双凸极电机驱动系统的场路耦合仿真模型，采用C语言开发了Simplorer软件中双凸极电机专用仿真组件。基于现有电动叉车中1.3kW异步电机参数，研制了同尺寸的电励磁双凸极电机及控制器原理样机，构建了驱动系统实验平台。使用LabVIEW软件开发了双凸极电机专用的后台调试软件。在本文提出的控制方法下，电励磁双凸极电机的功率和效率得到显著提高，过载能力达到2.3倍，主要工作区的系统效率在75%~87%之间。原理样机的性能指标达到了电动叉车驱动系统的要求，表明电励磁双凸极电机在电动车辆领域具有重要应用前景。

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