电励磁双凸极电机基于SPWM的多重正弦叠加驱动研究

作     者：田清钰 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王勤

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：电励磁双凸极电机 有限元分析 线性化模型 SPWM 转矩电流比 

摘      要：电励磁双凸极电机(Doubly Salient Electromagnetic Machine,DSEM)是一种新型无刷直流电机,其结构简单,励磁绕组和电枢绕组均绕制在定子上,无永磁体制作成本较低,转子上无绕组,可直接驱动高速负载。DSEM可靠性高、功率密度高,在多电飞机、新能源汽车、风力发电等领域有广阔的应用前景。但DSEM具有较强的非线性特征,且在换相区不可避免地存在转矩跌落的问题,电机在高速运行时,电流脉动大、转矩电流比较小。本文主要研究DSEM的线性化建模方法,并在线性化模型基础上提出了新型驱动策略,实现了输出转矩特性的优化。本文首先介绍了DSEM的驱动系统及电动工作原理,在ANSYS中建立了电机本体有限元仿真模型,分析了电机静态特性和电机基本数学模型,介绍了基于分段线性模型提出的方波型驱动方法及其角度优化策略,并总结了其存在的问题。接着对有限元仿真结果进行傅里叶分析,并介绍了在此基础上的DSEM多域建模方法,包括时域傅里叶电感模型、时域平均转矩模型、复频域瞬时转矩模型和电压-电流高次谐波线性化模型。在此基础上,推导了最大转矩电流比(Most Torque per Ampere,MTPA)下的理想电流波形,提出了基于正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM)的多重正弦叠加(Multiple Sine Wave Superposition,MSWS)定频驱动方法及零电流区间桥臂闭锁优化方法。通过将方波提前角驱动与本文提出的驱动方法从电枢电流脉动和电感利用情况两方面进行对比分析,阐述了所提驱动方法在抑制电流脉动、提高转矩电流比和抑制转矩脉动方面的优越性。最后搭建了基于SPWM的MSWS驱动的DSEM电动运行系统仿真模型,对提出的驱动方法在宽转速范围下进行仿真分析,并与方波提前角驱动的仿真结果进行对比,证明了基于SPWM的MSWS驱动的可行性和优越性;设计搭建了DSEM驱动系统实验平台,介绍了系统的软硬件相关设计,并进行了基于SPWM的MSWS驱动和方波提前角驱动的对比实验,验证了本文所提出的驱动方法在提高转矩电流比和抑制转矩脉动方面的有效性。