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12/8极共悬浮绕组式无轴承开关磁阻电机控制策略研究

12/8极共悬浮绕组式无轴承开关磁阻电机控制策略研究

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作者：崔睿珍北京交通大学

学位级别：硕士

无轴承开关磁阻电机(BSRM)不仅具有开关磁阻电机(SRM)的结构简单、调速范围广泛、成本低廉、启动转矩大等优点,还具有无轴承电机的运行寿命长、维修成本低、无菌无污染等优点。BSRM与气浮轴承、液浮轴承不同,不需要额外的压力传送系统,... 详细信息

无轴承开关磁阻电机(BSRM)不仅具有开关磁阻电机(SRM)的结构简单、调速范围广泛、成本低廉、启动转矩大等优点,还具有无轴承电机的运行寿命长、维修成本低、无菌无污染等优点。BSRM与气浮轴承、液浮轴承不同,不需要额外的压力传送系统,在已有的绕组上增设悬浮绕组即可实现转子的稳定悬浮。本文的研究对象为共悬浮绕组式BSRM,该结构电机通过改变定子绕组的分布结构不仅从结构上实现了转矩与径向力的解耦,还减少了悬浮绕组驱动电路的复杂度,为控制系统搭建与悬浮策略实现带来了便利。本文利用麦克斯韦应力法分析了转子的径向受力与切向受力,并选取了适合的积分路径得出了转子受力与气隙磁密的关系式。在气隙磁密的计算过程中,利用一种线性公式描述了铁磁材料的磁化特性,得出了磁路饱和时的气隙磁密表达式,进而推导了考虑磁饱和的径向力与转矩解析模型。通过有限元计算结果证明了解析模型的准确性,为控制策略设计奠定了理论基础。从有限元分析、绕组电感分析、解析模型分析的角度解释了共悬浮绕组式BSRM具有自解耦特性的原理,并通过实验结果验证了电机的转矩不受悬浮绕组电流的影响,说明了该结构的电机在不施加额外的解耦控制策略的前提下实现了自解耦,为成功实现悬浮-旋转协同控制具备了条件。研究了基于径向力解析模型的悬浮控制策略下的转子悬浮性能,通过实验数据说明了基于径向力解析模型的悬浮控制策略相对于传统双闭环悬浮控制策略具有更优良的悬浮控制性能。提出了双相导通模式下的最小能耗悬浮控制策略,解决了单相导通悬浮控制下存在径向力缺失区间,传统双相导通模式下系统能耗大、调节重叠导通区间不灵活等问题。以能耗最小为电流分配优化目标,给出了主导通相、副导通相与悬浮相电流分配数学模型,并利用该模型设计了最小能耗悬浮控制策略。实验与仿真数据表明,在该控制策略下不但能维持传统双相导通悬浮控制策略的悬浮性能,还能有效减少系统的能耗,具有良好的应用前景。研究了基于磁链解析模型的无位置传感器控制策略,利用梯形模型等效了气隙处的磁场强度分布情况,进而推导了磁链解析模型。通过有限元验证证明了本文提出的磁链解析模型能够准确描述不同结构参数、不同铁磁材料电机的磁链变化特性。并通过实验与仿真证明了基于推导的磁链解析模型设计的无位置传感器控制策略能够在一定的误差范围内估计转子位置与转速,能够改进传统的磁链电流法中通用性差、计算速度慢的问题,具有一定的应用前景。

关键词：无轴承开关磁阻电机解析模型自解耦悬浮控制最小能耗磁链电流法无位置传感器控制

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