混合励磁轴向磁场磁通切换永磁电机效率优化控制策略研究

发布时间：2020-09-04 22:21

　　定子励磁型混合励磁轴向磁场磁通切换永磁(Hybrid Excited Axial Field Flux-Switching Permanent Magnet,HEAFFSPM)电机是一种全新拓扑的混合励磁电机,具有短轴向长度、高转矩密度、强过载能力、低速大转矩特性和宽恒功率运行范围等特点,特别适合电动汽车等要求宽调速及大转矩的应用场合。本文基于HEAFFSPM电机为研究对象,探索电机损耗、效率和电流间的协调规律,实现系统的低速大转矩与高效宽调速运行,为该电机在分布式驱动电动汽车中的应用提供理论依据和技术支持。首先,阐述课题的研究背景、现状及意义,分析HEAFFSPM电机的拓扑、运行原理及调磁机理,在此基础上建立该电机的数学模型,并搭建仿真模型进行分析验证。其次,研究混合励磁电机的id = 0控制、弱磁控制和铜耗最小控制等策略,并进行正确性和有效性验证。为进一步提高驱动系统效率,提出一种计及铜耗和铁耗的效率优化控制策略。推导计及铜耗和铁耗的电机数学模型,并构建该电机效率优化控制系统。研究不同运行工况下,电枢电流和励磁电流的协调控制规律,实现电机的最小损耗运行,增强电机带负载能力,拓宽电机恒功率运行范围,提高系统运行效率。最后,设计以MicroLabBox为核心的混合励磁系统实验平台,验证id = 0控制、铜耗最小控制和效率优化控制等策略的有效性,并对电机的增磁及弱磁特性进行测试。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM351
【部分图文】：

双转子,电机

流的大小和方向调节气隙磁场，实现了电机的增磁和弱磁运行，有效提高了电机^/负载能力，拓宽了恒功率运行区域。如图1-2(a)所示，文献[27-29]提出了一种双转子HEAFFSPM发电机。该电机定子采用背靠背分割式拓扑结构，定子包括12个“H”型的定子铁心块，采用隔磁环将电机整体磁路分为内外两个部分，电枢绕组、励磁绕组和永磁体都安装在定子上，转子由转子极和转子磁轭组成。如图1-2(b)所示，文献[30]提出了一种新结构双转子HEAFFSPM电机。该电机采用中间定子结构，定子两侧的齿分为两个小齿，相邻小齿中间夹放永磁体，定子齿开口处放置电枢绕组，励磁绕组缠绕在定子轭部。上述两种结构电机轴向长度短，转子结构简单

双定子,电机

图 1-2 双转子 HEAFFSPM 电机 Fig.1-2 Double rotor HEAFFSPM machine如图1-3所示为东南大学的林明耀教授提出的一种双定子励磁型HEAFFSPM电机[31-34]。该电机类似三明治结构，由两个结构一样的定子和一个转子构成，转子结构简单，高速运行时不会出现永磁体脱落的现象，具有短轴向长度、体积小、易于散热等优点。通过调节电励磁绕组中直流励磁电流的极性与大小，可以有效地调节气隙磁场，实现增磁、永磁及弱磁运行模式，改善电机低速区带载能力，拓宽高速区恒功率运行范围。综上所述，HEAFFSPM 电机结合了轴向磁通切换永磁电机和电励磁同步电机的优点，具有以下特点：（1）轴向长度短；

框图,开环控制系统,电机转速,框图

图 1-3 双定子 HEAFFSPM 电机 Fig.1-3 Double stator HEAFFSPM machine HESM 控制技术研究现状HESM 因调速范围宽、过载能力强等优点引起了国内外众多学者的关注，但 HESM 的拓扑结构研究为主，对控制技术的研究较少。如图 1-4 所示，基于混合励磁磁通切换永磁(HE Flux-Switching Permanent MSPM)电机，文献[35]提出了一种转速开环弱磁控制策略，转矩参考值直接给磁控制策略给定电流参考值，通过电流内环控制该电机运行性能。仿真和实，文献所提出的弱磁控制策略有效拓宽了电机速度运行范围，且在一定程度速区电机带载能力，但没有实现低高速两个运行区域的平滑切换，且系统抗能差，控制精度低。

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