阶跃式转子无轴承开关磁阻电机的设计与控制方法研究

发布时间：2020-11-01 16:51

　　 无轴承开关磁阻电机(BLSRM)是一种集驱动和悬浮于一体的新型电机,它将无轴承技术与开关磁阻电机(SRM)相结合,具有无轴承电机无机械磨损、使用寿命长、结构紧凑、输出功率大、无需润滑等诸多优点,因此在航空航天、高速电机等领域有着良好的应用前景。另外又继承了 SRM结构简单、成本低、损耗小、容错性强的优点,但也因此存在转矩波动大、噪声大的缺点。本文针对12/14混合定子极型BLSRM所存在的问题,进行了以下研究:首先,研究了 8/10和12/14两种混合定子极型BLSRM的结构原理和优缺点,为解决12/14混合定子极型BLSRM结构起动转矩小、转矩波动大的问题,设计了一种阶跃式转子BLSRM结构;对阶跃式转子BLSRM进行了初始设计,为使电机在具备自起动能力的条件下,进一步减小转矩波动,本文对粒子群优化算法(PSO)进行了研究,并针对其缺点进行了改进,最后运用改进PSO对阶跃式转子BLSRM进行了优化设计。其次,为验证阶跃式转子BLSRM的有效性,利用有限元分析软件对原12/14混合定子极型BLSRM和新电机结构进行了转子无偏心时的性能分析,包括磁力线分布、电感特性、转矩特性以及悬浮力特性,两者对比证明阶跃式转子BLSRM具备了自起动能力,且转矩波动大大减小了。同时,还分析了阶跃式转子BLSRM在转子发生偏心位移情况下的各项性能。最后,基于对经典悬浮力控制方法、SRM转矩控制方法的研究,结合阶跃式转子BLSRM的特点,制定了一套简单而有效的控制策略,在控制上进一步降低了转矩波动。根据所制定的控制策略,利用MATLAB的仿真功能,对阶跃式转子BLSRM进行了动态仿真,主要包括悬浮转子到中心位置和起动并加速到预定转速两个过程,同时每个过程又设置了悬浮力干扰和转矩突变来测试电机系统的抗干扰性能,仿真结果显示在带载以及突变负载的情况下,电机均能完成自起动且稳定运行,这证明了阶跃式转子BLSRM结构以及其控制策略的有效性。
【学位单位】：沈阳理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM352
【部分图文】：

长使用寿命、维护代价低和易于实现主动控制等一系列优良特性。因此，磁轴承??技术在机械加工工业、医疗卫生、计算机制造、机器人以及航空航天等高科技领??域得到了广泛的应用。图１．１为常见的五自由度磁悬浮系统结构示意图，该系统利??用两个径向磁轴承和一个轴向磁轴承，除释放转子旋转四由度外，其它五个白由??度均由磁轴承控制，实现了电机转子的五自由度悬浮。虽然磁悬浮轴承技术消除??了传统高速电机中转轴与机械轴承之间的机械摩擦，但在不同领域中仍存在系统??体积庞大、所需功率器件较多、控制复杂及成本较高等问题。??－１?－??

的大力支持下，沈阳工业大学、江苏大学、南京航天航空大学、西安交通大学、??台湾的淡江大学以及华中科技大学等机构的学者陆续加入了无轴承电机研宄行??列，为无轴承技术做出了一定的贡献。??（Ｉ）无轴承电机磁悬浮结构??无轴承电机种类较多，但悬浮原理基本类似，是一种集悬浮和旋转功能于一??体的新型电机。通常一台无轴承电机能够实现两自由度的径向悬浮，若要实现转??轴的多自由度悬浮，可增加一个径向磁轴承和一个轴向磁轴承，如图１．２?（ａ）所??示；也可增加一台无轴承电机和一个轴向磁轴承，如图１．２?（ｂ）；图１．２?（ｃ）是左??侧径向轴向三自由度磁轴承加上右侧无轴承电机的组合；如果缩短转子轴向长度，??则只需主动控制两自由度的径向位移即可实现转子的悬浮，如图１．２?（ｄ）所示，??无轴承薄片电机即是通过该方法实现的。此外，由图１．２可知，无轴承电机结构简??单，集成度高，制造成本低，轴向长度短，输出功率大，较适用于高速、超高速??的应用场合。??

电流限制在一定范围，即采用ＣＣＣ方式，使电机能够在恒转矩下运行，减小转矩??波动。??ＣＣＣ控制原理如图１．３所示，当电机转子处于固定角度位置时，绕组线圈??的开关器件导通，相电流从零快速上升，当电流值达到斩波上限时，断开绕组幵??关，电流迅速下降，当电流下降到斩波下限时，又迅速导通绕组，如此循环操作，??使绕组电流徘徊在斩波限附近，直到转子位置角度到达，则关闭绕组开关，实??现电流斩波控制。??Ｌ?％??图１．３?ＣＣＣ控制下的电流波形??Ｆｉｇ．?１．３?Ｃｕｒｒｅｎｔ?ｗａｖｅｆｏｎｎ?ｉｎ?ＣＣＣ?ｃｏｎｔｒｏｌ?ｍｏｄｅ??ＣＣＣ方式适用于电机起动或低速运行时，可有效地防止电机系统受到电流冲??击而损坏，且该控制方式下的电流呈现出宽范围的平顶状，因而产生的转矩较为??平稳，可降低转矩波动，在一定程度上弥补了?ＳＲＭ因自身结构转矩波动大、噪声??大的缺点。但频繁地切换功率开关器件状态，会增加系统的电磁干扰及噪声，且??不易消除
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本文编号：2865820