（电力电子与电力传动专业论文）无轴承开关磁阻全周期发电机励磁优化的研究与实现.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no nt h eo p t i m i z a t i o no fe x c i t a t i o n f o rf u l l p e r i o db e a r i n g l e s ss w i t c h e dr e l u c t a n c e j o e n e r a t o r s a i h e s i si n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g b y y a ot i a l l a d v i s e db y p r o f e s s o rd e n g z h i q u a n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：星翌垒亟 e t 期- 型里生迥三旦 ， ， 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 开关磁阻发电机与永磁电机相比在功率密度方面存在着不足。本文将无轴承技术和开关磁 阻电机的发电技术相结合，研究无轴承开关磁阻电机的全周期发电功能，有望在保持开关磁阻 发电机的高速适应性的同时改善其功率密度的局限性。 本文推导了全周期发电机的数学模型，建立了全周期发电机的m a t l a b 仿真模型，并搭 建了全周期发电机的实验平台。实验平台主要包括数字控制系统、功率驱动系统、全周期发电 机本体、拖动用异步电动机。 在此基础上，提出了加宽导通励磁控制策略，在不增加控制复杂性的基础上优化励磁，并 解决悬浮力凹陷问题。其后，从开关磁阻发电机的相电流解析及应用出发，研究了电流斩波控 制方式下的无轴承开关磁阻全周期发电机，求解其相电流，推导其磁链电流关系式进而分析其 能量转换关系，并总结出开通、关断角度的优化方法，进一步提高输出电压。通过仿真和实验 证明了加宽导通策略的优越性，验证了相电流解析和开关角度优化方法的有效性。 最后展望了下一步的研究工作。 本课题受国家自然科学基金( 5 0 8 7 7 0 3 6 ) 的支持。 关键词：开关磁阻发电机，无轴承电机，全周期发电机，加宽导通，相电流解析，能量转换， 角度优化，数字控制 无轴承开关磁阻全周期发电机励磁优化的研究与实现 a b s t r a c t t h ep o w e rd e n s i t yo fs w i t c h e dr e l u c t a n c eg e n e r a t o r s ( s r g s ) i sl o w e rt h a nt h a to fp e r m a n e n t m a g n e tg e n e r a t o r s c o m b i n i n gs r g s 谢m t h et e c h n o l o g yo fb e a r i n g l e s s 。t h ef u l l - p e r i o db e a r i n g l e s s s w i t c h e dr e l u c t a n c eg e n e r a t o r ( f p b s r g ) i ss t u d i e d w h i c hi sh o p e f u lt oi m p r o v et h el i m i t a t i o no f p o w e rd e n s i t yi ns r g sa 5w e l l 雒h o l d i n gt h eh i g h - s p e e da d a p t a b i l i t yo ft h e m f i r s t l y , t h em a t h e m a t i c a lm o d e li sd e d u c e d ，a n dt h es i m u l a t i o nm o d e li sb u i l ti nm a t l a b m e a n w h i l e ，t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sb u i l t ，w h i c hc o n t a i n sd i g i t a lc o n t r o ls y s t e m , p o w e rd r i v e s y s t e m , f p b s r g la n da s y n c h r o n o u sm o t o n b a s e do nt h ea b o v ew o r k s ，t h ew i d e - e x c i t a t i o ns t r a t e g yi sp r o p o s e dt oi n c r e a s ee x c i t a t i o na n d i m p r o v el e v i t a t i o nf o r c ea sw e l la sh o l d i n gt h ec o n t r o lc o m p l e x i t y t h ef p b s r gi nc h o p p i n gm o d ei s r e s e a r c h e db a s e do nt h ea n a l y s i sa n da p p l i c a t i o n so fs r g s t h ep h a s ec u r r e n ti so b t a i n e d , a n dt h e e x p r e s s i o nb e t w e e nf l u x l i n k a g ea n dc u r r e n ti sa l s od e d u c e dt oa n a l y z et h ee n e r g yc o n v e r s i o n t h e o p t i m i z a t i o nm e t h o do ff i r i n ga n g l e si sp r o p o s e dt oi n c r e a s et h eo u t p u tv o l t a g e t h es i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t sa r ei n c l u d e dt o v a l i d a t e t h ea d v a n t a g eo fw i d e - e x c i t a t i o ns t r a t e g ya n dv e r i f yt h e e f f e c t i v e n e s so fc u r r e n ta n a l y s i s a n dt h ee f f e c t i v e n e s so ff l d n ga n g l eo p t i m i z a t i o nm e t h o di sa l s o v e r i f i e d i nt h el a s tp a r to f t h et h e s i s ，t h ep r o s p e c to f r e s e a r c hi sp r e s e n t e d t h i ss u b j e c ti ss u p p o r t e db yn s f c 科o 5 0 8 7 7 0 3 6 ) k e yw o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c eg e n e r a t o r , b e a r i n g l e s sm o t o r f u l l - p e r i o dg e n e r a t o r , w i d e - e x c i t a t i o n , p h a s ec u r r e n ta n a l y s i s ，e n e r g yc o n v e r s i o n ，f i r i n ga n g l eo p t i m i z a t i o n , d i g i t a lc o n t r o l ， i i r j f 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 无轴承电机l 1 1 1 磁轴承电机与无轴承电机l l1 2 无轴承电机的研究概况2 1 2 无轴承开关磁阻全周期发电机的研究背景3 1 2 1 开关磁阻发电机3 1 2 2 无轴承开关磁阻全周期发电机及其研究现状4 1 3 课题的研究意义和本文的研究内容5 1 3 1 课题的研究意义6 1 3 2 本文的研究内容6 第二章无轴承开关磁阻全周期发电机的基本原理和励磁控制策略8 2 1 无轴承开关磁阻全周期发电机的基本原理8 2 1 1 悬浮原理8 2 1 2 发电运行原理9 2 1 3 数学模型1 1 2 2 无轴承开关磁阻全周期发电机的励磁控制策略1 9 2 。2 1 轮流导通策略。1 9 2 2 2 加宽导通策略。2 1 2 2 3 励磁控制策略的仿真比较2 2 2 3 本章小结2 5 第三章无轴承开关磁阻全周期发电机的相电流解析及应用2 7 3 1 开关磁阻发电机的相电流解析及应用2 7 3 1 1 相电流解析2 7 3 1 2 相电流解析的应用2 9 3 2 无轴承开关磁阻全周期发电机在电流斩波控制下的相电流解析及应用。3 2 3 2 1 相电流解析3 2 3 2 2 相电流解析的应用3 6 i l l 无轴承开关磁阻全周期发电机励磁优化的研究与实现 3 3 本章小结4 0 第四章无轴承开关磁阻全周期发电机的角度优化4 l 4 1 开关磁阻发电机的角度优化4 1 4 2 无轴承开关磁阻全周期发电机的角度优化4 4 4 3 本章小结。4 8 第五章无轴承开关磁阻全周期发电机的平台设计和实验结果。4 9 、 5 1 无轴承开关磁阻全周期发电机的实验平台设计4 9 5 1 1 数字控制器设计。4 9 5 1 2 软件设计5 0 r 5 1 3 机械设计5 3 5 2 无轴承开关磁阻全周期发电机的实验结果5 3 5 2 1 相电流解析的验证实验。5 3 5 2 2 斩波模式的对比实验。5 4 5 2 3 电压闭环的验证实验。5 4 5 2 4 角度优化实验5 5 5 3 本章小结。5 7 第六章总结与展望5 8 6 1 本文主要工作。5 8 6 2 需要进一步研究的工作5 8 参考文献6 0 致谢6 5 在学期间的研究成果及发表的学术论文6 6 i v 南京航空航天大学硕士学位论文 图表目录 图1 1 五自由度磁轴承电机l 图1 2 无轴承电机系统结构类型2 图2 1 无轴承开关磁阻电机悬浮力产生原理图。8 图2 2 无轴承开关磁阻全周期发电机的悬浮原理图。9 图2 3 开关磁阻发电机的典型相电流波形示意图。1 0 图2 4 无轴承开关磁阻全周期发电机的结构示意图1 0 图2 5 无轴承开关磁阻全周期发电机的典型电流波形1 1 图2 6 实验样机的转子角度定义1 2 图2 7 全周期电感数学模型的推导流程1 2 图2 8 无轴承开关磁阻全周期发电机的相绕组结构图和相等效磁路1 3 图2 9 麦克斯韦应力法推导全周期发电悬浮力数学模型的流程1 6 图2 1 0 麦克斯韦应力法积分路径示意图。1 6 图2 1 1 虚位移法推导全周期发电悬浮力数学模型的流程1 7 图2 1 2 考虑相与相之间相互作用时的全周期绕组结构图和等效磁路。1 8 图2 1 3 轮流导通策略下的典型电流波形1 9 图2 1 4 全周期发电系统框图2 0 图2 1 5 轮流导通策略下的悬浮绕组电流控制流程图2 0 图2 1 6 加宽导通策略下的典型电流波形。2 l 图2 1 7 加宽导通策略下的悬浮绕组电流控制流程图2 2 图2 1 8 两种策略下的输出建压比较2 3 图2 1 9 轮流导通策略的实际悬浮力仿真波形2 3 图2 2 0 加宽导通策略的实际悬浮力仿真波形。2 3 图2 21 两种策略下的悬浮绕组电流波形对比2 4 图2 2 2 两种策略下的电压闭环仿真2 4 图2 2 3 轮流导通策略下的位移闭环仿真一2 5 图2 2 4 加宽导通策略下的位移闭环仿真。2 5 图3 1 相电感与磁链2 7 v 无轴承开关磁阻全周期发电机励磁优化的研究与实现 图3 2 开关管关断后电流上升的波形比较图2 8 图3 3 开关管关断后电流下降的波形比较图2 9 图3 4 开通角固定为1 5 0 ，关断角变化的一组电流波形3 0 图3 5 关断角固定为3 0 。，开通角变化的一组电流波形3 0 图3 6 磁场储能波形3 2 图3 7 一相的电感和悬浮绕组电流。3 3 图3 8 全周期发电机的磁链电流关系曲线3 9 图4 1 固定开通角，优化关断角主程序的流程图4 2 图4 2 固定关断角，优化开通角的主程序流程图。4 2 图4 3 开通角固定，关断角变化对应的平均电磁转矩变化趋势图4 3 图4 4 关断角固定，开通角变化对应的平均电磁转矩变化趋势图4 3 图4 5 固定开通角变化关断角的输出建压4 4 图4 6 固定关断角变化开通角的输出建压4 4 图4 7 三种情况下的电流对比示意图4 5 图4 8 开通角固定，关断角变化的输出建压趋势图4 7 图4 9 悬浮力对主绕组电流波形的影响4 8 图5 1 数字控制器的硬件结构框图4 9 图5 2 各中断服务子程序之间的关系5 1 图5 3 轮流导通开关管驱动信号5 2 图5 4 加宽导通开关管驱动信号5 3 图5 5 全周期发电实验平台5 3 图5 6 相电流解析的验证5 4 图5 7 两种斩波模式的比较5 4 图5 8 轮流导通策略的电压闭环情况5 5 图5 9 轮流导通策略的电压角度关系5 5 图5 1 0 励磁宽度变化对输出电压的影响。5 6 图5 1 l 开通角变化对应的输出电压曲线5 6 图5 1 2 关断角变化对应的输出电压曲线5 7 v i 南京航空航天大学硕士学位论文 一、基本变量与说明 基本符号 f 工 口 毛 。 1 0 l 咱 p o l 以4 九l 一加 厶。 l 珏1 l s 融 口，加i ) - m ( m a 。s a 4 ) 1 。阳2 n 3 ，a 4 ) 踟 ， ， 如 队口 f nf t b ”b t 既 勘、勘 1 l f l 1 几。4 以 虹 注释表 说明 相电流 相电感 转子位置角 主绕组匝数 悬浮绕组匝数 主绕组电流 一相四个悬浮绕组的电流 一相四个齿极下的气隙磁导 一相四个齿极下的气隙磁通 主绕组自感 一相四个悬浮绕组的自感 主绕组和悬浮绕组间的互感 悬浮绕组之间的互感 真空磁导率 定、转子轴向叠片长度 转子外径 定、转子极中心线重合时的平均气隙长度 转子在a 轴和p 轴上的位移 磁场作用于一块面积上的法向电磁力和切向电磁力 磁感应强度的法向分量和切向分量 极间磁感应强度 边缘磁感应强度 单个悬浮绕组匝链的总磁链 单个悬浮绕组匝链的自感磁链 四个悬浮绕组匝链的总磁链 v i i 无轴承开关磁阻全周期发电机励磁优化的研究与实现 u s a l 谚口 谚砌 步胁 ( 1 ， 口l 、口2 、口3 、口4 、口5 凹 所 耽 地 m 以 k 单个悬浮绕组两端电压 主绕组匝链的总磁链 主绕组匝链的自感磁链 主绕组匝链的单个悬浮绕组互感磁链 悬浮绕组匝链的主绕组互感磁链 主绕组两端电压 发电电容两端的电压 电机角速度 与图3 1 中t l 、t 2 、t 3 、t 4 、t 5 相对应的角度 开通角相对图3 1 中坐标原点的增量 输入机械能 磁场储能增量 输出电能 悬浮绕组励磁电压 输出建压 开关磁阻电机的相数 转子一个周期转过的角度 相电感斜率的绝对值 悬浮绕组电流斩波限 二、缩略词 缩略词英文全称 s r gs w i t c h e dr e l u c t a n c eg e n e r a t o r b s r m b e a r i n g l e s ss w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r c p l d c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r p i t ) p r o p o r t i o ni n t e r g r a t i o nd e r i v a t i o n f p b s r g f u l l - p e r i o db e a r i n g l e s ss w i t c h e dr e l u c t a n c eg e n e r a t o r 中文名称 开关磁阻电机 无轴承开关磁阻电机 可编程复杂逻辑器件 数字信号处理 比例积分微分 无轴承开关磁阻全周期 发电机 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 本章首先分析磁轴承电机和无轴承电机的特点，并介绍无轴承电机的研究概况。在此基础 上，阐述开关磁阻发电机的研究背景及无轴承开关磁阻全周期发电机的研究现状。最后论述课 题的研究意义，并简要介绍本文的研究内容。 1 1 无轴承电机 随着现代化工业生产的发展，高速和超高速电机的应用日益广泛。高速电机在采用传统机 械轴承支撑时，由于发热严重，导致电机工作效率降低，使用寿命大幅度缩短，维护工作量增 加。 为了解决上述传统机械轴承带来的问题，气浮、液浮和磁悬浮轴承被大量地应用到高速和 超高速电机中。三者之中，磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、无需密封和润滑、高速度、高精 度、长寿命等一系列优良特性，在能源交通、机械加工工业、航空航天以及机器人等高科技领 域得到了广泛应用。 1 1 1 磁轴承电机与无轴承电机 由于磁悬浮轴承的优越性能，磁轴承电机近些年来得到迅速发展和完善。五自由度磁悬浮 电机中，除释放转子旋转自由度外，其它五个自由度均由磁轴承控制。图1 1 所示为一种常见 的五自由度磁轴承电机，转子在五个自由度上的悬浮需要两个径向磁轴承和一个轴向磁轴承协 调控制。 径向磁轴承轴向磁轴承电机径向磁轴承 图1 1 五自由度磁轴承电机 磁轴承电机自上世纪七十年代以来在多个领域获得了成功应用，但它依然存在一些问题， 如输出功率难以迸一步提高、微型化受到制约、成本高等。 为解决上述问题，上世纪八十年代末发展出一种集驱动和悬浮于一体的新型磁悬浮电机， 无轴承开关磁阻全周期发电机励磁优化的研究与实现 即无轴承电机。无轴承电机是根据磁轴承和电机定子在结构上的相似性，把磁轴承中的悬浮绕 组和电机绕组同时叠绕在电机定子上，使两者磁场合成一体，通过电力电子技术和微机控制技 术，同时控制电机转子的旋转和悬浮n 。钉。图1 2 所示为常见的五自由度无轴承电机系统的结构。 无轴承电机轴向磁轴承无轴承电机 径向磁轴承轴向磁轴承无轴承电机 ( a ) 径向轴向磁轴承无轴承电机 ( c ) 图1 2 无轴承电机系统结构类型 ( b ) 与传统的磁轴承电机相比，无轴承电机具有结构紧凑、轴向利用率和转轴刚度高、电能消 耗少等优点。 1 1 2 无轴承电机的研究概况 无轴承电机的概念最初由r b o s c h 于上世纪八十年代末提出n 1 。瑞士联邦工学院学者j b i c h s e l 实现同步电机的无轴承技术之后船1 ，无轴承电机技术受到了国内外众多专家学者的关注， 美国、日本、瑞士、德国等国家开始大力资助这项高新技术的研究。瑞士联邦工学院、日本茨 城大学、东京工学院、东京理工大学、奥地利林兹大学、美国肯塔基州大学等研究机构均在从 事无轴承电机的研究。其中瑞士l e v i t r o n i xg m b h 公司与其他研究机构共同合作，已经使部分 产品商品化。 目前，国际上无轴承电机的学术气氛非常活跃，国际电工学科通常将无轴承电机技术归类 为磁悬浮技术一类。1 9 8 8 年在瑞士苏黎世召开了第一届国际“磁悬浮轴承会议”，此后每隔两 年召开一次。从1 9 9 1 年起，在上下两届国际“磁悬浮轴承会议”的中间一年，召开国际“磁悬 浮技术会议”，也是每隔两年召开一次。国际上的这些努力，大大推动了无轴承电机的理论研究 和工业化进程。就目前水平而言，瑞士联邦工学院和东京理工大学在无轴承电机研究领域处于 2 f 口 南京航空航天大学硕士学位论文 领先地位。 国内无轴承电机的研究工作起步较晚，尚处于实验室阶段。上世纪九十年代末，沈阳工业 大学、西安交通大学、浙江大学、南京航空航天大学等单位相继展开这方面的研究工作。此后， 华中科技大学、江苏大学、山东科技大学、武汉理工大学、北京交通大学等单位也加入到此研 究行列中。目前，无轴承电机的研究工作已经得到国家自然科学基金委和国防科工委等有关部 门的大力支持。 从电机结构上来看，目前无轴承电机的研究主要集中在鼠笼式异步电机、永磁同步电机、 开关磁阻电机、薄片电机等电机上阳1 。 1 2 无轴承开关磁阻全周期发电机的研究背景 1 2 1 开关磁阻发电机 开关磁阻电机是将电力电子技术、控制技术、计算机技术与传统磁阻式电机相结合发展起 来的新型调速电机，以结构简单坚固、成本低、工作可靠、控制灵活、运行效率高、容错能力 强等优越特性，在牵引运输、通用工业、航空工业、家用电器等领域获得了广泛应用。 开关磁阻电机发电运行时采用周期性分时发电模式，即在电感上升段励磁，在电感下降段 续流发电。控制开关磁阻发电机的运行状态，主要通过调节开通角、关断角和励磁电压来调节 电机的励磁强度，以间接调整相绕组发电阶段的电流波形。根据调节参数的不同，通常有三种 电流控制方法：电流斩波控制、角度位置控制、p w m 控制口2 。1 耵。 目前，开关磁阻发电机领域的研究热点主要有以下几点： ( 1 ) 开关磁阻发电机应用于风力发电。能源与环境是当今世界面临的两大课题。以煤、石 油、天然气为主的常规能源日益匮乏，且严重污染大气。风能作为清洁、高效、可再生的绿色 能源，已受到人们的广泛关注h 副。而开关磁阻发电机具有结构简单、成本低、控制灵活、易于 并联、可变速度驱动的特点，且在较宽的转速范围内具有较高的系统效率，适合在多变的风场 中运行。特别是直接驱动、变速变频的风力发电系统，开关磁阻发电机具有鲁棒性和高效的潜 能1 姗。 ( 2 ) 开关磁阻发电机的非线性数学模型。开关磁阻发电机的气隙磁场是脉动的，且铁心磁 密的高饱和造成了磁路的非线性，其双凸极结构更是使得绕组电感在运行周期内不断变化。这 些特点都给开关磁阻发电机的研究与控制带来了很大困难。建立非线性模型的方法主要有三 种：一种是插值迭代法，该方法精度较高，但计算量太大n 1 ；一种是曲线拟合法，该方法可 以根据实际应用中对建模精度和速度的要求，利用适当的函数来拟合磁链和转矩特性n l2 1 删； 3 无轴承开关磁阻全周期发电机励磁优化的研究与实现 一种是基于神经网络、模糊理论、自适应控制等智能控制算法的非线性逼近策略，该方法无需 模型和先验知识，且具备强鲁棒性和自适应性乜3 2 钔。 ( 3 ) 开关磁阻发电机的无位置传感器技术。开关磁阻发电机运行时需要准确的转子位置信 息，因此引入了位置传感器，这不仅增加了系统的成本和复杂程度，还降低了系统结构的坚固 性，尤其是在某些恶劣的应用环境下，会影响电机的可靠运行伫5 删。国内外无位置传感器检测 技术的分类大致有以下四种：一种是导通相检测法，该方法直接以电机运行时的电压电流信息 为基础，根据电机的实际模型或特性曲线得到位置信息：一种是非导通相检测法，该方法充分 利用空闲相，人为地注入检测脉冲信号从而产生需要的电流等信息以得到位置信息；一种是基 于智能控制的检测方法，该方法利用电机的磁特性关系，将智能控制引入无位置传感器的研究 之中；一种是附加元件检测法，该方法在电机内部的适当位置附加某些电元件，利用这些电元 件输出的信息来检测转子的位置瞳圳。 ( 4 ) 开关磁阻发电机的容错技术。开关磁阻电机是多相结构电机，其独有的结构以及独立 的不对称半桥功率变换器使得相间电磁耦合弱，当一相绕组发生断路、短路故障，或一相功率 变换器发生故障，电机仍能缺相容错运行。因此，开关磁阻电机本身具有缺相容错的能力。研 究主要集中在如何调节正常相的电流和开关角以改善缺相运行的性能嘶矧。余度技术也是开关 磁阻电机容错控制的一个发展方向，目前余度容错主要采用双通道和双余度方法降跖1 。双通道 容错系统由一个1 2 8 结构的开关磁阻电机、两个独立的功率变换器、两个独立的数字控制器组 成。其中1 2 8 结构电机的绕线方式比较特殊，可以看成两个三相6 4 结构的电机。而双余度容 错系统则由两个结构和尺寸完全一样的开关磁阻电机同轴安装，并相应的外接功率变换电路， 数字控制系统可采用双d s p 或单d s p ，它实际上可以分解成两套独立的电机系统。 ( 5 ) 开关磁阻发电机的优化。衡量开关磁阻发电机性能的主要参数有电磁功率、输出建压、 建压稳定时间、电压纹波、突变负载的动态响应能力、效率、铁损、铜损等。对于一台设计好 的开关磁阻发电机而言，一般选取合适的控制模式和控制策略，并调节励磁电压、额定转速、 开关角等控制参数优化其运行性能。目前控制参数的优化主要是通过仿真和实验的手段进行 泌删。除此以外，开关磁阻发电机本体设计的优化也是研究的方向之，主要优化参数是定转 子形状尺寸和长径比等。 1 2 2 无轴承开关磁阻全周期发电机及其研究现状 开关磁阻发电机与永磁电机相比在可靠性方面有优势，但在功率密度方面却存在着不足。 针对开关磁阻发电机功率密度的局限性，众多学者先后提出了若干方法来改善电机性能，包括 在定子齿极上安装永磁体h 、在转子槽内嵌入永磁体m 1 、增加附加绕组以辅助励磁n 副、增加附 4 南京航空航天大学硕士学位论文 加绕组作为阻尼绕组h 引。这些方法能够使开关磁阻发电机的功率密度局限性在一定程度上有所 改善。但是，它们均没有将提高功率密度和发挥开关磁阻电机的高速适应性结合起来。 本文研究一种新型的无轴承开关磁阻电机发电技术，将应用于高速驱动领域的无轴承技术 和开关磁阻电机的发电技术相结合，研究无轴承开关磁阻电机的全周期发电功能，有望在保持 开关磁阻发电机的高速适应性的同时改善其功率密度的局限性。以1 2 8 结构实验样机为例，无 轴承开关磁阻全周期发电机每个定子齿极上有两个绕组，分别是主绕组和悬浮绕组，一相四极 的悬浮绕组独立控制，而一相四极的主绕组则串联组成发电绕组。通过控制悬浮绕组的电流大 小不同，使转子一对极两侧的气隙磁场不平衡，产生不对称径向磁拉力，达到调节转子径向位 置的目的。而悬浮绕组电流又可给发电绕组提供励磁能量，发电绕组的输出电能经整流后提供 给负载。与传统的开关磁阻发电机分时发电不同，在无轴承开关磁阻电机全周期发电方案中， 悬浮绕组励磁的过程中，主绕组向外输出电能，当悬浮绕组断开励磁后，主绕组续流发电。这 样，在整个转子周期内，主绕组都向外输出电能，可有效提高悬浮绕组的利用率，有望改善开 关磁阻发电机的功率密度局限性。 无轴承开关磁阻电机的概念最早是由h i g u c h i 教授提出的，由于其研究起步较晚，直到上 世纪九十年代末才有比较系统的研究成果公开发表。目前走在前列的是日本学者。东京科技大 学的a c h i b a 、m t a k e m o t o 等学者对无轴承开关磁阻电机的数学模型和控制策略进行了深入研 究“羽。国内目前从事无轴承开关磁阻电机研究的有南京航空航天大学、江苏大学、北京交通 大学、华中科技大学等。南京航空航天大学在数学模型的建立、实验平台的构建、绕组结构、 控制策略、功率变换器和本体设计等诸多方面进行了广泛的研究一1 。目前国内外大多是基于 电动运行的无轴承开关磁阻电机进行研究，仅南京航空航天大学于2 0 0 5 年起对周期性分时发电 的无轴承开关磁阻电机进行了理论探索和仿真研究，并建立了硬件实验平台嘲1 。 无轴承开关磁阻全周期发电机的研究刚刚起步，尚处于探索阶段，国际国内只有本实验室 在进行相关的研究。目前，本实验室推导了f p b s r g 的数学模型，并利用它搭建仿真模型仿真 验证全周期方案的可行性。在此基础上，本实验室设计制作了全周期发电的实验平台，该平台 包括一台1 k w 的f p b s r g 实验样机、一台异步电动机、一套功率变换器及其驱动电路、一套 基于d s p + c p l d 的数字控制系统。全周期发电采用的励磁控制策略是三相轮流导通，这种励磁 方式也是普通开关磁阻发电机通常采用的。该策略存在着不足：一方面，每相励磁的宽度固定， 励磁的加强受到限制；一方面，在相与相的交接处，悬浮力产生凹陷。因此，有待研究新的励 磁策略解决上述问题。 1 3 课题的研究意义和本文的研究内容 5 无轴承开关磁阻全周期发电机励磁优化的研究与实现 1 3 1 课题的研究意义 本课题研究的主要方向是无轴承开关磁阻全周期发电机的励磁优化，主要内容包括轮流导 通励磁策略和加宽导通励磁策略的对比研究，以及加宽导通策略在电流斩波控制模式下的优化， 主要目标是在不增加控制复杂性的基础上优化励磁，提高发电功率，并解决相交接处的悬浮力 凹陷问题。加宽导通励磁策略不同于轮流导通励磁策略：加宽每相的导通宽度，悬浮力由当前 相调节励磁电流产生，其它相也导通帮助励磁，只不过是对称导通，不产生悬浮力，只加强励 磁。研究表明，加宽导通策略下，发电功率与开通、关断角度之间并非单调关系，规律比较复 l 杂。研究的难点是如何调节开通、关断角度优化发电功率。加宽导通策略下相与相交接处的悬 浮力改善情况也值得研究。同时本文的研究内容是国家自然科学基金项目“无轴承开关磁 。 阻发电机的全周期发电机理的基础研究”( 5 0 8 7 7 0 3 6 ) 的组成部分，且受航空基础科学基金 ( 0 5 f 5 2 0 4 0 ) 、教育部博士点基金( 2 0 0 6 0 2 8 7 0 1 0 ) 、以及新世纪优秀人才支持计划的资助，具 有重要的理论和实践价值，研究意义重大。 1 3 2 本文的研究内容 本文以无轴承开关磁阻全周期发电机的励磁优化为主要研究内容，就轮流导通励磁策略和 加宽导通励磁策略的比较，以及斩波控制模式下加宽导通策略的优化，展开了理论和实践研究。 本文对比开关磁阻电机和无轴承开关磁阻电机，阐述了无轴承开关磁阻全周期发电机的悬浮和 发电原理；对比轮流导通励磁策略，阐述了加宽导通励磁策略的原理，并通过理论、仿真、实 验证明了其优越性；从开关磁阻发电机的相电流解析及应用出发，研究电流斩波控制模式下的 无轴承开关磁阻全周期发电机，推导其相电流，分析其能量关系，分析其角度优化；搭建f p b s r g 实验平台进行实验验证本文的理论分析。 本文的主要研究内容如下： 第一章：首先比较了磁悬浮电机和无轴承电机的特点，介绍了无轴承电机的研究背景，并 阐述了开关磁阻发电机的研究概况。在此基础上介绍了无轴承开关磁阻全周期发电机的研究现 状。最后对本文的研究意义进行了论述，并阐述了本文的研究内容。 第二章：对比传统无轴承开关磁阻电机，阐述了无轴承开关磁阻全周期发电机的悬浮原理； 对比开关磁阻电机周期性分时发电，分析了全周期发电机的发电运行原理；推导了全周期发电 机的数学模型：介绍了轮流导通策略和加宽导通策略的原理，在此基础上搭建m a t l a b 仿真 模型，从四个方面进行仿真，证明加宽导通策略的优越性。 第三章：首先进行开关磁阻发电机的相电流解析，并将解析结果应用于续流阶段电流升降 6 南京航空航天大学硕士学位论文 的判定和机电能量方程的推导；接着进行电流斩波控制方式下的无轴承开关磁阻全周期发电机 的相电流解析，并应用结果推导磁链电流关系式，绘制磁链电流曲线，进而分析能量转换关系。 第四章：首先介绍基于相电流解析的开关磁阻发电机的角度优化理论；同样从相电流解析 出发，在不加悬浮力的情况下，研究了电流斩波控制方式下的无轴承开关磁阻全周期发电机的 角度优化方法；最后研究了加悬浮力对f p b s r g 角度优化理论的影响。 第五章：首先介绍了无轴承开关磁阻全周期发电机实验平台设计，包括数字控制系统设计、 软件设计和机械设计。软件部分包括轮流导通策略和加宽导通策略的d s p 加c p l d 程序设计调 试；机械部分包括两台f p b s r g 电机和实验平台的机械设计。接着用f p b s r g 的实验平台进行 实验，验证了相电流解析的正确性和角度优化理论的有效性，实现了电压闭环控制，并对比了 两种斩波控制模式。 第六章：对所做工作的总结和对后续工作的展望。 7 无轴承开关磁阻全周期发电机励磁优化的研究与实现 第二章无轴承开关磁阻全周期发电机的基本原理和励磁控制策略 无轴承开关磁阻全周期发电机属本人所在课题组首次提出，因此本章通过对比详细论述 f p b s r g 的基本原理。由于数学模型是研究f p b s r g 的基础，本章推导全周期发电机的数学模 型。在此基础上，介绍全周期发电的两种励磁控制策略的原理，并搭建仿真模型，通过仿真比 较它们的性能。 2 1 无轴承开关磁阻全周期发电机的基本原理 2 1 1 悬浮原理 f 珍 n s a l 四极磁通二极磁通 口 图2 1 无轴承开关磁阻电机悬浮力产生原理图 图2 1 所示为一个1 2 8 结构无轴承开关磁阻电机的截面图，图中简要画出了电机定子a 相 绕组的示意图。a 相绕组由三套线圈组成，分别为：主绕组、悬浮绕组m 。和悬浮绕组心2 。 主绕组m 由a 相四个定子齿上的四段线圈串联而得。悬浮绕组l 由a 相两个径向相对的定 子齿上的两段线圈串联而得，m 。2 结构类似 k l 。b s r m 是通过悬浮绕组产生的磁场与主绕组 产生的偏置磁场叠加形成不对称径向磁拉力来实现悬浮的，具体过程如下：当主绕组 k 通以 图示方向的电流后，产生实线所示的四极磁通，在转子不偏心的情况下，气隙1 和2 处的磁通 密度相同；此时给悬浮绕组m 。，通以图示方向的电流，产生虚线所示的两极磁通，气隙1 处主 绕组和悬浮绕组产生的磁场方向相同，气隙磁密增强，而气隙2 处主绕组和悬浮绕组产生的磁 场方向相反，气隙磁密减弱，结果导致气隙1 处的磁密大于气隙2 处的磁密，因而转子受到向 右的偏心磁拉力向右运动。当改变悬浮绕组心l 中的电流方向时，转子将受到向左的力而向左 8 南京航空航天大学硕士学位论文 运动。同理，p 方向的力可由主绕组脚和悬浮绕组m 。2 的磁通相互作用产生。同时，任何方 向的悬浮力都可通过a 方向和口方向的悬浮力合成产生。 图2 2 无轴承开关磁阻全周期发电机的悬浮原理图 f p b s r g 的悬浮原理与传统b s r m 的悬浮原理有所不同，具体体现在两个方面：一方面， f p b s r g 中，将b s r m 的悬浮绕组一分为二，每个定子齿上的悬浮绕组改为单独控制；一方面， 只要改变径向相对两个定子齿上的悬浮绕组电流大小，而无需改变其方向，即可使径向相对的 两个气隙磁密强弱不同，从而产生不对称磁拉力。如图2 2 所示，b s r m 的悬浮绕组m 。l 被拆 分成两个独立的绕组 k l + 和绕组 乙1 ，分别通以大小不同的电流进行单独控制，当悬浮绕组 n , 0 1 + 通以较大电流，悬浮绕组坛l j 恿以较小电流时，磁通分布如图所示，可以看出，气隙1 处 的磁通密度大于气隙2 处的磁通密度，此时转子将受到向右的偏心磁拉力而向右运动。相同情 况下，若把悬浮绕组 k i + 和m 小中所加电流大小互换，转子将受到向左的偏心磁拉力而向左运 动。同理，p 方向的悬浮力可以通过控制p 方向上的两个悬浮绕组中的电流大小不同得以产生。 由于任意方向的悬浮力都可由a 方向和口方向的悬浮力合成产生，只要实时控制各相四个悬浮 绕组的电流大小，即可实现电机转子的悬浮。 2 1 2 发电运行原理 开关磁阻电机一相的