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开关磁阻电机的减振降噪和低转矩脉动研究

作　者: 孙剑波
导　师: 詹琼华
学　校: 华中科技大学
专　业: 电机与电器
关键词: 开关磁阻电机振动噪声转矩脉动人工神经网络电机本体结构模态分析性能仿真
分类号: TM352
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

开关磁阻电机(SR 电机)驱动系统(SRD)是一种先进的机电一体化装置,但是其较大的振动噪声和转矩脉动问题制约了SRD 的广泛应用。本文以减小SR 电机振动噪声和转矩脉动为主题展开理论分析和实验研究。主要内容有: 由于径向力引起的定子径向振动是SR 电机噪声的主要根源,因此径向力的分析和计算是研究SR 电机振动噪声的基础。本文利用磁通管法推导出径向力的解析表达式,定性分析了径向力与电机结构参数等之间的关系。根据虚位移原理,推导出基于矢量磁势的电磁力计算公式。该计算方法求解电磁力时只需进行一次磁场计算,不但减小了计算量,同时计算精度较传统虚位移法高。利用这一计算方法,求出了实验样机的转矩及径向力的精确数值解。针对在SRD 性能仿真时,传统的非线性插值不但耗时,而且对有限元计算数据量要求高的问题,本文利用人工神经网络强大的非线性模型辨识能力,成功进行了SR电机磁链反演和转矩计算的模型训练,最后建立了基于人工神经网络的SR 电机精确解析数学模型。因为SR 电机本体结构形式的选择问题与振动噪声大小有着密切的关系。本文从噪声辐射和振动幅值角度探讨了SR 电机主要尺寸的确定; 接着从对称性、力波阶数等角度研究了SR 电机相数及绕组连接方式、极数、并联支路数的选择问题。并对一些常用的降低电机机械噪声的措施和方法进行了综述。系统振动特性的研究对于减小振动噪声十分重要。本文从振动系统的运动方程出发,导出了从激振力到振动加速度的传递函数和系统的自由振动解; 然后利用机电类比法得出了SR 电机定子系统的固有频率以及振动振幅的解析解,定性分析了影响振动振幅的各种因素; 最后利用基于能量法的有限元解法,通过建立不同的散热筋结构形式、高度、根数以及形状的SR 电机三维有限元模型,分析得出了最有利于降噪和散热的散热筋结构是高度高、根数多、上窄下宽的梯形截面的周向散热筋的结论。通过建立不同绕组装配工艺下的SR 电机三维有限元模型,分析得出了加强绕组刚度可以提高系统低阶固有频率的结论。通过比较实验样机的模态分析结果和运行实验结果,证实了模态分析的有效性。仿真是计算SRD 系统性能和预估电机振动的有效手段。本文在用MATLAB 建立SRD 系统的非线性动态仿真模型的基础上,对SRD 系统进行了稳态性能仿真、动态性能仿真以及负载突变仿真。接着利用稳态性能仿真,综合考虑最大平均转矩和效率这两个优化目标,对SR 电机的开关角进行了优化。最后结合由磁场有限元计算得到的径向力数据表和稳态性能仿真,通过非线性插值得到径向力的波形,然后对径向力波形进行了频谱分析,从而找到其主要的谐波分量。在电机设计阶段避免径向力波主要频谱分量与SR 电机定子的固有频率接近而引起共振是降低SR 电机噪声的首要条件。合适的控制策略对于SR 电机减振降噪是必不可少的。本文理论推导出三步换相法的时间参数取值公式。仿真证明本取值公式较原先文献的结论在阻尼比较小时有更

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
1 绪论  12-22
  1.1 课题的目的及意义  12-13
  1.2 开关磁阻电机的发展概况  13-20
  1.3 本文的主要内容及章节安排  20-22
2 SR 电机转矩和径向力的理论分析  22-48
  2.1 引言  22
  2.2 数学模型  22-24
  2.3 径向力的解析计算  24-28
  2.4 转矩和径向力的数值分析  28-47
  2.5 本章小结  47-48
3 人工神经网络在SR 电机建模中的应用  48-64
  3.1 引言  48
  3.2 SR 电机模型的复杂性  48-49
  3.3 人工神经网络简介  49-50
  3.4 SR 电机磁链反演模型的辨识  50-56
  3.5 SR 电机转矩模型的辨识  56-62
  3.6 基于ANN 的SR 电机非线性模型  62-63
  3.7 本章小结  63-64
4 电机本体结构形式与振动噪声的关系  64-73
  4.1 引言  64
  4.2 电机主要尺寸的确定  64-66
  4.3 相数及绕组连接方式选择  66-68
  4.4 极数选择  68-70
  4.5 并联支路数选择  70
  4.6 其它降噪措施  70-72
  4.7 本章小结  72-73
5 振动模态分析  73-93
  5.1 引言  73
  5.2 质点的运动方程  73-75
  5.3 机电类比分析  75-78
  5.4 基于能量法的有限元法  78-92
  5.5 本章小结  92-93
6 系统仿真  93-108
  6.1 引言  93
  6.2 系统仿真模型  93-96
  6.3 仿真结果及分析  96-101
  6.4 开关角优化  101-106
  6.5 径向力及振动仿真  106-107
  6.6 本章小结  107-108
7 降低振动噪声和转矩脉动的控制策略  108-130
  7.1 引言  108
  7.2 常规控制方案  108-109
  7.3 降噪控制方法  109-115
  7.4 直接瞬时转矩控制(Direct Instantaneous Torque Control)  115-126
  7.5 综合控制策略  126-128
  7.6 本章小结  128-130
8 控制器硬软件设计  130-143
  8.1 引言  130
  8.2 主电路设计  130-131
  8.3 控制电路硬件设计  131-133
  8.4 控制器软件设计  133-142
  8.5 本章小结  142-143
9 实验与结果分析  143-165
  9.1 引言  143
  9.2 实验装置  143-144
  9.3 静态转矩测量  144-146
  9.4 运行实验  146-164
  9.5 本章小结  164-165
10 全文总结  165-167
致谢  167-168
参考文献  168-182
附录1 作者在攻读博士学位期间发表的论文  182-183
附录2 实验样机规格及数据  183-184
附录3 修正的MARQUARDT-LEVENBERG 算法  184-186
附录4 实验样机系统照片  186

开关磁阻电机的减振降噪和低转矩脉动研究

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