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分块开关磁阻电机的基础研究

作　者: 陈小元
导　师: 邓智泉
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 电机与电器
关键词: 开关磁阻电机分块定子分块转子电磁设计位置信号容错控制
分类号: TM352
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

分块开关磁阻电机（switched reluctance machine，简称SRM）通过改变定、转子成分块结构，使其除具有普通SRM的控制灵活，耐高温等优点外，亦具有高速运行时风（油）阻小、低铁心损耗、高可靠性和高容错性等优点。因此，分块SRM在全电/多电飞机电力传动系统、起动/发电机双功能系统、电动车驱动系统以及新能源系统中具有潜在的应用前景。本文基于分块SRM的基本特性，从电磁设计、结构拓扑、性能仿真、位置信号故障诊断及容错控制、控制系统设计等角度开展研究。首先建立了12/8结构整距绕组分块转子SRM的二维和三维有限元模型，仿真分析电机的静态磁密分布，计算并实测了电机的相电感；基于整距绕组分块转子SRM不同位置时的电磁特性，确定了定、转子极弧系数选取的原则；将绕组电流波形等效于方波，推导了整距绕组分块转子SRM的主体尺寸计算公式；分析了绕组匝数的选取规则；并通过二维场路耦合有限元仿真验证了电机的性能。基于本文提出的方法设计了一台12/8结构的整距绕组分块转子SRM实验样机，并实验验证了本设计方法的有效性。针对单极性励磁时四相8/6结构整距绕组分块转子SRM定子磁通冲突的问题，提出采用定子分块和双极性励磁两种方案，并通过场路耦合法建立了两种方案下四相8/6结构整距绕组分块转子SRM的有限元瞬态模型，对比研究了两种电机的电流、铜耗、铁心磁密波形、铁心损耗等电磁特性。结果表明，采用双极性励磁方案，不但可克服定子磁通冲突，亦较采用定子分块方案时具有低的铁心损耗。在总结国内外现有结构的分块SRM工作原理和磁路特点的基础上，首次提出了环状绕组分块转子SRM、集中绕组分块转子SRM、C形分块定子SRM、E形分块定子SRM和混合气隙分块定子SRM等五种新型结构的分块SRM，结合结构示意图和磁路图对其基本工作原理分别进行分析，并根据结构特点和电磁特性分析了各种新型结构分块SRM的优缺点。通过三维有限元模型仿真了E形分块定子SRM的各定子线圈互感，结果表明E形分块定子SRM各线圈间的互感非常小，各定子块间磁路隔离。将各个独立的定子块作为单元，推导了E形分块定子SRM主体尺寸的计算公式，探析并建立了绕组匝数及其他主要尺寸的选取规则，完成了E形分块转子SRM的电磁计算，并通过磁路和电路的耦合计算对E形分块定子SRM的稳态性能进行了仿真分析，仿真结果验证了E形分块定子SRM电磁设计方法的有效性。在介绍分块SRM位置传感器安装的基础上，采用注入脉冲法测定位置传感器的位置偏差，实现电机的自起动。通过对分块SRM位置信号故障的分析，提出通过检测各相位置信号双边沿的触发顺序以及相邻触发边沿之间的角度差实现位置信号故障检测。该方法可统一诊断位置信号高、低电平故障。基于位置信号共享的原理，利用非故障位置信号对电机换相逻辑进行重构，实现传感器故障下的容错控制；且当故障位置信号恢复正常后，可平稳切入运行，提高了系统的可靠性。完成了分块SRM数字控制系统的研制，设计了两种不同结构的转速闭环控制程序。程序1根据转速优化开通角和关断角，采用实时调节电流斩波限的转速闭环控制策略；程序结构2采用实时调节开通角，优化关断角的转速闭环控制策略。最后讨论了两种程序结构的特点并通过实验验证。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-18
第一章绪论  18-30
  1.1 SRM 的简介及研究概况  18-21
    1.1.1 SRM 的工作原理  18
    1.1.2 SRM 的系统组成  18-19
    1.1.3 SRM 的控制方式  19
    1.1.4 SRM 的研究现状  19-21
  1.2 分块 SRM 的研究背景及研究现状  21-28
    1.2.1 分块 SRM 的研究背景  21-22
    1.2.2 分块 SRM 的研究现状  22-28
  1.3 本文的研究意义及研究内容  28-30
    1.3.1 本文的研究意义  28
    1.3.2 本文的研究内容  28-30
第二章整距绕组分块转子 SRM 的电磁设计  30-47
  2.1 三维有限元分析  30-34
    2.1.1 三维有限元模型  30-31
    2.1.2 气隙磁密分析  31-33
    2.1.3 电感特性  33-34
  2.2 定、转子极弧系数的选取  34-36
    2.2.1 选取原则  34
    2.2.2 定、转子极弧系数关系  34-36
    2.2.3 仿真分析  36
  2.3 电磁设计  36-40
    2.3.1 主体尺寸计算公式  36-38
    2.3.2 绕组计算  38-39
    2.3.3 设计实例  39-40
  2.4 有限元仿真验证  40-42
  2.5 实验与分析  42-45
  2.6 本章小结  45-47
第三章 8/6 结构整距绕组分块转子 SRM 性能分析  47-62
  3.1 两种结构整距绕组分块转子 SRM  47-50
    3.1.1 分块定、转子 SRM  48
    3.1.2 双极性励磁分块转子 SRM  48-50
  3.2 二维场路耦合有限元模型  50-53
  3.3 电磁性能分析  53-61
    3.3.1 电流  53-54
    3.3.2 转矩  54-55
    3.3.3 铜耗  55-56
    3.3.4 铁心磁密  56-58
    3.3.5 铁心损耗  58-61
  3.4 本章小结  61-62
第四章分块 SRM 的新结构构想及分析  62-71
  4.1 环状绕组分块 SRM  62-64
  4.2 集中绕组分块转子 SRM  64-66
  4.3 C 形分块定子 SRM  66-68
  4.4 E 形模块化定子 SRM  68-69
  4.5 混合气隙分块定子 SRM  69-70
  4.6 本章小结  70-71
第五章 E 形分块 SRM 的电磁设计  71-85
  5.1 电感计算  71-74
    5.1.1 三维有限元模型  71-72
    5.1.2 绕组自感  72
    5.1.3 绕组互感  72-74
  5.2 电磁设计  74-81
    5.2.1 最大电感求取  74-76
    5.2.2 主体尺寸计算  76-77
    5.2.3 其它尺寸确定  77-78
    5.2.4 绕组参数计算  78-79
    5.2.5 设计实例  79-81
  5.3 电磁性能仿真分析  81-84
  5.4 本章小结  84-85
第六章分块 SRM 位置信号的故障检测与容错控制  85-98
  6.1 位置传感器安装偏差的测定  85-88
    6.1.1 位置传感器安装  85-86
    6.1.2 安装偏差的测定  86-87
    6.1.3 利用位置信号自起动  87-88
  6.2 位置信号故障分析  88-90
  6.3 位置信号的故障诊断  90-93
    6.3.1 信号丢失故障诊断  91
    6.3.2 信号误触发故障诊断  91-93
  6.4 位置信号的容错控制  93-94
  6.5 位置信号恢复后在线切入  94
  6.6 实验与分析  94-97
    6.6.1 一个位置传感器信号故障模拟实验  94-96
    6.6.2 两个位置传感器信号故障模拟实验  96
    6.6.3 故障恢复后在线切入模拟实验  96-97
  6.7 本章小结  97-98
第七章控制系统的设计与实现  98-105
  7.1 硬件控制系统  98-99
  7.2 控制系统软件设计  99-103
    7.2.1 DSP 程序结构一  99-101
    7.2.2 DSP 程序结构二  101-103
    7.2.3 两种程序结构的比较  103
  7.3 实验与分析  103-104
  7.4 本章小结  104-105
第八章全文总结与展望  105-107
  8.1 本文主要工作和创新  105-106
  8.2 需要进一步研究的工作  106-107
参考文献  107-118
致谢  118-120
在学期间的研究成果及发表的学术论文  120-123
附录：样机参数表及实验平台  123-124

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