无轴承开关磁阻电机悬浮负载控制策略研究

论文摘要

无轴承开关磁阻电机集磁轴承和开关磁阻电机的优点于一身,在高速机床、涡轮分子泵、离心机、飞轮储能、航空高速、超高速起动/发电机等领域极具应用潜力。为了优化无轴承开关磁阻电机的悬浮性能,提高其径向悬浮力和转矩的抗干扰能力,拓展其工作范围,本文对无轴承开关磁阻电机悬浮负载控制策略进行了深入研究。首先对两种典型的无轴承开关磁阻电机数学模型进行了研究,从模型精确性的角度对二者进行了对比分析,给出了各自的电感、悬浮力系数和转矩系数的曲线图。在此基础上,系统地推导了无轴承开关磁阻电机悬浮负载控制策略,给出了控制量的优化流程图、优化曲面图和系统控制框图。针对上述控制策略存在公式推导繁琐、控制模型复杂、对控制器的存储资源要求高等局限性,本文将模糊控制理论引入到无轴承开关磁阻电机控制系统中。根据电机多变量、高度非线性和强耦合的特点,设计了适用于该电机的模糊控制器。基于该模糊控制器,分别实现了电机空载、施加悬浮力负载和转速突变条件下的稳定悬浮。实验结果证明了本文设计的模糊控制器的有效性。此外,本文在悬浮绕组采用三相半桥功率变换器的情况下,对电机悬浮绕组结构进行了优化。由于三相半桥变换器存在两个分裂电容,其中点电压在负载不对称时会发生漂移,严重时会影响电机的稳定运行。本文通过优化电机悬浮绕组结构,得到了一组适用于三相半桥变换器的最优绕组结构。基于优化后的悬浮绕组结构,大幅度地减小了三相半桥变换器中点电压的波动,实验结果验证了理论分析的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无轴承电机技术
• 1.1.1 磁轴承电机
• 1.1.2 无轴承电机及其研究概况
• 1.2 无轴承开关磁阻电机
• 1.2.1 开关磁阻电机
• 1.2.2 无轴承开关磁阻电机
• 1.3 课题的研究意义和本文内容安排
• 1.3.1 课题的研究意义
• 1.3.2 本文内容安排
• 第二章 无轴承开关磁阻电机的数学模型与悬浮负载控制策略
• 2.1 无轴承开关磁阻电机数学模型
• 2.1.1 数学模型一
• 2.1.2 数学模型二
• 2.1.3 两种数学模型的对比研究
• 2.2 瞬时合成悬浮力——平均转矩控制策略研究
• 2.2.1 瞬时合成悬浮力——平均转矩控制策略概述
• 2.2.2 确定绕组电流和超前角
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于模糊控制的无轴承开关磁阻电机悬浮负载运行的实现
• 3.1 模糊控制理论
• 3.2 无轴承开关磁阻电机模糊控制器的设计与实现
• 3.2.1 无轴承开关磁阻电机模糊控制器的设计
• 3.2.2 无轴承开关磁阻电机模糊控制器的实现
• 3.3 无轴承开关磁阻电机模糊控制实验与分析
• 3.3.1 实验平台介绍
• 3.3.2 实验分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 无轴承开关磁阻电机悬浮绕组结构的优化配置
• 4.1 引言
• 4.2 三相半桥功率变换器中点电压分析
• 4.3 悬浮绕组结构的优化配置
• 4.4 悬浮绕组结构优化配置实验结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文主要工作
• 5.2 需要进一步研究的工作
• 参考文献
• 致谢
• 发表论文及申请专利情况