啮合式电动机的基础研究

论文摘要

啮合式电动机是北邮自动化学院提出的一种新型电机。它属于磁阻类电机,具有磁阻类电机的优点,主要有结构简单可靠,效率高,过载能力强,输出扭矩大,启动电流小,可以带负载启动,可以频繁正反转等。与普通开关磁阻电机所不同的是,啮合式电动机把电机与行星减速器天然融为一体,它的定转子既是电磁元件,也是一对行星齿轮。这就简化了结构,减小了体积和重量,提高了单台电机的输出扭矩,使得它可以用于对体积和扭矩要求十分严苛的场合。啮合式电机刚诞生不久,论文对这类新型电机展开了基础研究,主要有以下几个方面的内容：(1)参数化线性模型的建立线性模型的主要任务是计算气隙磁导。由于啮合式电机的转子不是凸极结构,气隙的变化相对规则一些,于是把定转子形状简化为弧柱形磁极,在前人对弧柱形磁极研究的基础上,通过推导,使之适用于转子在任何角度位置的情况,能够自动计算任意转子位置角的气隙磁导。当电机结构参数修改时,该模型也能适应这种变化,不必重新划分气隙磁通管。用实测法和有限元法验证了模型的正确性。(2)参数化非线性模型的建立用非线性磁网络法建立了啮合式电机的全参数化非线性模型。把电机的定转子铁心和气隙分解成若干个可以参数化计算的磁阻,按照几何关系组成磁网络,从中解算出啮合式电机的磁链函数。然后用有限元法验证了该模型的正确性。这个磁链函数不仅是电流和转子位置的函数,而且是众多结构参数的函数,涵盖了电机的几乎全部结构参数。在此基础上,可以建立静态和动态仿真模型,便于详细研究各结构参数对电机矩角特性和动态特性的影响。(3)啮合式电机结构参数对矩角特性影响的研究在非线性磁网络模型基础上,建立了参数化的矩角特性模型,并通过对原理样机的测试和有限元法的计算,验证了模型的正确性。之后,使用该模型首次详细研究了啮合式电机的矩角特性,探索了各结构参数对输出扭矩的影响,总结了提高扭矩的设计原则和途径。(4)啮合式电机结构参数的优化设计各结构参数对电机性能的影响程度和方式各不相同,并且相互制约。为了使单位体积输出扭矩达到最大,就需要对电机的结构参数进行优化设计。本文以遗传算法为工具,以单位体积电机出力最大为目标,对啮合式电机的结构参数进行了优化。啮合式电机不仅是个电磁转换器,而且是个机械减速器,优化过程就需要对这两者兼顾。本文首次详细讨论了极间漏磁的约束、极靴强度的约束、摆线齿宽和齿高对定转子半径的约束、齿轮齿数的圆整等问题,并通过惩罚函数,把众多的制约关系体现于目标函数中,使得优化结果尽量符合工程实践的要求。给出了优化设计步骤和实例。(5)啮合式电机全数字化控制器的设计当电机的结构参数确定之后,其实际发挥的性能就取决于控制系统的控制质量,良好的控制器硬件是控制品质的基础。本文以DSP作为主控芯片,为啮合式电机设计了新型全数字化控制系统：配备了串行通信接口和CAN通信接口；设计了稳定的电源布置方案；选择MOSFET作为功率器件,设计了不对称半桥功率转换电路；配置了吸收尖峰电涌的RDC吸收网络,以保护功率器件的安全；设计了基于IR2132的高性能栅极驱动电路；设计了位置、速度和电流反馈检测方法,为啮合式电机的低速电流斩波控制和高速角度位置控制打下基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 啮合式电动机设计理念的提出
• 1.1.2 啮合式电动机的分类归属
• 1.2 啮合式电机的基本原理
• 1.3 啮合式电机和磁阻类电机的研究现状
• 1.3.1 磁阻类电机线性模型的建立
• 1.3.2 磁阻类电机非线性模型的建立
• 1.3.3 电机结构的优化设计
• 1.3.4 磁阻类电机驱动控制技术的发展
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 GR电动机线性模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 气隙磁导的计算
• 2.2.1 本文所用啮合式电机基本结构
• 2.2.2 对模型的适当简化
• 2.2.3 二线制平行输电线的磁场
• 2.2.4 坐标系的建立
• 2.2.5 啮合式电动机的气隙磁导
• 2.3 相电感模型
• 2.3.1 单相电感
• 2.3.2 相邻两相的互感
• 2.4 矩角特性模型
• 2.4.1 单相励磁的矩角特性
• 2.4.2 相邻两相励磁的矩角特性
• 2.5 试验验证
• 2.5.1 测量方法
• 2.5.2 测量曲线与理曲线的对比
• 2.6 有限元法验证
• 2.7 小结
• 第三章 GR电动机非线性模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 磁化曲线的拟合
• 3.2.1 H-B拟合曲线
• 3.2.2 磁导率曲线及其导数曲线
• 3.3 磁网络模型的建立
• 3.3.1 铁心磁阻的划分
• 3.3.2 各部分磁阻的计算
• 3.3.3 磁网络模型的生成
• 3.4 磁网络模型的求解
• 3.4.1 牛顿-拉裴逊迭代法
• 3.4.2 雅克比矩阵的建立
• 3.4.3 铁心磁阻的导数
• 3.4.4 非线性磁网络模型的求解步骤
• 3.4.5 非线性磁网络模型的用途
• 3.5 模型的验证
• 3.6 本章小结
• 第四章 GR电动机矩角特性的研究
• 4.1 引言
• 4.2 非线性矩角特性的计算
• 4.2.1 磁共能的计算
• 4.2.2 矩角特性的计算
• 4.3 对非线性矩角特性模型的验证
• 4.3.1 通过对原理样机的测试来验证
• 4.3.2 通过有限元计算结果来验证
• 4.4 结构参数对矩角特性的影响
• b对矩角特性的影响'>4.4.1 r_b对矩角特性的影响
• c对矩角特性的影响'>4.4.2 r_c对矩角特性的影响
• d对矩角特性的影响'>4.4.3 r_d对矩角特性的影响
• e对矩角特性的影响'>4.4.4 r_e对矩角特性的影响
• f对矩角特性的影响'>4.4.5 r_f对矩角特性的影响
• 4.4.6 β对矩角特性的影响
• p对矩角特性的影响'>4.4.7 b_p对矩角特性的影响
• 4.4.8 N对矩角特性的影响
• 4.5 小结
• 第五章 GR电机结构参数的优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 遗传算法的基本流程
• 5.3 啮合式电动机的优化设计过程
• 5.3.1 目标函数的建立
• 5.3.2 电机匝数的确定
• 5.3.3 确定约束条件
• 5.3.4 构造评价函数
• 5.3.5 遗传优化算法步骤
• 5.4 优化实例
• 5.4.1 以公转扭矩最大化为目标的优化结果
• 5.4.2 以自转扭矩最大化为目标的优化结果
• 5.4.3 对优化设计结果的验证
• 5.5 本章小结
• 第六章 GR电动机全数字化控制系统的设计
• 6.1 引言
• 6.2 控制系统的总体结构
• 6.3 DSP外围电路的设计
• 6.3.1 电源电路
• 6.3.2 串行通信接口
• 6.3.3 CAN通信接口
• 6.4 功率变换电路和功率驱动电路的设计
• 6.4.1 功率器件的选择
• 6.4.2 功率变换电路的设计
• 6.4.3 栅极驱动电路的设计
• 6.5 反馈信号的检测
• 6.5.1 位置检测
• 6.5.2 速度检测
• 6.5.3 相电流检测
• 6.6 啮合式电机控制系统硬件电路运行情况
• 6.7 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献（References）
• 致谢
• 博士期间发表的论文