单绕组多相无轴承电机的研究

论文摘要

随着电力电子器件与技术发展,多相功率变换器得以实现,这才使电机摆脱电网相数的限制。从而,电机的相数在现代电气传动系统中成为了一个新的自由度。与3相电机相比,多相电机(相数n＞3)不仅易于通过低压器件实现大功率传动,还具有更高的可靠性。多相电机在船舶推进、机车牵引和航天电气等领域引起人们的广泛兴趣。本文对多相电机理论和多相电机多自由度的利用等方面展开研究,全文的主要内容如下:磁动势分析是深入了解多相电机特性的手段。基于绕组函数理论分析了通用的多相系统的磁动势分布,建立了多相异步电机数学模型;从这两个角度分析阐述了各种不同绕组结构多相电机的特性。详细阐述了多相电机的多自由度特性,一台多相电机(相数n＞5)具有多个正交平面,各个正交平面内的电流可以以不同的方式利用。以15相集中整距绕组异步电机为例,各次谐波被用来改善磁场分布。分析了谐波的注入对磁密影响,气隙磁密优化成平顶波形以充分利用铁心;分别探讨了电压源供电和磁场定向控制时如何得到期望的气隙磁密波形;在相同的齿、轭部磁密幅值和定子铜耗下分别比较了正弦供电和非正弦供电时电机性能,并揭示了注入谐波后电机转矩和功率密度得到提高的原因以及磁密波形的优化。无轴承电机通常在定子中嵌入两套3相绕组,一套用作转矩驱动,另一套用于悬浮。本文将多相电机的多控制自由度理论与无轴承电机的悬浮原理相结合,提出单绕组多相无轴承电机模型即利用一套多相绕组实现无轴承电机,通过通入两组不同相位差的电流来产生所需的磁场,换言之,这两组电流分别映射到多相系统中不同的平面,一个平面用于实现转矩而另一个平面用作悬浮,从而将多相电机的优点引入到无轴承电机中来。利用改进的绕组函数法计算了气隙偏心时旋转坐标系下多相系统的电感矩阵,并由此推导了电机的数学模型。利用虚位移法推导了径向力解析模型,并通过有限元法验证;借鉴双绕组无轴承电机的控制思路设计了单绕组多相无轴承电机磁场定向控制系统;对单绕组多相无轴承电机的相数的选择、绕组结构和定子铜耗分析等问题进行了分析;搭建了六相无轴承异步电机的实验平台,实现了电机的悬浮运行,验证了该模型的正确性。多相电机的相冗余特性是其一个重要的优势,在定子缺相后仍可继续运行。为实现定子缺相后的可靠、平稳运行,利用故障前后定子磁动势相同的原则分别分析了六相无轴承电机和多相正弦、集中整距绕组电机定子缺相时的容错运行策略,尤其重点分析了不同容错策略下的定子铜耗等相关问题。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 主要符号说明
• 目次
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 多相电机概述
• 1.2.1 多相电机系统及特点
• 1.2.2 多相电机的研究综述
• 1.3 无轴承电机概述
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 多相电机的数学模型与分析方法
• 2.1 多相电机的磁动势分析
• 2.1.1 绕组函数
• 2.1.2 多相对称系统的磁势波分析
• 2.2 多相电机的数学模型
• 2.2.1 多相电机的参数分析
• 2.2.2 多相异步电机同步速坐标系下的电压方程
• 2.2.3 电磁转矩方程
• 2.2.4 多相电机的多控制自由度
• 2.3 多相集中绕组电机中的谐波注入
• 2.3.1 多相电机的分析手段
• 2.3.2 谐波磁场对齿、轭部磁密的影响
• 2.3.3 滑差控制中的谐波注入与性能分析
• 2.3.4 转子磁场定向控制中的谐波注入与性能分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 单绕组多相无轴承电机的分析
• 3.1 单绕组多相无轴承电机原理与结构
• 3.1.1 无轴承电机的悬浮原理
• 3.1.2 单绕组多相无轴承电机的原理
• 3.1.3 单绕组多相无轴承电机的绕组结构
• 3.2 单绕组多相无轴承电机的数学模型
• 3.2.1 改进的绕组函数法
• 3.2.2 偏心状态下同步速旋转坐标系电感矩阵的计算
• 3.2.3 单绕组多相无轴承电机的数学模型
• 3.3 单绕组多相无轴承电机的控制策略建模与仿真
• 3.3.1 单绕组多相无轴承异步电机的气隙磁场定向控制原理
• 3.3.2 单绕组六相异步电机控制系统的仿真
• 3.4 单绕组多相无轴承电机相关问题的讨论
• 3.4.1 单绕组多相无轴承电机相数的选择
• 3.4.2 单绕组多相无轴承电机绕组的分析
• 3.4.3 单绕组多相无轴承电机参数的分析
• 3.4.4 无轴承异步悬浮电流幅值和相位的补偿
• 3.4.5 单绕组多相无轴承电机损耗的分析
• 3.4.6 单绕组多相无轴承电机的特点
• 3.5 本章小结
• 第4章 单绕组六相无轴承异步电机的系统实现
• 4.1 单绕组多相无轴承电机系统的硬件构成
• 4.1.1 电机本体的设计
• 4.1.2 TMS320F2812 DSP
• 4.1.3 主回路及隔离驱动
• 4.1.4 信号采样
• 4.1.5 人机交互
• 4.2 单绕组多相无轴承电机控制系统的软件编程
• 4.2.1 转速、电流和位移的计算
• 4.2.2 多相坐标变换
• 4.2.3 死区补偿
• 4.2.4 六相无轴承电机的转子磁场定向控制
• 4.3 单绕组多相无轴承电机系统的实验研究
• 4.3.1 静态悬浮实验结果
• 4.3.2 稳态悬浮实验结果
• 4.3.3 动态悬浮实验结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 多相无轴承电机的定子缺相容错运行
• 5.1 六相无轴承电机的定子缺相容错运行
• 5.1.1 系数N3=0,电机不接中线
• 5.1.2 系数N3≠0,电机中点与逆变器中点连接或由H桥供电
• 5.2 常规多相电机的缺相故障容错运行
• 5.2.1 多相正弦绕组电机的缺相容错运行
• 5.2.2 多相集中整距绕组电机的缺相容错运行
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历