新型磁通切換型可變磁通記憶電機研究
發(fā)布時間：2021-08-10 20:41
可變磁通記憶電機(Variable Flux Memory Machine,VFMM)被認為是一種真正意義上的可調(diào)磁通永磁電機。該類電機通過定子繞組或者附加線圈施加瞬時的充、去磁電流脈沖來改變記憶低矯頑力永磁材料的磁化狀態(tài),從而靈活調(diào)節(jié)氣隙磁場,并幾乎沒有電勵磁損耗。VFMM作為一種新概念的永磁電機,在電動汽車、風力發(fā)電及家用電器等領域具有廣闊的應用前景。本文在全面分析VFMM國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎上,針對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在的不足之處,成功地將VFMM與磁通切換(Switched Flux,SF)原理相結(jié)合,提出了全新拓撲結(jié)構(gòu)的磁通切換型可變磁通記憶電機(SF-VFMM)。該電機既繼承了記憶電機高效調(diào)磁和調(diào)速范圍寬的特點,同時又能夠?qū)崿F(xiàn)感應電動勢正弦,可以采用經(jīng)典的矢量控制。本文以SF-VFMM為研究對象,對其拓撲結(jié)構(gòu)、電磁特性、調(diào)磁機理、設計方法、數(shù)學模型、控制策略和實驗測試等進行了全面深入的研究。論文的主要研究工作包括以下幾個方面:(1)系統(tǒng)地介紹課題的研究背景和意義,總結(jié)現(xiàn)有各類可調(diào)磁通永磁電機的結(jié)構(gòu)形式和控制方法,分析目前國內(nèi)外VFMM的研究現(xiàn)狀,指出現(xiàn)有VFMM研究存在問題。(2)提出新型SF-VFMM,給出幾種典型的拓撲,分析其結(jié)構(gòu)特點與運行原理,采用有限元法研究分析和比較不同結(jié)構(gòu)的電磁特性,探尋性能最優(yōu)的拓撲結(jié)構(gòu)。(3)基于近似分段線性模型和Frolich磁滯模型,并與有限元法結(jié)合對SF-VFMM的調(diào)磁機理進行研究。對混合永磁結(jié)構(gòu)中低矯頑力永磁負載運行時的去磁現(xiàn)象進行分析,給出有效避免該種去磁的設計原則。(4)基于磁路解析方法,推導SF-VFMM關鍵電磁參數(shù)的解析表達式,揭示電機各電磁參數(shù)之間存在的制約關系,給出混合永磁磁路結(jié)構(gòu)設計原則,總結(jié)歸納一套適于SF-VFMM的通用電磁設計方法。(5)提出調(diào)磁繞組的"功能切換"概念,據(jù)此提出"混合勵磁"和"直流-交流切換" SF-VFMM。分析混合勵磁運行對電機電磁性能的影響,探尋最優(yōu)的直流勵磁控制策略;探討調(diào)磁繞組"直流·交流切換"的可行性,研究其對電機弱磁能力的影響。(5)建立SF-VFMM的非線性數(shù)學模型,基于MATLAB/Simulink進行電機及其控制系統(tǒng)的仿真研究。依據(jù)電機在不同磁化狀態(tài)下運行特性的變化,提出一種分步調(diào)磁控制策略,并通過仿真和實驗對所提出的控制策略進行驗證。(6)制作SF-VFMM樣機,搭建動靜態(tài)性能測試和調(diào)磁控制實驗系統(tǒng)。對樣機主要電磁特性、空載以及負載調(diào)磁驅(qū)動控制進行了實驗研究。本文工作為SF-VFMM的進一步深入研究與工程化奠定了一定的理論與技術基礎。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM351
本文編號：2175135
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM351
文章目錄
摘要
Abstract
主要符號與縮寫解釋
第1章 緒論
1.1 課題的研究背景及意義
1.1.1 可調(diào)磁通永磁電機的提出
1.1.2 可調(diào)磁通永磁電機的分類及結(jié)構(gòu)特點
1.1.3 可變磁通記憶電機的提出
1.2 可調(diào)磁通永磁電機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 混合勵磁電機
1.2.2 機械調(diào)磁電機
1.2.3 變定子繞組結(jié)構(gòu)電機
1.2.4 可變磁通記憶電機
1.3 記憶電機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)
1.3.1 記憶電機"記憶"機理和結(jié)構(gòu)形式
1.3.2 記憶電機的研究現(xiàn)狀
1.3.3 記憶電機的應用前景
1.3.4 記憶電機研究存在問題
1.4 本課題主要研究工作及論文結(jié)構(gòu)
1.4.1 課題研究思路
1.4.2 主要研究工作
1.4.3 論文結(jié)構(gòu)安排
第2章 磁通切換型記憶電機拓撲結(jié)構(gòu)和電磁特性研究
2.1 單定子磁通切換型記憶電機
2.1.1 單一永磁型
2.1.2 混合永磁型
2.2 雙定子磁通切換型記憶電機
2.2.1 定子分離型
2.2.2 電磁特性分析
2.2.3 樣機實驗驗證
2.3 不同拓撲結(jié)構(gòu)電磁性能比較
2.4 本章小結(jié)
第3章 磁通切換型記憶電機調(diào)磁機理研究
3.1 時步有限元法分析
3.2 非線性磁滯建模分析
3.2.1 現(xiàn)有磁滯模型概述
3.2.2 近似分段線性模型
3.2.3 Frolich磁滯模型
3.3 空載調(diào)磁特性研究
3.3.1 磁滯模型驗算
3.3.2 不同磁化電流參數(shù)的影響
3.4 負載去磁現(xiàn)象研究
3.4.1 負載調(diào)磁特性
3.4.2 負載去磁現(xiàn)象
3.4.3 去磁類型識別
3.4.4 抗負載去磁設計原則
3.4.5 實驗驗證
3.5 本章小結(jié)
第4章 磁通切換型記憶電機通用設計方法
4.1 單一永磁型通用設計方法
4.1.1 基本結(jié)構(gòu)和解析模型
4.1.2 功率尺寸方程
4.1.3 定轉(zhuǎn)子極數(shù)配合
4.1.4 永磁設計
4.1.5 電樞繞組設計
4.1.6 主要參數(shù)優(yōu)化
4.1.7 樣機設計和實驗驗證
4.2 混合永磁型磁路結(jié)構(gòu)設計原則
4.2.1 磁路結(jié)構(gòu)選擇
4.2.2 并聯(lián)磁路型基本結(jié)構(gòu)
4.2.3 設計問題的提出
4.2.4 綜合設計方法
4.2.5 樣機設計
4.2.6 運行原理
4.3 本章小結(jié)
第5章 磁通切換型記憶電機調(diào)磁繞組功能切換技術
5.1 混合勵磁磁通切換型記憶電機
5.1.1 電機結(jié)構(gòu)和控制電路
5.1.2 混合勵磁運行原理
5.1.3 全局運行優(yōu)化
5.1.4 實驗驗證
5.2 直流-交流切換磁通切換型記憶電機
5.2.1 拓撲結(jié)構(gòu)
5.2.2 設計原則
5.2.3 繞組切換運行
5.2.4 電磁性能仿真研究
5.3 本章小結(jié)
第6章 磁通切換型記憶電機控制策略
6.1 電機數(shù)學模型
6.1.1 定子三相靜止坐標系下的數(shù)學模型
6.1.2 兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系下的數(shù)學模型
6.2 全局控制策略
6.2.1 總體控制框圖
6.2.2 全局控制策略
6.3 控制系統(tǒng)建模與仿真
6.4 實驗驗證
6.5 本章小結(jié)
第7章 磁通切換型記憶電機實驗研究
7.1 實驗系統(tǒng)構(gòu)成
7.1.1 靜態(tài)特性實驗平臺
7.1.2 發(fā)電運行實驗平臺
7.1.3 電動運行實驗平臺
7.2 單定子磁通切換型記憶電機實驗
7.2.1 靜態(tài)性能測試
7.2.2 發(fā)電運行實驗
7.2.3 電動運行實驗
7.3 雙定子磁通切換型記憶電機實驗
7.3.1 靜態(tài)特性實驗
7.3.2 調(diào)磁特性實驗
7.3.3 負載突變實驗
7.3.4 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線
7.4 本章小結(jié)
第8章 總結(jié)與展望
8.1 論文工作及創(chuàng)新點
8.2 展望
參考文獻
攻讀博士學位期間學術成果
致謝
期刊論文
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本文編號：2175135
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