电励磁双凸极电机转矩脉动分析与抑制

传统标准角度控制方式下,电励磁双凸极电机(doubly salient electro-magnetic motor,DSEM)存在较大的转矩脉动。为减小转矩脉动影响,进一步研究DSEM在风力发电、航空航天等领域的应用,对DSEM转矩脉动产生的机理进行深入分析,并在转矩脉动分析基础上,提出新型转矩内环和新型转矩分配2种控制策略以抑制换向转矩脉动。以2kW、12/8极DSEM为例进行了仿真验证,并对2种控制策略进行比较。结果表明,与传统控制方式相比,采用所提出的新型转矩控制策略可以有效地抑制DSEM转矩脉动。     

换相策略对电励磁双凸极电机损耗的影响研究

双凸极电机结构简单、可靠性高、成本低且能量密度大,应用前景广阔。此处以三相12/8极电励磁双凸极电机(DSEM)为研究对象,分析和比较了三相三状态(TPTS)、TPTS提前角(TPTS AAC)、三相六状态(TPSS)与三相九状态(TPNS)控制策略的异同。借助Maxwell有限元仿真软件,从提前角的大小及桥臂开关管的导通时长的角度出发,研究换相策略对电机损耗的影响。并设计实验对仿真结果进行了验证。     

一种新型低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机

传统的电励磁双凸极电机(doubly salient electromagnetic motor,DSEM)通常采用6k/4k极结构(k为正整数),每个励磁元件匝链3k整数倍相绕组,各相磁路不一致且每相磁链最小值与最大值处的变化率不同,因此磁链、反电势波形的对称性较差。此外,传统DSEM通常采用三相三状态的控制方式,对应相绕组在电感最大值处换相时会产生负向转矩,加剧了DSEM的转矩脉动。本文研究一种新型12/10极DSEM,根据相差180°电角度的两相绕组的电磁特性存在互补关系的规律,将六相绕组两两反向串联构造成一种低转矩脉动DSEM。场路联合仿真及实验结果表明:两两反向串联后电机磁链、反电势的对称性得到很大的改善,并且随着转子位置角的变化,相绕组自感基本保持恒定。在此基础之上采用三相六状态控制策略电动运行可以获得与永磁无刷直流电机相似的转矩性能,因此得到了一种低转矩脉动DSEM的优选方案。     

电励磁双凸极电机九状态转矩闭环控制策略研究EI北大核心CSCD

针对电励磁双凸极电机(doubly salient electro-magnetic motor,DSEM)运行时存在的转矩脉动问题,提出1种九状态转矩闭环控制策略。该控制策略基于实际非线性电感模型,通过在电机反电势过零点进行状态切换,抑制由电流续流引起的换相转矩脉动,并在各相反电势负过零点附近区域引入传统的两相导通模态,以增加电机出力。分析DSEM在各个模态下相电流、转矩输出的变化特性,基于占空比分析论证所提控制策略的可行性,并总结换相角度对控制策略的影响。最后,通过实验验证所提控制策略能够有效抑制电机转矩脉动,具有良好的动态性能以及较高的转矩电流比。     

轴向磁通电励磁双凸极电机及容错运行控制策略

为使电机系统具有更高的可靠性、较强的容错能力,本文提出一种新型轴向磁通电励磁双凸极电机驱动系统。所提电机不仅具有开关磁阻电机结构坚固、可靠度高的特点,而且还解决了传统电励磁双凸极电机(Doubly Salient Electro-magnetic Motor, DSEM)各相励磁磁路不一致问题。利用可控的励磁磁场补偿电枢磁场以达到容错控制及抑制转矩脉动的目的,并建立非线性数学模型,对新型DSEM驱动系统在三相三状态运行、单相开路、容错控制及加入励磁电流角度控制这四种不同工作状态下的转矩特性进行分析研究。本文的仿真和样机实验结果表明,容错控制策略可以有效降低单相开路故障对电机运行产生的影响,由此验证了新型DSEM拓扑结构的可行性。     

不同励磁方式的电励磁双凸极电机正弦化设计与分析EI北大核心CSCD

该文在分析传统电励磁双凸极电机(doubly salient electro-magnetic machine,DSEM)反电势畸变的基础上,对两种不同励磁方式的DSEM进行正弦化设计,以实现该磁阻电机的正弦驱动,减小转矩脉动。提出相位调制正弦化的方法,指出该方法的设计原则,有效解决传统斜极DSEM反电势畸变、正弦度低的问题。研究发现,偶数相的DSEM经过特殊的定转子极弧系数设计后总有两相存在严格的互补关系,使所提正弦化方法的实现成为可能;并进一步提出提高反电势波形的对称性和正弦度的方法。随后,将设计的正弦化定子集中励磁电励磁双凸极电机、正弦化定子分布励磁电励磁双凸极电机和传统DSEM进行仿真对比分析。因为正弦化定子分布励磁电励磁双凸极电机性能最优,故加工其样机进行实验验证。实测样机不同励磁电流下空载反电势的总谐波失真均小于4%,采用基于空间矢量脉宽调制的正弦波驱动方式,实现DSEM的正弦化驱动,减小其输出转矩脉动。仿真和实验结果证明了DSEM正弦化设计和采用正弦驱动抑制转矩脉动的有效性,为高性能驱动应用提供了新的电机类型选择。     

双凸极无刷直流电机三相九状态控制策略研究

该文从机电能量转换角度深入研究了双凸极电机电感周期变化特性对转矩输出能力的影响规律,提出双凸极无刷直流电动机的三相九状态控制方法。分析了双凸极电机三相绕组电感周期变化对相电流通入规律和进一步提升电磁转矩的控制规律的影响。采用场路耦合方法建立双凸极电机驱动系统模型,对比分析三相六状态和三相九状态控制策略对电流和输出转矩影响特性,得到不同转速和转矩下三相九状态控制的开关管优化导通逻辑和提前角参数。研制了1.3 k W双凸极无刷直流原理样机,实验验证了三相九状态控制策略对双凸极电动机输出转矩能力和调速系统运行效率的提高具有明显优势。     

基于半桥变换器的电励磁双凸极电机角度优化控制策略

电励磁双凸极电机（doubly salient electro—magnetic motor,DSEM）采用传统的控制方法在换相时容易产生负转矩,带来较大的转矩脉动。对DSEM转矩脉动产生机理进行了分析,对基于半桥变换器的DSEM主功率电路中分裂电容充放电平衡情况进行研究,在此基础上提出了基于半桥变换器的角度优化控制策略,进行了仿真和实验验证。结果表明,该方法可以有效减小转矩脉动,使电机转速平稳,有利于提高该电机的起动性能。     

混合励磁双凸极电机提前角控制策略研究

为提高混合励磁双凸极电机在半桥功率变换器供电方式下高速运行时的输出转矩,以定、转子极弧为15°/20°的12/8极混合励磁双凸极电机为研究对象,在对标准角控制策略研究基础上,提出了提前角控制策略,并对不同提前角对电机相绕组电流和输出转矩的影响进行了理论分析和仿真研究,达到了预期目的。     

基于全桥变换器的电励磁双凸极电机中点电位的研究

基于全桥变换器的电励磁双凸极电机，由于电机非线性电感特性，使其三相中点电位随转子位置而变化，将对电机系统性能产生不良影响。该文针对一台6/4极电励磁双凸极电机系统，研究了中点电位的变化规律，分析了中点电位变化引起相电流畸变的原因，并进行试验验证。研究和试验结果表明：电励磁双凸极电机中点电位的变化将导致电流换相过程中出现反向电流缺口，产生负转矩，削弱电机出力，并使输出转矩脉动扩大。文中最后给出了从电机设计与电流控制方法两个方面抑制中点电位影响的方法。     

电励磁双凸极电机转矩脉动抑制的控制策略

造成电励磁双凸极电机转矩脉动的原因有很多,通过适当的控制策略可以优化某些因素从而改善转矩脉动。从控制策略方面总结了近年来优化转矩脉动的研究成果,介绍了几种有效的控制方法,大体思路可以从改善绕组相电流(包括稳定相电流、消去谐波电流、电流矢量分解等)、优化开关角度弥补换相电流缺陷以及优化输出转矩控制等方面来减小转矩脉动。     

双定子电励磁双凸极电机的起动控制

研究双定子电励磁双凸极电机的起动控制,改进电机结构,降低了起动时的转矩脉动。在理论分析的基础上利用基于转速变化的阶段性角度控制方法:低速采用标准角度控制;中高速采用角度随转速变化的提前角度控制,可提高电机在该速段的输出转矩。完成了18kW电励磁双凸极起动/发电系统的样机制作,对系统进行了相关的前期实验及配套航空发动机对发动机进行冷热开车实验。实验表明:该系统的起动控制策略正确有效,起动转矩平滑,所需电源容量小,效率高,具有良好的起动性能。     

基于查表法的电励磁双凸极电机建模研究

为了研究电励磁双凸极电机(DSEM)的控制策略,必须建立精确控制模型。DSEM定转子均为双凸极结构,存在明显的边缘效应和高度的局部饱和现象,其磁链和转矩均为电枢电流、励磁电流及转子位置角的非线性函数,难以采用常规方法建立精确控制模型。在深入分析电机电磁特性的基础上,通过有限元仿真分别建立磁链与转矩关于电流与转子位置角关系的数据表。采用Simulink三维查表法,分别对DSEM磁链函数和转矩函数进行建模,并与电压方程一起构成DSEM仿真模型。针对模型各个环节进行了分析验证,以励磁绕组滞环斩波空载反电动势及电枢电流采用不对称控制策略为例,将仿真结果与有限元仿真及试验结果进行了对比,验证了所建模型的精确性、有效性及建模方法的可行性。     

定子分布励磁双凸极无刷直流发电机电磁特性研究

定子集中励磁双凸极电机与不控整流电路构成的双凸极无刷直流发电机具有调压方便、可靠性高的特点,但其存在三相磁路不对称的固有问题,进而影响三相电势波形与输出电压脉动。深入研究定子分布励磁的电励磁双凸极发电机,对比了分布励磁与集中励磁双凸极发电机结构特点与运行原理,用有限元方法分析了分布励磁双凸极电机的电枢反应、电感特性和磁场分布,并对多相电机及其绕组形式和发电模态进行了研究。研制了原理样机,实验结果与仿真分析一致,表明分布式励磁双凸极无刷直流发电机在合理的绕组结构和整流方式下具有良好的发电性能,解决了传统双凸极无刷直流发电机的整流输出电压脉动大和相电流不对称的问题。     

基于电流指令补偿的DSEM转矩脉动抑制研究

针对电励磁双凸极电机存在的转矩脉动问题进行了理论分析,总结了转矩脉动产生的内在机理。为了克服双凸极电机显著的非线性问题,通过有限元仿真技术,提出了一种基于数据库的双凸极电机电流指令补偿法。方法的核心是转矩-电流映射。在此基础上,得到补偿后的电流指令,能有效抑制电机的转矩脉动。基于以上研究理论,编写了相关仿真程序并证明了分析理论的有效性。     

电动汽车集成车载大功率充电器的研究

将电动汽车的电机驱动系统重构成蓄电池充电系统,能够省去车载充电器,同时实现大功率快速充电。研究了一种基于12/10极电励磁双凸极电机(DSEM)的集成化充电系统。驱动模式时,采用前级DC/DC变换器与后级逆变器级联的方式驱动电机;充电模式时,该电机的三相电枢绕组作为三相桥式整流器的三个电感,励磁绕组作为前级DC/DC变换器中的滤波电感,由于该电机各绕组自感较大且保持恒定,易于实现小电流纹波充电,且电机在充电模式下仅产生微小脉动转矩,充电效率相对较高。针对所提系统,搭建了基于ANSYS和MATLAB软件的电机本体有限元模型和变换器模型,采用了正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)两种控制方式,对比分析了充电模式下的电流、电压等特性,验证了该集成化拓扑结构的可行性。     

基于减少转矩脉动的外转子双凸极永磁电机的设计与分析

对双凸极永磁电机转矩脉动的原因进行了分析和研究。介绍了使绕组磁通回路不为串联的电机结构，并给出了电机的控制策略。使某些相产生的转矩下降时，其它相产生的转矩上升，以使总转矩保持恒定，从而大大地减少转矩脉动。在电机结构和控制策略的基础上，对10／8极和8／10极两种外转子双凸极永磁电机转矩脉动进行比较，得出8／10极电机更有利于减少转矩脉动。     

轴向线圈辅助磁阻型双凸极电机控制策略研究

针对传统永磁直流电机中永磁体在高温高压下可能退磁并且不能调磁的问题,设计一种轴向线圈辅助磁阻型双凸极电机,并依据双凸极电机的运行原理,基于该电机的特殊结构和电感模型,在标准角度导通方式的基础上提出一种三相六状态角度导通方式。通过搭建双组功率逆变模块,利用中央辅助励磁线圈可增磁弱磁的原理,提出励磁电流—转矩直接控制策略,通过控制换相时刻励磁电流的大小以实现励磁电流的自适应调节进而实现对输出转矩的控制。最终经过场—路耦合分析和实验分别验证控制方法的可行性和有效性,使电机运行更加平稳。     

永磁式双凸极电机新型开通关断角控制策略

采用标准角度控制的永磁式双凸极电机，在换相时三相同时导通或关断，产生较大换相转矩脉动。该文通过对电机内部电磁场的有限元计算，分析了转矩脉动形成机理。为减小换相转矩脉动，提出新型开通角和关断角控制策略。该方法通过提前导通功率变换器上管、滞后关断其下管，对一个周期内的导通模式进行细分，通过换相前后，两相和三相导通方式的切换，提高换相时刻输出转矩，减小电机转矩脉动。根据有限元分析的电感和磁链数据，构造永磁式双凸极电机调速系统非线性仿真模型，并将其与标准角度控制方式进行仿真与实验比较，验证了新型控制策略的正确性。     

双凸极无刷直流起动发电机研究

电励磁双凸极无刷直流发电机配以起动功率变换器就构成了起动发电机，与开关磁阻起动发电机一样均具有可在高温高速下工作的能力。本文分析了该起动发动机的基本原理，标准和换相提前控制时的机械特性和机械特性的合成方法，减小转矩脉动和输出电压脉动的方法，比较了有刷与无刷两种电机起动航空发动机的试验结果。试验表明：电励磁双凸极电机是一种性能较好的航空用起动/发电机。