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开关磁阻电机优化设计与控制

张敏杰  
【摘要】:由于开关磁阻电机具有定子和转子的双凸极结构,兼具了造价较低,运转稳定等优势,所以经常将其应用于高速运行场合。由于电机运行时磁场的非线性特性,开关磁阻电机的设计方法和性能分析与传统电机差别较大。此外,由于径向力和转矩脉动造成的噪声和振动,开关磁阻电机在低噪声环境下的应用受到了阻碍。本文以开关磁阻电机的优化设计与控制为主题,进行了其理论研究、仿真分析和实验验证,主要内容如下:(1)分析开关磁阻电机的电磁设计方法,详细论述电机各部分参数的选择对电机性能的影响,并提出了一种在电机设计初始阶段快速准确计算外转子开关磁阻电动机电感的解析方法。通过解析法计算了有效电感和端部电感,并考虑了铁心饱和的影响。根据解析模型计算出的电感曲线,建立磁链表、转矩表和定子极磁通密度表,快速预测了电机的稳态性能,如相电流、磁链、铜耗和铁耗,对解析模型计算得到的电感及电机性能进行仿真和实验验证,并对设计样机进行测试。(2)在开关磁阻电机的初始设计阶段,通过电机材料、尺寸参数,建立电机定子极对转子的径向力解析模型,准确地计算径向力数值,快速地对各种运行状态的径向力进行时域和频域上的分析,预测电磁噪声。本文将麦克斯韦应力法和等效磁路法相结合,精确计算开关磁阻电机气隙磁通密度。并通过计算得到的气隙磁通密度,给出了单线圈激励下定子径向电磁力的表达式。在角度位置控制方式下,应用同样的方法,推导转子运转过程中定子径向电磁力的解析表达式,并完成仿真分析对比。(3)深入分析开关磁阻电机噪声产生的原因,在优化设计的基础上,对比了减振降噪的常规控制方法和基于径向力控制的方法。本文结合遗传算法在兼具转矩脉动和电流有效值的同时优化径向力波动,建立了不同的运行点对应的电流参数的表格,在电机实际运行过程中,通过查表法改变调制电流,达到在各个运行点兼顾转矩脉动和效率、同时降低噪声的效果,针对改进策略,搭建了仿真模型,并进行了实验研究。


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