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    開關磁阻電機優化設計與控制

    張敏杰  
    【摘要】:由于開關磁阻電機具有定子和轉子的雙凸極結構,兼具了造價較低,運轉穩定等優勢,所以經常將其應用于高速運行場合。由于電機運行時磁場的非線性特性,開關磁阻電機的設計方法和性能分析與傳統電機差別較大。此外,由于徑向力和轉矩脈動造成的噪聲和振動,開關磁阻電機在低噪聲環境下的應用受到了阻礙。本文以開關磁阻電機的優化設計與控制為主題,進行了其理論研究、仿真分析和實驗驗證,主要內容如下:(1)分析開關磁阻電機的電磁設計方法,詳細論述電機各部分參數的選擇對電機性能的影響,并提出了一種在電機設計初始階段快速準確計算外轉子開關磁阻電動機電感的解析方法。通過解析法計算了有效電感和端部電感,并考慮了鐵心飽和的影響。根據解析模型計算出的電感曲線,建立磁鏈表、轉矩表和定子極磁通密度表,快速預測了電機的穩態性能,如相電流、磁鏈、銅耗和鐵耗,對解析模型計算得到的電感及電機性能進行仿真和實驗驗證,并對設計樣機進行測試。(2)在開關磁阻電機的初始設計階段,通過電機材料、尺寸參數,建立電機定子極對轉子的徑向力解析模型,準確地計算徑向力數值,快速地對各種運行狀態的徑向力進行時域和頻域上的分析,預測電磁噪聲。本文將麥克斯韋應力法和等效磁路法相結合,精確計算開關磁阻電機氣隙磁通密度。并通過計算得到的氣隙磁通密度,給出了單線圈激勵下定子徑向電磁力的表達式。在角度位置控制方式下,應用同樣的方法,推導轉子運轉過程中定子徑向電磁力的解析表達式,并完成仿真分析對比。(3)深入分析開關磁阻電機噪聲產生的原因,在優化設計的基礎上,對比了減振降噪的常規控制方法和基于徑向力控制的方法。本文結合遺傳算法在兼具轉矩脈動和電流有效值的同時優化徑向力波動,建立了不同的運行點對應的電流參數的表格,在電機實際運行過程中,通過查表法改變調制電流,達到在各個運行點兼顧轉矩脈動和效率、同時降低噪聲的效果,針對改進策略,搭建了仿真模型,并進行了實驗研究。


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