两向混合励磁无刷电机驱动控制系统研究

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1、第l章绪论阶段主要集中在基本理论和电机结构设计上，对于电机驱动系统的设计并没有大规模地展开，本论文主要研究了混合励磁电机驱动系统的设计，因此本项目的研究不仪具有重要的理论意义，而且具有重要的工程应用价值。§1．2混合励磁双凸极电机的发展历史和研究现状近二十多年来，由于各种新型永磁材料的出现，特别是八十年代初，日本和美国分别研制成功了性能优良且价格低廉的第三代稀土永磁材料钕铁硼，有力地推动了永磁电机的发展。永磁电机转子上没有绕组，可在恶劣环境下高速运行。定子上没有励磁损耗，因此效率较高，工作可靠，但永磁磁场调节困难限制了永磁电机的应用领域。因此将永磁与电励磁有机结合，研究开发综合电

2、励磁电机和永磁电机的优点，又能克服各自缺点的混合励磁电机，从而最大限度地发挥两者的优势，成为目前十分迫切的研究课题。国内外学者为之付H{了很大的努力并取得了一些进展。莫斯科航空学院巴拉古诺夫教授在1988年提出了并联式混合励磁同步发电机的结构181，如图1．1所示。该电机的定子和普通同步电机相同，转子分为两部分，一部分为永磁励磁，另一部分为电励磁。这种混合励磁发电机已经在移动电源方面获得初步应用。S极励磁绕支架转子轴图1-1混合励磁同步发电机结构图日本学者T．Mizuno博士等提出了轴向／径向磁路混合励磁同步发电机【9】，如图1．2所示，该电机的定子电枢绕组为通常的三相对称绕组，

3、定予铁心被定了环形直流励磁绕组分成两段。这两段铁心由其外部的背轭(用于轴向导磁的机壳)在机械和磁路上实现连接；转子也分成两部分：Ⅳ极端和S极端，每极由同极性永磁和铁心形成的中间极交错排列且两端的Ⅳ、S永磁极及中间极也交错排列，转子铁心及转轴间有一实心导磁套筒(转子背轭)，用于转子的轴向导磁。可以看出，转子上永磁体产生的永磁磁场和定子上的电励磁绕组产生的电励磁磁场在气隙中迭加，共同形成电机的主磁场。由于电励磁磁场的存在，使得气隙磁场不但可调，而且调节范围很大。这种电机作为电动机，有很宽的恒功率调节范围。2*l《绪论霰圈I-2轴向『径向磁路混合威磁同步发电机DSPM电机(图1．3)足

4、在开关磁阻(图l-4)电机基础上发展起来的种新型高效节能电机，它由

5、ALipo等人于1992年首先提出，并进行了初步的理论分析和实验研究，研究表明，DSPM电机有较高的功率密度和效率【10】。圈143DSPM电机截面图圉I-4开关磁阻电机蔷面图图1"5为种HEDS(混合励磁双凸极)电机．它是在DSPM电机基础上演变而来的，保留了DSPM电机的全部优点【11】。通过控制励磁电流的方向和大小，可以调节气隙磁场。⋯⋯图I-SHEDS电机截面圈图I-6轴向，径向HEDS电机图1-6为另种混合励磁电机【12]，区别于前面两种混合励磁电机，在电机端部放置电励磁绕组，引入轴阿电励磁磁场，水磁磁

6、场为径向磁场，两者在气隙中实现磁场叠加。电励磁轴向磁路不经过磁阻很大的永磁体，提高了屯励磁利用效率，同样实现了用较小3@、第1章绪论的直流励磁磁势，获得较大的磁通调节范围。但由于轴向磁路的存在，定子背轭、转子背轭一般需要采用导磁性能较好的电工纯铁提供良好的轴向导磁能力，结构较为复杂，制造、安装困难。南京航空航天大学的严仰光教授课题组也对混合励磁电机进行了初步研究，提出了并联式HEDS电机【13】。在结构上，定子部分采用与DSPM电机和电励磁双凸极电机定子相同的两段定子构成，共享一个转子，结构较为简单直接，从原理上实现了混合励磁，永磁部分电机与电励磁部分电机间用气隙或非磁性金属材料

7、隔开一段距离，这样可以减少永磁体与励磁绕组电流产生的沿着轴向的磁通的交链，减少两部分电机的耦合，从而使两部分电机磁势建立的磁通互不关联。东南大学的程明教授在国内最早对DSPM电机进行了研究，并取得了一系列丰硕的成果。HEDS电机方面，课题组在原来DSPM电机的基础上研究了又一种新型HEDS电机，试制了12／8极的实验样机【14，15】。东南大学的胡虔生教授在此基础上又提出了一种新型结构的双向混合励磁双凸极电机，并试制了12／8极的实验样机【12]，本文将针对该电机做深入研究。§1．3本文研究的主要内容两向混合励磁无刷电机作为新型定子永磁电机，对该电机及其驱动系统研究的内容十分丰富

8、，既可以对电机本体进行深入研究和分析，亦可对其驱动特性以及磁场调节特性进行研究。两向混合励磁无刷电机是在双凸极永磁电机(DSPM)结构的基础上，通过引入辅助电励磁绕组，实现电机气隙磁场的灵活调节。为保持电机较高效率，两向混合励磁无刷电机在要求输出大转矩和高速运行时电励磁才起作用。因此本文提出了两向混合励磁无刷电机分区控制策略，并对其进行了仿真分析。围绕电流控制器和转速控制器，设计了实用的驱动控制系统硬件电路并编写了软件程序。两向混合励磁无刷电机调速控制系统设计的关键在于实现各控制