《閉合繞組永磁無刷直流電機的理論分析》是依託上海交通大學，由朱莉擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：閉合繞組永磁無刷直流電機的理論分析
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：朱莉
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
為了保持傳統直流電機調速範圍寬、調速平滑、過載能力高等優點，同時克服機械換向和電勵磁造成的效率低、可靠性差等問題，基於博士和博士後研究，本項目提出閉合繞組永磁無刷直流電機的理論分析，研究電機存在的問題、拓展控制方法、實現最佳化設計。針對閉合繞組永磁無刷直流電機的特殊結構和驅動器，研究其換向暫態過程和支路環流，避免換向對電力電子開關的衝擊以及環流造成的電機性能降低。由於該類電機的特殊控制方式，針對不同電機結構，制定相應的控制策略，可實現對支路中線圈數的控制，減小電機串聯總匝數，實現電機的擴速新方法。利用現有開路繞組的無感測器控制方法和閉合繞組物理量變化規律，探索適用於該電機的無感測器控制。為了快速、合理、準確地實現電機最佳化，研究基於差分進化算法和有限元時步法電機約束條件的多目標最佳化，實現電機的最佳化設計。從而，對所提出的閉合繞組永磁無刷直流電機建立一個較全面的理論框架和實驗支持，擴展電機的套用。
結題摘要
提出閉合繞組永磁無刷直流電機，並進行了電機原理、建模仿真、暫態分析、環流分析、擴速新方法、基於遺傳算法的最佳化、無感測器控制的研究和探索。電機採用了永磁體勵磁、電子換向和繞組閉合連線。通過控制電子電子開關管的狀態，可使N極或S極下線圈的電流方向保持不變。樣機的分析和實驗都驗證了，閉合繞組永磁無刷直流電機的運行特性與直流電機相同，而且效率有明顯提高，如200w樣機在額定運行時整個系統的效率可達84%。對表面式永磁體結構通過求解標量磁勢的微分方程和保角變換等解析地得到了電機的氣隙磁密；對內置式永磁體，建立了複雜磁路網路模型，計及鐵芯飽和dq軸磁路耦合。結合控制線路，建立了閉合繞組永磁無刷直流電機的場路耦合模型。利用所建模型，實現暫態仿真，與有限元的誤差很小。由仿真和實驗可知，電機換向暫態過程中，二極體和開關管上的電壓和電流都在正常範圍內，並不會造成衝擊。為了避免誤差，利用有限元分析了極數、槽數、槽開口寬、槽開口高、槽肩高、定轉子軛、永磁體等對環流的影響。發現為了減小環流，應調整參數使線圈反電勢呈現平頂波，因此齒尖的形狀影響很大，而永磁體尺寸、轉子軛部等幾乎沒有影響；另外，當槽數是偶數時，即使反電勢波形出現變形，也能消去環流。針對閉合繞組永磁無刷直流電機的特殊結構提出了一種新的擴速方法。由於電機繞組多邊形閉合連線，而且每個電子開關管獨立控制，因此通過導通不同的開關管，使得串聯的線圈數減少，實現電機調速範圍的擴大。對10 極11槽樣機，除了11個工作線圈的運行方式外，還實現了8或6個工作線圈的運行方式，實現電機擴速。並分析了電機擴速運行時的特性，最後利用實驗進行了驗證。將差分進化算法和有限元時步法結合，編寫了電機的最佳化算法。將定子內徑和外徑、永磁體大小、齒部尺寸等作為最佳化變數；最小輸出功率、效率等作為約束；而最佳化目標則為轉矩密度和費用兩個相悖的目標。最終得到了一台性能相同、但體積小、費用少的新電機。由於電機最佳化過程中採用有限元時步法計算，對於一個方案的計算耗時非常大。為了提高最佳化效率，對於最佳化變數的最佳化範圍，需要合理設定。利用檢測線圈電壓的過零點，探索了閉合繞組永磁無刷直流電機的無感測器控制算法，通過實時檢測將要進行電流換向線圈的電壓過零點，實現無感測器控制，並與有感測器控制進行了比較，電流波形相似。
