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新型半齿绕开关磁阻电机的分析、设计与控制

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摘要

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第1章 绪论

§1.1 课题的背景与意义

§1.1.1 课题背景

§1.1.2 当前电动汽车用电机系统研究现状

§1.2 开关磁阻电机的研究现状

§1.2.1 新型电机本体结构

§1.2.2 新型控制方法

§1.3 本文主要内容与结构安排

§1.3.1 本文主要研究内容

§1.3.2 本文结构

第2章 HT-SRM的结构与工作原理

§2.1 传统全齿绕开关磁阻电机(FT-SRM)

§2.1.1 基本拓扑与运行原理

§2.1.2 常见FT-SRM结构类型

§2.1.3 能量转换过程

§2.2 新型半齿绕开关磁阻电机(HT-SRM)

§2.2.1 基本结构

§2.2.2 磁路特性与电感特性比较

§2.2.3 可靠性与容错性比较

§2.3 电机主要设计参数

§2.4 本章小结

第3章 HT-SRM的有限元分析

§3.1 基于ANSYS的参数化建模

§3.2 HT-SRM与FT-SRM静态电磁性能

§3.2.1 电机有限元模型

§3.2.2 气隙磁密比较

§3.2.3 线圈磁链比较

§3.2.4 相磁链比较

§3.2.5 绕组自感比较

§3.2.6 绕组互感比较

§3.2.7 瞬时转矩的比较

§3.3 饱和问题

§3.3.1 气隙磁密

§3.3.2 自感与互感

§3.3.3 平均转矩

§3.3.4 磁化曲线

§3.4 SRM绕组结构

§3.4.1 FT-SRM

§3.4.2 HT-SRM

§3.4.3 串联与并联

§3.5 HT-SRM的优化

§3.5.1 优化过程

§3.5.2 优化结果

§3.6 与6/8结构比较

§3.6.1 传统三相6/8结构FT-SRM优化

§3.6.2 6/8结构优化FT-SRM与12/8结构HT-SRM比较

§3.7 本章小结

第4章 开关磁阻电机的数学模型

§4.1 开关磁阻电机的基本方程

§4.1.1 电压平衡方程

§4.1.2 功率平衡方程

§4.1.3 机械平衡方程

§4.2 开关磁阻电机的线性电感模型

§4.3 开关磁阻电机的功率尺寸方程

§4.3.1 功率尺寸方程

§4.3.2 功率密度计算

§4.3.3 线电流密度与面电流密度的换算

§4.3.4 功率方程的算例

§4.4 本章小结

第5章 开关磁阻电机的控制系统模型

§5.1 场路耦合仿真模型

§5.2 给定转速源下电机性能的比较

§5.3 给定负载转矩的比较

§5.4 本章小结

第6章 开关磁阻电机的铁耗计算

§6.1 铁耗计算模型

§6.1.1 传统铁耗计算

§6.1.2 涡流损耗

§6.1.3 磁滞损耗

§6.2 典型磁密波形分析

§6.3 铁耗计算与比较

§6.3.1 计算铁耗

§6.3.2 实测铁耗

§6.4 本章小结

第7章 开关磁阻电机的实验验证

§7.1 系统平台搭建

§7.1.1 软件平台

§7.1.2 硬件平台

§7.1.3 测试平台

§7.2 实验样机

§7.3 实验结果验证

§7.3.1 三台样机的相电流波形

§7.3.2 相同机械特性下三台样机的比较

§7.3.3 相同电流密度下FT-SRM与HT-SRM的比较

§7.4 本章小结

第8章 总结与展望

§8.1 全文总结

§8.2 课题展望

参考文献

硕士期间的学术成果

致谢

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摘要

开关磁阻电机凭借其结构简单牢固,可靠性高、容错性好,调速范围宽的内在优势赢得了广泛关注。尤其是近年来稀土永磁材料供应限制和价格波动,更使不需永磁体的开关磁阻电机得到进一步发展,其已经被成功应用于航空航天、电动汽车、动力牵引和工业调速等领域。本文在深入分析开关磁阻电机结构特点与运行原理的基础上,提出并研究了一种新型半齿绕开关磁阻电机(Half-Teeth-Wound Switched Reluctance Machine,简称HT-SRM),并对HT-SRM进行了优化设计。此外,将HT-SRM与传统开关磁阻电机进行比较,试制了实验样机,为该电机的进一步深入研究和工程应用奠定了基础。 论文主要的研究成果包括以下几个方面: (1)详细分析了开关磁阻电机的结构特点和能量转换过程,进而通过改变传统全齿绕开关磁阻电机(Full-Teeth-Wound Switched Reluctance Machine,简称FT-SRM)的绕组结构,提出了一种新型HT-SRM,基于理想磁路法分析了HT-SRM的特点和优势。 (2)基于二维静态有限元法,全面分析比较了HT-SRM与FT-SRM的静态特性,验证了HT-SRM在容错能力和单位电流输出转矩方面的优势。针对HT-SRM易饱和的问题,对其主齿和副齿进行优化以进一步提升半齿绕结构在低速区大转矩的优势。在此基础之上,研究并归纳了开关磁阻电机的绕组连接方式对电机性能的影响,总结出开关磁阻电机的最优绕组连接方式。 (3)基于理想电感模型和能量转换过程,推导了开关磁阻电机的功率尺寸方程和功率密度表达式,建立了电机线电流密度和面电流密度的换算关系。最后,基于两台4kW样机的算例,初步验证了功率方程的准确性。 (4)基于Ansoft/Simplorer,搭建了开关磁阻电机的磁场—电路耦合仿真模型,将磁场有限元计算和复杂控制模型结合,实现开关磁阻电机驱动系统的高精度系统级仿真,并基于所搭模型,比较HT-SRM和FT-SRM的输出特性。 (5)建立适用于开关磁阻电机严重非正弦铁心磁密波形的铁耗计算模型,综合考虑小磁滞回环和直流偏置的影响,详细分析HT-SRM和FT-SRM的铁心磁密分布,计算并比较了两种电机的铁耗。 (6)基于DSP2812芯片,编写程序,搭建了开关磁阻电机测试平台,试制了实验样机,通过实验比较了HT-SRM和FT-SRM的输出特性,验证理论分析与有限元仿真的结果。

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