12/8极单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机的控制策略

无轴承开关磁阻电机结构简单、性能可靠,并省去了机械轴承的使用,在高速电机领域具有重要应用价值,引起了众多学者的注意。然而在无轴承开关磁阻电机中,转矩与悬浮力的耦合问题往往使得电机控制较为复杂,为此研究人员提出了宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机,其可以实现转矩与悬浮力解耦控制,具有现实研究意义。本文以单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机为研究对象,针对起动/发电一体化装置的性能要求,着重分析了电机在调速和发电领域中的控制策略,并搭建相应的控制平台,为后续的实验研究打下了坚实基础。

首先,通过有限元软件比较分析两种电机结构,介绍了单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机中转矩与悬浮力解耦控制原理,并通过麦克斯韦应力法推到了电机转矩与悬浮力数学模型。其次,推导出电机输出平均转矩与绕组方波电流的关系式,通过引进新变量改进悬浮力数学模型,减少了控制变量的数目,并以此为基础在Matlab/Simulink环境下搭建电机仿真模型,分析了以平均转矩与瞬时悬浮力为控制目标时的电机工作性能。此后,分析了单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机发电运行模式,推导出了在电机高速运转状态下悬浮电流导通角的计算公式,提出了负载电压控制方法,并搭建了发电机开环与闭环仿真模型,通过分析线圈的电流—磁链状态图,解释了电机机电能量转化过程。

最后,设计了单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机控制平台,包括主控制器、电流采样调理电路、功率变化器及驱动电路、保护电路以及其他辅助电路等,并完成了系统电流斩波测试实验,为后续的系统联调奠定了坚实的基础。