【摘 要】
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本课题受省重点研发计划项目《YX2系10k V紧凑型高效率三相异步电动机研制》(项目编号:201803D121008)的资助。开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)具备成本低、结构简单、灵活可靠、运行效率高等一系列优势,在航天航空、电器、纺织、矿用机械、新能源汽车等各个领域被广泛应用。但是由于开关磁阻电机双凸极结构以及磁场的高度非线性化,使得电机的振动和噪声较其
【基金项目】
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重点研发计划项目《YX2系10kV紧凑型高效率三相异步电动机研制》(项目编号:201803D121008);
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本课题受省重点研发计划项目《YX2系10k V紧凑型高效率三相异步电动机研制》(项目编号:201803D121008)的资助。开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)具备成本低、结构简单、灵活可靠、运行效率高等一系列优势,在航天航空、电器、纺织、矿用机械、新能源汽车等各个领域被广泛应用。但是由于开关磁阻电机双凸极结构以及磁场的高度非线性化,使得电机的振动和噪声较其他传统电机要严重得多,从而限制了其进一步发展和应用。因此,对开关磁阻电机振动的分析以及抑制方法的研究具有重要的理论价值和现实意义。本文以一台7.5k W,12/8极三相开关磁阻电机为研究对象,通过查阅文献和理论分析得出径向力是产生振动的主要原因。针对SRM振动较大的问题,分别采用改进电机结构设计和电流波形控制两种方法来降低径向力的幅值和波动程度,从而抑制电机的振动。具体研究内容如下:根据样机的结构设计参数,搭建样机的电磁有限元模型,计算出样机的静态电磁特性,包括磁链特性、电感特性和矩角特性;对开关磁阻电机进行时步有限元分析,分别在APC控制方式和CCC的控制方式下,分析计算了开关磁阻电机绕组电流和转矩的变化规律。分析了SRM振动产生的原因,理论推导了径向力的计算表达式,采用有限元法分析计算了径向力的随绕组电流和转子位置的变化关系,并对单极下的径向力进行了时步有限元分析。阐述了振动的数学模型,得出振动加速度和径向力的传递函数。对样机的定子铁心、绕组、机壳以及底座等结构进行三维建模,探讨了定子铁心的振动模态,以及考虑定子绕组、端盖、底座以及固定底座对电机振动模态的影响,得出电机的前六阶固有频率和振动模态。研究了定转子间边缘磁通效应对转矩脉动的影响,提出了转子齿内两侧开孔的新型电机结构,采用有限元法计算了不同开孔参数对转矩脉动、平均转矩以及径向力幅值的影响,得出在转子内两侧开孔可以有效改善转矩脉动的结论。针对SRM径向力幅值较大的问题,提出了定子齿顶开槽的方法,采用有限元法分析了不同定子开槽参数对转矩脉动、平均转矩以及径向力峰值的影响。综合转子齿开孔和定子开槽方案,对改进前后的样机进行静态特性对比和时步有限元分析对比,结果表明:改进后的电机在平均转矩基本保持不变的前提下,有效削弱了径向力峰值。由于定转子之间径向力的突变性是造成开关磁阻电机振动的主要原因,通过使得各相径向力之和基本恒定的方法可以减小径向力的波动性,从而实现振动抑制。首先,分析了径向力和绕组电流的关系,推导了能保持径向力恒定的电流表达式;其次,搭建了SRM驱动系统仿真模型,并对传统控制方法和改进控制方法的电流波形、转矩波形、单极径向力波形以及径向力和的波形进行了仿真,仿真结果表明,改进控制方法的径向力和波形波动性降低;最后,对传统控制方法和改进控制方法的振动加速度分别进行了仿真,并进行了时域和频域分析,分析结果表明,改进控制方法的振动加速度减小,谐波含量和幅值均降低,振动程度得到削弱,验证了采用改进控制方法实现振动抑制的有效性。
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