【摘 要】
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飞轮储能系统需要高速电机进行驱动,势必会因为机械轴承支承带来的机械摩擦磨损限制了飞轮的最高转速,也降低了电机的使用寿命。无轴承永磁同步电机（Bearingless Permanent Magnet Synchronous Motor,BPMSM）的出现,令飞轮储能系统可以达到更高转速,并具有更低的损耗,提高了系统的效率。关于驱动飞轮转子转动的无轴承永磁电动机的研究已经比较丰富,但是对于无轴承永磁发
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飞轮储能系统需要高速电机进行驱动,势必会因为机械轴承支承带来的机械摩擦磨损限制了飞轮的最高转速,也降低了电机的使用寿命。无轴承永磁同步电机（Bearingless Permanent Magnet Synchronous Motor,BPMSM）的出现,令飞轮储能系统可以达到更高转速,并具有更低的损耗,提高了系统的效率。关于驱动飞轮转子转动的无轴承永磁电动机的研究已经比较丰富,但是对于无轴承永磁发电机仍缺少相关研究。为了进一步降低发电机运行时的损耗,减少齿槽转矩的影响,以及更加适应飞轮储能系统,论文提出一种外转子无铁心无轴承永磁同步发电机（Outer Rotor Coreless BPMSG,ORC-BPMSG）,不仅具有无摩擦、寿命长、损耗低的特点,还具有零齿槽转矩、转动惯量大特点。本论文对ORC-BPMSG的工作原理和数学模型,本体参数设计和多目标优化,解耦控制和数字控制实验平台进行了研究。论文主要工作及取得成果如下:1、阐述了无轴承电机和无铁心电机研究背景和意义,以及国内外研究现状。概述了外转子无铁心无轴承永磁同步发电机的相关研究,并介绍了本文研究内容和章节安排。2、介绍了ORC-BPMSG基本结构,分析了ORC-BPMSG内部各类型电磁力的生成原理。利用麦克斯韦张量法建立了ORC-BPMSG考虑转子偏心的悬浮力绕组产生悬浮力数学模型,并且分析了发电绕组的发电电压和PWM变流器的数学模型。3、设计了ORC-BPMSG的初始样机参数,并对其进行有限元参数化建模。选取发电电压的总谐波畸变率、悬浮力大小和悬浮力脉动作为优化目标,选择永磁体厚度、极弧系数、气隙长度和外转子厚度作为优化因子,利用响应面法拟合了各目标的函数表达式。再利用MOPSO联合有限元分析对三个目标进行优化设计,得到Pareto解集,分析并选取了最终优化参数。最后,利用有限元仿真对比分析了优化前后的ORC-BPMSG各目标性能,结果证明优化方法合理且有效。4、针对ORC-BPSMG系统非线性和强耦合的特性,提出了基于LS-SVM的广义逆解耦控制,并作了方法介绍。判断了ORC-BPMSG系统的可逆性,在此前提下,利用LS-SVM训练出ORC-BPSMG的广义逆系统,作为前馈系统串联在ORC-BPMSG原系统前,实现成功解耦。根据磁场定向控制提出的解耦控制框图,在MATLAB/Simulink中构建仿真模型,并进行实验。仿真结果表明,基于LS-SVM的ORC-BPSMG广义逆解耦控制方法可以成功实现对ORC-BPMSG的解耦控制。5、设计了ORC-BPMSG实验平台,详细介绍了实验平台的硬件部分和软件部分,包括硬件的DSP最小系统、功率驱动板、信号接口电路的设计,以及软件的主程序和中断服务子程序的设计。在构建成功ORC-BPMSG实验平台后,对ORC-BPMSG的发电性能和悬浮力性能,以及发电电压和悬浮力的解耦情况设计了相关实验。经过对实验结果的分析,证明了优化后的ORC-BPMSG具有预期的更好的性能,说明优化具有合理性。
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