电励磁双凸极电机的建模与仿真方法研究毕业论文
2023年度电力系统同步发电机励磁系统的建模与仿真
2023年度电力系统同步发电机励磁系统的建模与仿真随着电力系统的快速发展和电力负荷的不断增加，同步发电机在电力系统中的作用日益重要。
在发电过程中，同步发电机的励磁系统起着至关重要的作用，它不仅决定了发电机的输出功率和电压稳定度，还直接影响到电力系统的稳定性和安全性。
因此，对同步发电机励磁系统进行建模和仿真，分析其特性及优化其性能具有十分重要的实用价值和工程应用前景。
本文将针对电力系统同步发电机励磁系统的建模和仿真，从理论分析、实验研究和实际应用等角度进行探讨，并提出相应的解决方案和建议。
一、同步发电机励磁系统的基本原理同步发电机是电力系统中常用的发电设备之一，其工作原理是通过励磁系统对转子产生恒定电磁势，使得电动机的旋转速度与电网同步。
励磁系统由调节回路和发电机励磁机组成，前者用于调节励磁电流大小，后者用于产生励磁电流。
励磁机由交流电源供电，将电能转换为磁能，形成恒定的磁场，以激励转子产生电势，并与电网同步。
二、同步发电机励磁系统的建模方法同步发电机励磁系统建模方法通常采用开环和闭环两种方法。
开环方法着重考虑发电机励磁机的特性和参数，而忽略负载和电力系统的影响；闭环方法则将发电机励磁系统与负载和电力系统耦合起来，考虑更加全面的影响因素。
基于此，可以利用MATLAB等软件对同步发电机励磁系统建立模型并进行仿真。
三、同步发电机励磁系统的特性分析同步发电机励磁系统特性分析是建模和仿真的重要内容，其目的是分析系统的性能和稳定性。
特性分析主要包括励磁电路特性分析、励磁系统数学模型建立、励磁机暂态过程仿真等方面。
四、同步发电机励磁系统的优化同步发电机励磁系统的优化可以通过改变发电机励磁电路参数、控制环节参数等方式进行。
其中，提高励磁机的内部反馈控制效果，降低负载波动对励磁系统的影响，并采用先进的励磁控制算法等方法，可以显著提升系统的质量和性能。
五、同步发电机励磁系统仿真结果分析通过对同步发电机励磁系统的仿真分析，可以建立电网和发电机系统的各种工况和稳态性能参数，并提出相应的改进措施和建议。
双凸极永磁电机电流控制的仿真分析
组的磁链和电感均 随之增加 ， 当转子齿 与定子齿完 全重合时， 磁链有最大值； 当转子齿离开定子齿时 ， 磁链 随之 减 小 ， 当转子 齿对 着定 子槽 时 ， 链有 最小 磁
值 。图 １是一 台 ８ ６极 双 凸极 电机结构 剖 面 图。 ／
１ ，
电机 转矩 脉动 理 论 的研 究 成 果 ， 文 通 过建 立 本
维普资讯
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２０ ０７年第 ５期
双 凸极 永 磁 电机 电流控 制 的仿 真分 析 木
夏小虎 ， 李神 ， 丁健
（ 合肥学院 电子信息与 电气工程 系，安徽 合肥 ２ ００ ） ３６ １
摘
要 ： 建 立双 凸极永 磁 电机相 电流 的动态数 学模 型 ， 不 加控 制 时 电机 电流 进 行 了计 算 仿 真 ， 对
关键词 ： 双 凸极永 磁 电机 ；Ｂ ｎ—ａｇ控 制 ；双极 性 电压 ；Ｍ Ｔ Ａ ａｇＢ ｎ Ａ ＬＢ
中 图分类 号 ： Ｍ３ １ Ｔ ５ 文 献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ：０ １— ８ ４ ２ ０ ） ５— ０ ０— ５ １０ ０ ７ （ ０ ７ ０ ０ ６ ０
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｅ ｔｏ ｕ ｌ ｌ ｎ ｅ ｍａ ｅ ｔＭａ ｎ ｔ ｔ ｄ ｎ Ｃｕ ｒ ｎ ｆＤｏ ｂｙ Ｓａｉ ｔＰ ｒ ｎ ｎ ｇ ｅ ｉ ｒ ｅ ｃ
Ａｂ ｔ ｃ ： Ｉ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ａ ｎ ｗ ｓ ａ ｅ ｙ ｔ ｏ ｔ ｌ ｔ ｅ ｃ ｒｅ ｔ ｏ Ｓ Ｍ ｓ ｐ ｅ ｅ ｔｄ Ｆ ｒｔ ， ｔ ｅ ｄ ｎ ｍｉ ｓｒ ｔ ａ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ， ｅ ｔ ｔｇ ｏ ｃ ｎｒ ｈ ｕ ｒ ｎ ｆ Ｄ Ｐ ｉ ｒ ｓ ｎ ｅ ． ｉ ｌ ｒ ｏ ｓ ｙ ｈ ｙ ａ ｃ
电励磁双凸极发电机的非线性建模与空载特性仿真
第 ３ ８卷第 ３期
２０ ０ ６年 ６月
南
京
航
空
航
天
大
学 学 报
Ｖｏ ． ８ ＮＯ ３ １３ ．
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＮａ ｊ ｇ Ｕｎｖ ｒ ｉ ｆＡｅ ｏ ａ ｔｃ Ａｓｒ ｎ ｕ ｉｓ ｏ ｒ ａ ｎ ｉ ｉｅ ｓｔ ｏ ｒ ｎ ｕ ｉｓ＆ ｏ ｎ ｙ ｔｏ ａ ｔｃ
Ｄｏ ｂ ｙ Ｓ ｌｅ ｔ Ｇｅ ｒ ｔ ｒ ｕ ｌ ａ ｉ ｎ ｎｅ ａ ｏ
Ｚｈ ｕ Ｚｅ ｇ ｕ，Ｙａ ｎ ｇｕ ｎ ｏ ｎ ｆ ｈ Ｙａ ｇ ａ ｇ
（ ｅ ｏ Ｐ ｗ ｒＳ ｉ ｅ ｈＣ ｎ ｅ ， ｎｉｇ Ｕｎｖ ｒ ｉ ｆ ｒ ｎ ｕ ｉ Ａ ｒ — ｏ ｅ ｃ Ｔ ｃ ｅ ｔｒ Ｎａ ｊ ｉ ｓ ｙ ｏ ｏ ａ ｔ ｓ＆ Ａ ｔ ｎ ｕ ｉ ， ｎｉｇ ２ ０ １ ， ｈｎ ） — ｎ ｅ ｔ Ａｅ ｃ ｓ ｒ ａ ｔ ｓ Ｎａ ｊ ， １ ０ ６ Ｃ ｉａ ｏ ｃ ｎ
ｓ ｌ ｎ ｅ ｅ ａ ｏ ｓ ｓｍｕ ａ ｅ ｎ ｈ ｎ ｉ ｇ ｉ ｄ ｃ ｄ ｖ ｌａ ｅ ｕ ｄ ｒ ｎ —ｏ ｄ ｃ ｎ ｉｉ ｎ ｉ ｇ ｖ ｎ Ａｌｏ， ａ ｉ ｔ ｇ ｎ ｒ ｔ ｒ ｉ ｉ ｌ ｔ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｗｉ ｄ ｎ ｎ ｕ ｅ ｏ ｔ ｇ ｎ ｅ ｏ ｌ ａ ｏ ｄ ｔ ｓ ｉ ｅ ． ｅ ｏ ｓ
Ｊｎ ２０ ｕ ． ０６
电励磁 双 凸极 发 电机 的 非线 性 建 模 与 空载 特 性 仿 真
周 增 福 严 仰 光
（ 京 航 空航 天 大 学航 空 电 源航 空科 技 重 点 实 验 室 ， 京 ，１ ０ ６ 南 南 ２０１）
摘 要 ： 出了一种 新 的 建模方 法 ， 提 即在 电励 磁 双凸 极电机 电磁 场 有 限元计 算的 基础 上 ， 用 Ｍａｌ 利 ｔ ｂ时 电励磁 双 凸极 无 ａ 刷 直 流发 电机 进行 非 线性 建模 与 仿真 ； 并导 出了 电励磁 双 凸极 电机 无 刷 直 流发 电 系统 考 虑换 相 过 程 时的 非 线性 仿 真
电励磁双凸极发电机的Pspice建模方法
由于电感曲线成梯形周期变化 , 利用 “ 电压脉 冲模块 (Vp u lse ) ” 对电感进行建模时只需使“ 电压 脉冲模块 ” 输出的梯形电压各分段点的时间与对应 的梯形电感各分段点角度成比例即可 , 模型如图 4。 假设双凸极电机转速为 n, 则一个电感周期时间为 60 ×45 15 T = = 。 360 n 2n
(南京航空航天大学 航空电源航空科技重点实验室 ,江苏 南京 210016 )
摘 要 : 为了研究电励磁双凸极电机发电过程 , 采用电压脉冲模块和受控电压源结合单位电感的 方法 ,基于 Psp ice仿真软件建立了电励磁双凸极发电机模型 。同时 ,研究了一台 12 /8 极的电励磁 双凸极发电机模型 ,给出了动态特性的数字仿真和试验结果 。通过仿真与实验结果的对比 ,验证了 所建模型的正确性及方法的可行性 ,为飞机直流发电系统的设计 、 分析提供了基础 。 关键词 : 电励磁双凸极电机 ; Psp ice软件 ; 仿真 ; 发电机模型
2 电励磁双凸极发电机结构及原理
本文研究的 12 /8 极电励磁双凸极电机结构如 图 1 所示 。定 、 转子均为凸极齿槽结构 , 定 、 转子极 弧宽度相等 , 机械角度为 15 ° 。定子上装有集中电 枢绕组和励磁绕组 , 转子上无绕组 。空间相对的 4 个定子齿上的绕组串联构成一相 。励磁绕组跨过 3 个齿安装在 4 个大槽内 。
1 引 言
电励磁双凸极电机是在美国 T A L ipo 教授提出 [1] 的双凸极变速永磁电机 (DSPM ) 的基础上发展而 来的 。该电机用电励磁代替永磁励磁 , 通过调节励 磁线圈电流大小 ,改变电机磁场强度 ,控制电机转矩 大小 ,因控制灵活而受到重视 。当其工作于发电模 式时 ,不需要位置传感器和复杂的功率变换器 ,调节 励磁电流大小即可调节输出电压 。因此与开关磁阻
电励磁双凸极电机数字调压技术研究(硕士论文)
中图分类号：TM301.2论文编号：1028703 05-0069 学科分类号：080801密级：公开硕士学位论文电励磁双凸极电机数字调压技术研究硕士生姓名曹小庆学科、专业电机与电器研究方向航空航天电源指导教师严仰光教授王莉副教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二00五年三月Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsThe Graduate SchoolCollege of Automation EngineeringResearch on the digital voltage regulator of Double-Salient Electro-Magnetic generatorA Thesis inElectrical EngineeringbyCao XiaoqingAdvised byprof.Yan Yangguan &Associate prof. Wang LiSubmitted in Partial Fulfillmentof the Requirementsfor the Degree ofMaster of EngineeringMarch, 2005承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
作者签名：日 期：南京航空航天大学硕士学位论文摘 要电励磁双凸极电机是一种新型交流无刷电机，它具有结构简单、可靠性高、能量密度高及能高速运行等优点。
混合励磁双凸极电机电磁转矩非线性模型建模
第27卷㊀第6期2023年6月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.27No.6Jun.2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀混合励磁双凸极电机电磁转矩非线性模型建模刘慧娟,㊀郭跃,㊀卜斌彬(北京交通大学电气工程学院,北京100044)摘㊀要:针对混合励磁双凸极电机磁路饱和特性对电磁转矩的影响,提出一种具有几何意义的电磁转矩非线性计算模型㊂首先利用有限元电磁模型计算了磁链分布,提出磁链梯度的概念,根据磁共能原理,推导出电磁转矩的积分表达式,描述了其几何含义;然后仿真验证了所推导公式的正确性,并分别求解出满足恒转矩运行和最大转矩运行时的电枢电流波形,实现了电机在一定转子角度内的恒转矩输出和最大转矩输出;为便于实现方波控制,对方波电枢电流的波形参数进行优化,实现电机在方波电流下的最大转矩输出㊂经仿真验证,提出的混合励磁双凸极电机电磁转矩非线性模型具有计算准确㊁简单直观㊁便于应用的特点,为混合励磁双凸极电机设计提供参考㊂关键词:混合励磁;双凸极;磁链;转矩;几何模型;非线性模型DOI :10.15938/j.emc.2023.06.004中图分类号:TM351文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)06-0026-08㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-04-18基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金(2021YJS159)作者简介:刘慧娟(1967 ),女,博士,教授,博士生导师,研究方向为特种电机设计与多物理场优化;郭㊀跃(1987 ),男,硕士研究生,研究方向为混合励磁双凸极起动发电机优化设计;卜斌彬(1998 ),女,硕士研究生,研究方向为永磁电机振动噪声优化设计㊂通信作者:刘慧娟Nonlinear modeling of electromagnetic torque of hybridexcitation doubly salient motorLIU Huijuan,㊀GUO Yue,㊀BU Binbin(School of Electrical Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)Abstract :Aiming at the influence of magnetic circuit saturation characteristics of hybrid excitation doubly salient motor on electromagnetic torque,a nonlinear calculation geometric model of electromagnetic torque is proposed.The definition of flux gradient was proposed,and the distribution characteristics of flux were calculated by finite element electromagnetic model.The integral expression of electromagnetic torque wasderived and the geometric meaning was explained.Then,the correctness of the derived model was veri-fied through simulation.And through this model,the armature current waveforms for constant torque op-eration and maximum torque operation were solved.To facilitate square wave control,the waveform pa-rameters of square wave armature current were optimized to realize the maximum torque output of the mo-tor under square wave current.The proposed nonlinear model of hybrid excitation doubly salient motor e-lectromagnetic torque is simple,accurate and easy to calculate,which can provide a reference for the de-sign of hybrid excitation doubly salient motor.Keywords :hybrid excitation;double salient pole;flux linkage;torque;geometric model;non-linear model0㊀引㊀言随着航空飞机电气化发展,具有起动功能与发电功能的起动发电机的作用越来越凸显,尤其是无刷结构起动发电机,能很大程度简化飞机电源系统结构,提高系统功率密度,是多电/全电飞机电源的关键技术[1-2]㊂混合励磁双凸极电机(hybrid excita-tion doubly salient motor,HEDSM)属于无刷结构,具有磁场可调的优点,发电机模式下调节电机磁场可以调节输出电压,电动机模式下调节磁场可以调节输出转矩[3-5]㊂因此HEDSM非常适合航空用起动发电机㊂起动发电机的设计难点在于电机要工作于两个极端的转速,发电模式转速高,起动模式转速低,根据电机尺寸方程,发电模式电机需求尺寸小,而起动模式电机需求尺寸大;且受安装空间限制,起动发电机尺寸不能过大,电机需要长时间工作在发电状态,因此需以发电模式为基础确定尺寸,这就造成电机的起动转矩不足㊂HEDSM也不例外,在起动模式下,若要提高起动转矩,必然使电机过载运行,磁路出现饱和,其中导磁桥严重饱和,使电机磁链的线性模型难以满足电机运行特性分析所需要的精度㊂文献[6-7]给出了双凸极电机电感不随电流变化的线性模型,由于未考虑磁路饱和影响,模型仅适用于电机定性分析㊂文献[8]考虑磁路饱和,提出了针对磁路局部饱和采用修正系数的永磁双凸极电机非线性变磁路模型,用于计算电机的反电势等㊂文献[9]利用模糊神经网络算法,建立电励磁双凸极发电机的非线性磁链模型,但该模型的准确度取决于训练样本的数目,且计算周期长㊂文献[10]利用无励磁电流时的非线性电感拟合得到电励磁双凸极发电机三维非线性电感表达式,而对非零励磁电流时的电感进行系数修正,在一定程度上影响模型的准确度㊂文献[11]利用拟合方法得到同时考虑励磁电流和电枢电流影响的电感表达式㊂文献[12-14]利用有限元仿真计算电机的磁链㊁感应电动势等㊂文献[15]利用查表方法获得不同转子位置角的自感与磁链值,并搭建基于MATLAB/Simulink的电机模型㊂文献[16]采用三维查表法,将有限元计算的磁链数据和转矩数据直接用于电励磁双凸极电机的控制,查表模型精确度高,但没有揭示出磁链和转矩之间的具体联系㊂本文提出磁链梯度概念,对有限元计算得到的非线性磁链分布特性进行几何意义理论推导,得到HEDSM电磁转矩非线性积分模型,给出磁链与转矩的数学表达,并通过有限元仿真验证模型的准确性㊂求解电机恒转矩运行和最大转矩运行的电流波形㊂1㊀HEDSM非线性磁链模型图1为12/8极HEDSM横截面示意图,电机定㊁转子为双凸极结构,定子为集中绕组,转子无绕组㊁无永磁体㊂定子轭部嵌放4块切向充磁的永磁体,与永磁体相邻的定子槽内放置电励磁绕组,永磁磁场和电励磁磁场共同形成电机气隙主磁场㊂文中对电机的分析均以转子相邻两极中心线与B相定子极中心线对齐位置作为转子初始位置㊂以下针对电机运行于单拍工作模式,即同一时刻只有单相电枢绕组通电的情况来分析电机的磁链模型㊂起动发电机基本参数如表1所示㊂图1㊀12/8极HEDSM横截面示意图Fig.1㊀Cross section diagram of12/8pole HEDSM表1㊀电机基本参数Table1㊀Basic parameters of motor㊀㊀参数数值额定电压/V30额定功率/kW9定子外径/mm185转子外径/mm100气隙长度/mm0.4轴长/mm170定子极弧角/(ʎ)15转子极弧角/(ʎ)20定子每极匝数3励磁线圈匝数100并联支路数2永磁体高度/mm18.5永磁体宽度/mm 5.472第6期刘慧娟等:混合励磁双凸极电机电磁转矩非线性模型建模㊀㊀利用HEDSM 的有限元(FEM)模型计算得到电机磁链ψ随相电流i 和转子位置角θ的分布曲面如图2所示,磁链随转子位置角θ先增大后减小,随相电流i 的增大而增大㊂图2㊀FEM 磁链分布Fig.2㊀Flux linkage distribution of FEM根据磁能和磁共能定义有:W m +W ᶄm =ψi ;(1) W ᶄmi=ψ㊂(2)式中:W m 为磁能;W ᶄm 为磁共能㊂磁共能的全微分为d Wᶄm= W ᶄm i d i + W ᶄm θd θ㊂(3)电源输入电能W e 的微分为d We =i d ψ㊂(4)根据能量守恒关系可得出电机的电磁转矩T 与电能㊁磁能的关系为T d θ=d W e -d W m ㊂(5)由式(1)~式(5)可以得出电磁转矩T 和平均电磁转矩T avg 的表达式为:T (θ)= W ᶄmθ=ʏiψd iθ=ʏiψ θd i ;(6)T avg =ʏθT 0ʏi0 ψ θd i d θθT=ʏθTʏi0 ψ θd i d θθT㊂(7)式中θT 为转子极距㊂记P (i ,θ)=ψ(i ,θ)θ,P (i ,θ)为磁链随转子角度变化率,定义为磁链梯度,单位为Wb /(ʎ),其随相电流和转子位置角的分布曲面如图3所示,P (i ,θ)随转子位置角度正负交替变化㊂图3㊀P (i ,θ)分布Fig.3㊀Distribution of P (i ,θ)进一步改写式(6)和式(7),如图4所示,在z -i -θ坐标系中有:T (θ)=ʏiP (i ,θ)d i =ʏi 0ʏz =P (i ,θ)d z d i =ʏS p -i (θ)d S ;(8)T avg =ʏθTʏi 0P (i ,θ)d i d θθT=ʏθTʏi 0ʏz =P (i ,θ)d z d i d θθT=ɥV p -i-θd VθT㊂(9)图4㊀转矩与平均转矩模型Fig.4㊀Torque and average torque model由此推出非线性转矩模型的几何描述:T (θ)=S P -i (θ);(10)T avg =V P -i -θθT㊂(11)式中:S P -i (θ)为在θ处电流i 与曲线P (i )围成的面积;V P-i -θ为平面i -θ㊁柱面i (θ)㊁顶面z =P (i ,θ)围成的体积㊂P (i ,θ)=0的平面可由i =0,θ=22.5ʎ划分为Ⅰ㊁Ⅱ㊁Ⅲ㊁Ⅳ区域,如表2所示㊂根据式(10),若需82电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀电机产生正转矩,应该在Ⅰ区向绕组注入正电流,在Ⅳ区向绕组注入负电流㊂相应地,若需电机产生负转矩,应该在Ⅲ区向绕组注入负电流,在应该Ⅱ区向绕组注入正电流㊂因此,电机的正常运行工作区域为Ⅰ㊁Ⅳ区;制动区域为Ⅱ㊁Ⅲ区域㊂表2㊀P (i ,θ)分区Table 2㊀Zoning of P (i ,θ)区域参数数值区域ⅠP (i ,θ)>0i >0区域ⅡP (i ,θ)<0i >0区域ⅢP (i ,θ)>0i <0区域ⅣP (i ,θ)<0i<02㊀电磁转矩计算本节利用有限元法对已建立的非线性模型进行验证,并与线性模型计算结果进行对比分析㊂通过式(6),可求出转矩线性模型为T =i d ψpm d θ+12i 2d L d θ㊂(12)式中:ψpm 为永磁体磁链;L 为相绕组自感㊂线性模型中,磁链ψpm 取自非线性模型中i =0的磁链分布曲线,即ψpm =ψ(i ,0),如图5所示㊂电感L 为磁链ψ(i ,0)对电流i 求偏导,即L = ψ(i ,0)i,ψpm 与L 计算结果,如图6所示㊂图5㊀线性模型磁链和线性电感示意图Fig.5㊀Schematic diagram of flux linkage and linear in-ductance for linearmodel图6㊀线性模型用磁链和电感值Fig.6㊀Flux linkage and inductance for linear model电机运行时,在低速下由于限流的作用,绕组电流为方波;在高速下,由于反电势作用显著增加,绕组电流近似三角波,以下对方波电流和三角波电流分别进行转矩计算㊂1)方波电流电磁转矩计算㊂给定绕组电流为标准角控制时采用的方波电流,模拟低速工况,参数如表3所示,波形如图7所示㊂表3㊀标准角控制电流参数Table 3㊀Current parameters for standard angle control㊀㊀参数数值电流幅值i +-/A100正开通角θon +/(ʎ)7.5正关断角θoff +/(ʎ)22.5负开通角θon -/(ʎ)22.5负关断角θoff -/(ʎ)37.5图7㊀标准角控制电流波形Fig.7㊀Current waveform for standard angle control转矩计算结果如图8所示,非线性模型转矩与有限元模型转矩最大误差为0.22N㊃m;线性模型转矩与有限元模型转矩最大误差为0.48N㊃m㊂92第6期刘慧娟等:混合励磁双凸极电机电磁转矩非线性模型建模图8㊀转矩对比Fig.8㊀Torque comparison2)三角波电流电磁转矩计算㊂给定绕组电流为三角波电流,模拟高速工况,参数如表4,波形如图9所示㊂表4㊀三角波电流波形参数Table 4㊀Triangular wave current waveform parameters㊀㊀参数数值电流幅值i +-/A100正开通角θon +/(ʎ)10正峰值角θ+/(ʎ)12.5正关断角θoff +/(ʎ)20负开通角θon -/(ʎ)25负峰值角θ-/(ʎ)27.5负关断角θoff -/(ʎ)35图9㊀三角波电流波形Fig.9㊀Triangular wave current waveform计算结果如图10所示,非线性模型转矩与有限元模型转矩最大误差为0.15N㊃m;线性模型转矩与有限元模型转矩最大误差为0.26N㊃m㊂图10㊀三角波电流转矩对比Fig.10㊀Triangular wave current torque comparison3)计算结果分析㊂非线性模型比线性模型误差小,非线性模型的误差主要是由式(10)中求面积的数值积分误差造成,增加采样点,可提高计算精度㊂线性模型误差相对较大,如图10所示,在电流为正时计算结果偏大,电流为负时计算结果偏小,并且误差随电流增大而增大㊂产生误差的原因为电流为正时,磁场方向与永磁体磁场方向一致,铁心饱和程度随电流增加而增大,实际自感逐渐减小,使线性模型自感取值大于实际自感;电流为负时,磁场方向与永磁体磁场方向相反,铁心饱和程度随电流增加而减小,实际自感逐渐增大,使自感取值小于实际电感㊂线性模型是一种近似计算,计算准确的前提条件是铁磁材料不饱和,磁导率不变㊂若磁导率随电流变化,电感将不能从式(6)中提取出来,无法使用线性模型进行计算,在这种情况下,通过非线性模型进行计算,结果会更精确㊂3㊀保持瞬时转矩为定值时的电流波形计算㊀㊀在表2中,因为Ⅰ㊁Ⅲ区P >0;Ⅱ㊁Ⅳ区P <0;再根据非线性模型式(10),可以得出转矩T (i ,θ)存在反函数i (T ,θ),转矩与电流一一对应㊂故可将此模型作为转矩感测器,用于电机控制㊂根据式(10)和转矩指令值进行数值计算,反求得转子位置θ处的电流i 即可实现电机恒转矩运行,保持瞬时转矩恒等于拟输出转矩值,无转矩脉动㊂具体算法可根据下式进行求解:S P -i k |θk<T 0<S P -i k +1|θk ;i (k )=i k +1-(S P -i k +1|θk-T 0)/P (i k +1,θk );i k +1=i k +1㊂üþýïïïï(13)式中:S P -i k |θk为θ=θk 时,P 与i k 围成的面积,即T (i k )|θk;相应地,S P -i k +1|θk为T (i k +1)|θk ㊂通过二者比较,可以输出i k +1,再通过修正,得到所需的i k ㊂例如,转矩指令值T =2N㊃m,θɪ[8ʎ,18ʎ],通过式(13)可求出相应电流波形,计算结果电流波形如图11所示,由此电流得到转矩波形如图12所示㊂从图12中可以看出,绕组加入图11所示电流后,通过有限元仿真得到转矩非常接近转矩指令值T =2N㊃m,平均转矩为1.97N㊃m,转矩脉动率为3电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀1.87%㊂再次证明了非线性模型的准确性,同时证明式(13)求出的电流有较高的精度㊂图11㊀恒转矩电流波形Fig.11㊀Current waveform for constanttorque图12㊀转矩波形Fig.12㊀Torque waveform尽管可以按照相应的转矩,给出对应的电流波形,但由于磁阻电机的特性,转子极对齐定子极时,即θ0=22.5ʎ,P (i ,θ)ʈ0,无转矩输出,按照式(13)求出的电流值理论上为无穷大,所以只能在[20ʎ,25ʎ]范围外,实现恒转矩运行㊂4㊀平均转矩最大时的电流波形计算非线性转矩模型式(10)中,转矩与电流存在一一对应关系,在一个转子极周期内,可以通过优化,求出电流i (θ)曲线,使得在电流有效值的限制内,电机达到最大平均转矩㊂该问题数学描述为:max T avg ;s.t .ʏθTi 2d i <I 2rms ㊂}(14)根据非线性模型式(11),式(14)可以转化为下式的几何问题,然后通过数值迭代进行求解:max(V P -i -θ)θT);s.t.ʏθT 0i 2d i <I 2rms ㊂üþýïïïï(15)选取3种电流波形进行对比分析,分别为:最优电流i tm ㊁整周期正负等幅值电流i av ㊁标准角控制电流i st ㊂三者电流有效值均为60A,电流波形如图13,有限元输出转矩计算结果如图14所示,平均转矩如表5所示㊂图中:1)相比于整周期正负均值电流i av 和标准角控制电流i st ,优化后的电流波形i tm 与i =0围成的面积所包围的P (i ,θ)更多,即V P -i -θ体积更大,根据式(11),平均转矩更大㊂2)优化后的电流波形正负不对称,正方向最大值大于负方向最大值㊂从图3可以看出,在电流正向区|P (i ,θ)|随电流增加而增大,在电流负方向区|P (i ,θ)|随电流增加而减小,在电流有效值的限制下,需要减小负电流,增加正电流,以包围更多的|P (i ,θ)|,使平均转矩增加㊂表5中,优化后的转矩比标准角转矩提高23.56%㊂图13㊀电流波形Fig.13㊀Currentwaveform图14㊀转矩波形Fig.14㊀Torque waveform表5㊀平均转矩Table 5㊀Average torque㊀㊀㊀参数数值优化后的电流i tm /(N㊃m) 2.15正负均值电流i av /(N㊃m) 1.85标准角控制电流i st /(N㊃m)1.7413第6期刘慧娟等:混合励磁双凸极电机电磁转矩非线性模型建模5㊀方波电流波形参数优化由于在电机控制中,滞环限流应用较多,经过控制后,输入到电机的电流波形近似于方波,本节针对方波电流进行优化,给出能使电机输出平均转矩最大的电流参数㊂数学描述为:max(V P -i -θ)θT);s.t .ʏθTi 2d i <I 2rms ;0<θon +<0.5θT ;θon +<θoff +<0.5θT ;θon -<θoff -<θT ;u +>0,u -<0;0.5θT <θon -<θT ㊂ìîíïïïïïïïïïïüþýïïïïïïïïïïïïï(16)由于参数较多,应用MATLAB 中的内点法(fmincon)函数求解,求解结果见表6,电流波形如图15所示,Maxwell 有限元仿真所得输出转矩如图16所示㊂表6㊀电流波形参数Table 6㊀Current waveform parameters㊀㊀㊀参数数值正最大值i +/A 89.02负最大值i -/A 79.52正开通角θon +/(ʎ) 5.57正关断角θoff +/(ʎ)17.57负开通角θon -/(ʎ)27.86负关断角θon -/(ʎ)38.48平均转矩T avg /(N㊃m)1.96图15㊀电流波形Fig.15㊀Current waveform从表6及图15中可以看出,优化后的电流正负幅值不等,正向幅值大于负向幅值,与第4节分析一致,优化后的转矩平均值为1.96N㊃m,对比表5,优化后的转矩平均值达到最优转矩91.16%,说明优化起到了一定的作用,能够应用于功率器件开关角的控制㊂图16㊀转矩波形Fig.16㊀Torque waveform6㊀结㊀论本文从HEDSM 磁链特性分布出发,提出了磁链梯度的定义,推导出电磁转矩非线性数学模型,得出以下结论:1)转矩与磁链梯度存在几何关系,瞬时转矩为磁链梯度围成的面积;平均转矩与磁链梯度围成的体积成正比㊂2)经过有限元计算验证,电磁转矩非线性数学模型具有较高准确性,能够实现转矩与电流的相互精确求解㊂3)利用非线性模型,可以优化电流波形,实现电机最大转矩输出㊂4)文中电磁转矩非线性模型是在励磁电流为0的情况下得到的,若励磁电流不为0,只需修改相应的励磁特性分布即可㊂参考文献:[1]㊀张卓然,于立,李进才,等.飞机电气化背景下的先进航空电机系统[J].南京航空航天大学学报,2017,49(5):622.ZHANG Zhuoran,YU Li,LI Jincai,et al.Key technologies of advanced aircraft electrical machine systems for aviation electrifica-tion [J].Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astro-nautics,2017,49(5):622.[2]㊀孙浩,丁毅,胡岳,等.多电飞机电机绝缘研究现状和未来挑战[J].大电机技术,2023(4):1.SUN Hao,DING Yi,HU Yue,et al.Research status and future challenges of more electric aircraft motor insulation [J].Large E-lectric Machine and Hydraulic Turbine,2023(4):1.[3]㊀MING C,YING F,CHAU K T.Design and analysis of a novelstator-doubly-fed doubly salient motor for electric vehicles [J].Journal of Applied Physics,2005,97(10):10.[4]㊀朱孝勇,程明,花为,等.新型混合励磁双凸极永磁电机磁场调节特性分析及实验研究[J].中国电机工程学报,2008,2823电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀(3):90.ZHU Xiaoyong,CHENG Ming,HUA Wei,et al.Investigation of flux regulation performance and experimental validation for a novel hybrid excited doubly salient permanent magnet machine[J].Proceedings of the CSEE,2008,28(3):90.[5]㊀井立兵,高起兴,王冲,等.双转子混合励磁电机优化设计和特性分析[J].电机与控制学报,2019,23(9):43.JING Libing,GAO Qixing,WANG Chong,et al.Optimization design and characteristic analysis of dual-rotor hybrid excitation motor[J].Electric Machines and Control,2019,23(9):43.[6]㊀相蓉,周波,孟小利.双凸极电机转矩脉动的仿真研究[J].南京航空航天大学学报,2001,33(4):366.XIANG Rong,ZHOU Bo,MENG Xiaoli.Torque-ripple simulation of double salient motor[J].Journal of Nanjing University of Aero-nautics&Astronautics,2001,33(4):366.[7]㊀程明.双凸极变速永磁电机的运行原理及其静态特性的线性分析[J].科技通报,1997(1):17.CHENG Ming.Principle and linear analysis of static characteris-tics of a doubly salient variable speed permanent magnet motor [J].Bulletin of Science and Technology,1997(1):17. [8]㊀MING C,CHAU K T,CHAN C C,et al.Nonlinear varying-net-work magnetic circuit analysis for doubly salient permanent-magnet motors[J].IEEE Transactions on Magnetics,2000,36(1):339.[9]㊀王莉,周增福,周波,等.双凸极电励磁发电机非线性建模方法[J].中国电机工程学报,2009,29(6):86.WANG Li,ZHOU Zengfu,ZHOU Bo,et al.Nonlinear modeling and analysis of fielding-winding doubly salient generator[J].Pro-ceedings of the CSEE,2009,29(6):86.[10]㊀张乐,周波,方斯琛.基于三维非线性电感模型电励磁双凸极发电机系统建模的研究[J].中国电机工程学报,2006,26(23):126.ZHANG Le,ZHOU Bo,FANG Sichen.Research on doubly sali-ent generator electro-magnetic based on three-dimensional nonlin-ear inductance model[J].Proceedings of the CSEE,2006,26(23):126.[11]㊀王逸洲,王慧贞,刘伟峰,等.新型电励磁双凸极电机发电系统建模研究[J].中国电机工程学报,2017,37(17):516.WANG Yizhou,WANG Huizhen,LIU Weifeng,et al.A novelmodeling method for power generator systems of wound-exciteddoubly salient machines[J].Proceedings of the CSEE,2017,37(17):516.[12]㊀马文博,张广明,梅磊.新型结构电励磁双凸极发电机设计仿真[J].计算机仿真,2019,36(6):226.MA Wenbo,ZHANG Guangming,MEI Lei.Design and simula-tion of a new electro-magnetic generator with doubly salient struc-ture[J].Computer Simulation,2019,36(6):226. [13]㊀史立伟,韩震,周晓宇,等.短磁路E型定子铁心电励磁双凸极发电机电磁特性分析[J].电机与控制学报,2020,24(10):109.SHI Liwei,HAN Zhen,ZHOU Xiaoyu,et al.Electromagneticcharacteristics analysis of E-core stator doubly salient electro-magnetic generator with short circuit[J].Electric Machines andControl,2020,24(10):109.[14]㊀李爽,梅磊.轴向磁通电励磁双凸极发电机仿真分析[J].微特电机,2018,46(6):35.LI Shuang,MEI Lei.Simulation analysis on axial-flux electro-magnetic doubly salient generator[J].Small&Special ElectricalMachines,2018,46(6):35.[15]㊀朱晓虹,张广明,梅磊.新型轴向磁通双凸极永磁电机设计与建模仿真[J].电机与控制应用,2015,42(7):6.ZHU Xiaohong,ZHANG Guangming,MEI Lei.Design and sim-ulation of novel axial flux doubly salient permanent magnet motor[J].Electric Machines and Control Application,2015,42(7):6.[16]㊀明庆永,陈志辉,封成双.基于查表法的电励磁双凸极电机建模研究[J].电机与控制应用,2021,48(6):49.MING Qingyong,CHEN Zhihui,FENG Chengshuang.Modelingof doubly salient electro-magnetic motor based on look-up tablemethod[J].Electric Machines and Control Application,2021,48(6):49.(编辑:刘琳琳)33第6期刘慧娟等:混合励磁双凸极电机电磁转矩非线性模型建模。
混合励磁双凸极电动机调速系统性能仿真研究
证 数学 模 型 、 速控 制 策略 、 调 仿真 方法 是否 有效 。
１ＨＥ ＤＳ的 数 学 模 型
电机 的数 学模 型 是 根 据机 电能 量 转换 、 电磁 感 应 定律 以及 电路 理 论 而 推 导 出来 的 ， 建模 仿 真 的 是
车等需 要 宽调 速驱 动 的领 域 应 用 受 到 一定 的 限制 。
Ｙ ０ ｇ ｎ ＭＡ ｔｇ ｆｎ Ｇ ｕ ｐ Ｉ ｎ —ａ ｇ， Ｏ Ｊ －ｅｇ， ＵＪ — ｇ Ｌ ｎ
（ ａ ｔ ｇＵ ｉ ｒ ｔ， ａ ｔ ｇ２ ６ ， ｈｎ ） Ｎ ｎｏ ｎｖ ｓ ｙ Ｎ ｎｏ ２ ０ Ｃ ｉａ ｎ ｅｉ ｎ １ ９
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔ ｅｅ ｒｈｔｅｐ ｒ ｒ ａ ｃ ｆ ｙ ｒ ｘ ｉ ｄｄ ｕ ｌ ｓｌ ｎ ｍｏ ｒ ＨＥ Ｓ ｏ ｔ ｌ ｙｔｍ， Ｅ Ｓｍａ ｅ ｓ ｃ ： ｏｒｓａｃ ｅ ｏｍ ｎ ｅｏ ｂ ｄ ｅｃｔ ｏ ｂ ｉ ｏ ｏ ｓ ｅ ａＨ Ｄ ｔ — ｈ
ＨＥＤ ａ ｉｈ ｒｔｒ ｕ ｔ ｏ ｐ ｅ ｗ ｄ ｒｓ ｅ ｄ ｒ ｎ ｅ ａ ｉｈ ｓ ｅ ｄ， ｎ ｅｔｒｄ ｎ ｍｉ ｅ ｐ ｎ ｅ Ｓ ｈ ｓ ｈｇ ｅ ｑ ｅ ａ ｗ ｓ ｅ ｄ， ｉ ｅ ｐ ｅ ａ ｇ ｔ ｇ ｐ ｅ ａ ｄ ｂ ｔ ｙ ａ ｃ ｒ ｓ ｏ ｓ ． ｏ ｌ ｈ ｅ
电励磁双凸极电机的建模及其PID控制
图 ２ 每相绕组 自感及相绕组与励磁绕组互感
收稿 日期 ： ０ －１ ８ ２ ５１ － ． ０ １
警
（ １ ）
徐瑞东
２ ４
男
１７ 年生 ； ９９ 中国矿业大学硕士 ， 主要从事电力电子与电力传动方面的研究 ．
维普资讯
第
（
镐 期 ）
（ＰＳ — Ｏ ＥＲ Ｍ ＨＥ ＥＬＩ ＰＯＥＣＩ Ａ Ｉ） ＸＯ Ｎ Ｒ ＦＬＴＣ ＣＮ Ｏ
（ Ｓ Ｍ） ＳＭ 由于在转子 或定子 上嵌入 了永 Ｄ Ｅ 。Ｄ Ｐ
＋ Ｄ
十 Ａ
磁体 ， 因此高温运 行能 力差 ， 而且弱磁 控制 比较
难， 可控参数少。而 Ｄ Ｅ 由于不存在永磁体 ， ＳＭ 适 用的场合更宽 ， 而且容易进行弱磁控制 ， 可控参数
图 １ 双 凸极 电机 的 结构
Ｘｕ Ｒｕ ｄ ｎ ｉｏ ｇ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｉ ｈｓｐ ｐ ｒ ｓｒ ｃ ｎ ｔｉ ａ ｅ ，ｍｏ ｅｉ ｇｏ ｏ ｂｅｓｌ ｎ ｏｅｅｅ ｔ ｍａ ｎ ｔ ｔｒａ ｄ ｄ ｌ ｆｄ ｕ ｌ ａｉ ｔ ｌ ｌｃｒ ｎ ｅ ｐ ｏ ｇ ｅｉ ｍｏｏ ｎ ｃ ｓｍｕａ ｏ ｎｉ ｏ ｔ ｌ ｙｔｍ ｒ ｅｆｒ ｄｂ ｓ ｇＭａｌｂ Ｓｍｕｉｋ ｉ ｌｔ ｎ ｏ ｔ ｃ ｎｒ ｓ ｉ ｓ ｏ ｓ ｅ ａｅｐ ｒ ｍｅ ｙｕ ｉ ｔ ／ ｉ ｌ ．Ｔ ｅｃ ｎ ｔｕ ｔ ｎ ｏ ｎ ａ ｎ ｈ ｏ ｓｒ ｃｉ ｏ ｏ ｄ ｌｓｉ ｉｔ ｄ ｃ ｄ ａ ｄＰ Ｄ ｏ ｔ ｌｉ ａ ｐｉｄ ｔ ｅ ｍｏｏ．Ｔ ｅｒｓ ｌ ｏ ｅｓｍｕａ ｆｍｏ ｕｅ ｓ ｎｒ ｕ ｅ ｎ Ｉ ｃ ｎｒ ｓ ｐ ｌ ｏｔ ｔｒ ｈ ｅｕｔ ｆ ｉ ｌ— ｏ ｏ ｅ ｈ ｔ ｈ ｔ ｎ ｉ ｃ ｎ ｉｔｎ ｉ ｅｔ ｅ ｒｔ ａ ｎ ｙ ｉ． ｉ ｓ ｏ ｓ ｅ ｔｗ ｔ ｔ ｏｅｉ ｌａ ａ ｓｓ ｏ ｓ ｈ ｈ ｈ ｃ ｌ Ｋ ｅ ｒ ｓ Ｄｏ ｂ ｅｓ ｉｎ ｏｅｅｅ ｔ ｍａ ｎ ｔ ｔｒ ｉ ｌ ｋ，ｓｍｕａ ｏ ｙ ｗｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｅ ｔｐ ｌ ｌｃｒ ｌ ｏ ｇ ｅ ｃｍｏｏ ，Ｓｍｕｉ ｉ ｎ ｉ ｌｔ ｎ。Ｐ Ｄ ｉ Ｉ
双凸极永磁电机矢量控制的建模与仿真
Ｃ相 的永磁 磁链与 Ａ相 差 １ ０ ， ８ 。表达式为 ：
： ： ＋ ｃ ｓ ６ ） ＝ ＝ ｏ （ ０ （） ２
磁链 的变化率 为正 弦 ， 即反 电势波形 也 为正弦 ， Ａ 相反 电势为 ：
Ｃ — Ｔ Ａ 一
立 Ｍａｌｂ 型 ， 行 Ｄ Ｐ 电机 矢 量 控 制 系 统 的 ｔ 模 ａ 进 ＳＭ
仿真 和分析 ， 论证 了方法 的可行性 。
ｄａ ａ ｄｌ Ａ Ｉ ： ｔ Ｉ ｔ 一 ，
一 —
（） ３ Ｊ
其 中 叫为机械 角速度 ， 公式 （ ） 把 １ 代人 （ ） ： ３得
ｅ 一 ６ ｓｎ ６ ）・∞ Ａ ｉ（ ０ （） ４
２ ８ ６极斜槽 Ｄ Ｐ 电机两相 运行原理 ／ ＳＭ
潍坊
２１６ ） ６ ０ １
摘 要 ： ８ ６极 转子斜槽 Ｄ Ｐ 电机 进行 了深入研 究 ， 出 了 Ｄ Ｐ 电机 的矢量控制 ， 方波 电流 对 ／ ＳＭ 提 Ｓ Ｍ 和
控 制相 比， 电机 运 行 更 平 稳 ， 速 范 围 更 宽 ， 动 转 矩 明 显 减 小 ； 过 仿 真 验 证 了 Ｄ Ｐ 电 机 矢 量 控 制 的 调 脉 通 ＳＭ 有 效性 和 正 确 性 。 关 键 词 ： 凸 极 永 磁 电 机 ； 量 控 制 ； 子 双 矢 转
第 ９卷 第 ６期
２０ ０ ９年 １ １月
潍 坊 学 院 学报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｅｆｎ ｉｅｓｔ ｏ ｒａ ｆＷ ｉ ｇ Ｕｎｖ ｒｉｙ ａ
Ｖ０ ． ． Ｉ９ Ｎｏ ６
ＮＯｒ ２０ ￣ ０９
双 凸极永 磁 电机 矢量 控制 的建 模 与仿 真
韩 星 海
（ 潍坊 学院 ， 山东
图 １ ８ ６极 Ｄ Ｐ 电机 的 剖 面 图 ， 、 子 为 ／ ＳＭ 定 转
双凸极电励磁发电机系统非奇异终端滑模控制器的设计与仿真
双凸极电励磁发电机系统非奇异终端滑模控制器的设计与仿真戴卫力;丁骏;田浩;费峻涛【摘要】针对双凸极电励磁发电机调压系统,提出了一种非奇异终端滑模控制的调压控制策略.介绍了双凸极电励磁发电机的结构,并构建了数学模型.在此基础上,详细分析了基于非奇异终端滑模控制的调压器工作原理,给出了相应的滑模面方程与滑模控制律.通过李雅普诺夫稳定性方程和固定PWM控制载波交截等限制条件,给出了控制律系数的计算选取方法.基于电磁有限元瞬态分析技术与控制电路构建了“场-路”联合仿真系统,并对发电机的稳态与动态运行性能进行了仿真,结果表明基于非奇异终端滑模控制的双凸极电励磁发电机调压系统具有良好的稳态性能和优良的动态特性,具有输出电压静差和纹波小、动态恢复时间短和动态输出电压变化小的优越性能.【期刊名称】《电力自动化设备》【年(卷),期】2015(035)006【总页数】6页(P130-135)【关键词】发电机;双凸极电励磁发电机;调压器;非奇异终端滑模控制;滑模控制;“场-路”联合仿真【作者】戴卫力;丁骏;田浩;费峻涛【作者单位】河海大学物联网工程学院江苏省输配电装备技术重点实验室,江苏常州213022;河海大学物联网工程学院江苏省输配电装备技术重点实验室,江苏常州213022;河海大学物联网工程学院江苏省输配电装备技术重点实验室,江苏常州213022;河海大学物联网工程学院江苏省输配电装备技术重点实验室,江苏常州213022【正文语种】中文【中图分类】TM310 引言从20世纪90年代美国电机专家T.A.Lipo提出双凸极电机（DSM）［1］至今，国内外许多专家与学者对不同激磁方式与磁路结构的DSM进行了电磁特性［2-3］、发电［4］与电动控制［5］等方面的研究，并使其在飞机起动 /发电系统［6］、电动汽车驱动［7］及风力发电系统［8］等领域得到应用。
在不同励磁方式的DSM中，由于电励磁和混合励磁DSM装有励磁绕组，励磁电流调节方便，非常适合作发电机使用。
电励磁双凸极电机的建模与仿真方法研究毕业论文 精品
电励磁双凸极电机的建模与仿真方法研究目录摘要 (3)Abstract (4)第一章绪论 (5)1.1电励磁双凸极电机的发展 (5)1.2飞机发电系统的发展 (6)1.3课题研究的目的和内容 (6)第二章电励磁双凸极电机 (7)2.1 电励磁双凸极电机的结构 (7)2.2 电励磁双凸极发电机的数学模型 (7)2.3 发电运行工作原理 (8)第三章电磁场有限元分析简介 (11)3.1 电磁场基本理论 (11)3.1.1 麦克斯韦方程 (11)3.1.2 一般形式的电磁场微分方程 (12)3.1.3 电磁场中常见的边界条件 (13)3.2 电磁场求解的有限元法 (14)3.2.1 一维有限元法 (14)3.2.2 电磁场解后处理 (16)第四章电励磁双凸极电机模型的建立 (17)4.1 建模工具的探讨 (17)4.2 电机模型的建立 (17)4.2.1 定转子模型 (17)4.2.2 绕组模型 (18)4.2.3 电机材料的分配 (19)4.2.4 励磁电流方向和大小的判定 (19)4.2.5 相绕组电流方向和大小的判定 (20)4.2.6 给定边界条件 (21)4.2.7 其它条件的设定 (22)第五章电励磁双凸极电机的静态特性 (23)5.1 双凸极电机的空载磁链与电势 (24)5.2 空载特性 (25)5.3 负载特性 (27)第六章总结与展望 (28)致谢 (29)参考文献 (30)附录 (31)电励磁双凸极电机的建模与仿真方法研究摘要电励磁双凸极电机是一种较为新型的电机，本文研究的是12/8极电励磁双凸极电机，首先简要介绍了电机的基本结构、工作原理和数学模型，并给出了电磁场有限元分析的理论依据，在此基础上建立了Ansoft模型，利用二维电磁场有限元的方法分析了其静态特性，得出了其空载和负载特性。
本文在研究电机性能的同时，对Ansoft仿真软件也进行了比较详细的探讨，在没有具体资料的情况下，对该软件有了初步的认识。
基于Maxwell2D的混合励磁双凸极电机仿真研究
基于Maxwell2D的混合励磁双凸极电机仿真分析摘要:基于混合励磁双凸极电机原理，利用Ansoft公司的Maxwell 2D 瞬态模块建立了混合励磁双凸极(hybrid excited doubly salient，简称HEDS)电机的仿真模型,对HEDS电机性能进行了瞬态仿真研究，并分析了调节励磁直流对转矩脉动的影响。
关键词:混合励磁双凸极电机；Maxwell2D；瞬态仿真；转矩脉动0 引言混合励磁双凸极电动机是一种新型的电动机, 其电磁特性有待进一步深入研究。
在混合励磁双凸极（HEDS）电机[1,2]的定子上，既有永磁体又有电励磁绕组，通过改变电励磁绕组电流的大小和方向，实现了由永磁体和电励磁绕组共同产生的电机内气隙磁场平滑调节与控制，有效解决了双凸极永磁电机[3]难以实现电机气隙弱磁控制、恒功率调速范围较小的不足，在电动汽车等需宽调速直接驱动的场合具有较好的应用前景，且该电机结构新颖，励磁控制简单，调磁效果明显，励磁损耗小，具有较高的研究和实用价值[4]。
HEDS电机由于其定、转子极均为凸极结构，存在着显著的边缘效应和高度的局部饱和现象，所以电机内磁场空间分布非常复杂，并且，电机在运行过程中，对于不同的负载和转速，磁通、电流、转矩各量均呈现出不同的变化波形，因此，在进行电机内部磁场分析和电机性能计算时，采用有限元分析法是十分有效的。
由于，HEDS电机、功率变换器、控制器三者之间的强耦合特征, 所以使得HEDS电机在外电路的控制下，直接使用有限元方法对电机的电磁场进行分析和计算，能更真实地仿真其性能,获得更加精确的计算结果。
本文将应用Ansoft公司的Maxwell2D软件模块来建立一个HEDS电机模型，并对该电机模型的性能进行了瞬态仿真研究，同时仿真分析了直流励磁对输出转矩脉动的影响，为混合励磁双凸极电机的优化设计和励磁控制的优化提供一定的指导。
1 HEDS电机结构混合励磁双凸极电机的基本结构与开关磁阻电机类似, 其定、转子均为凸极齿槽结构, 定子和转子铁芯均由硅钢片迭压而成, 定子铁芯上镶嵌永磁体。
电励磁双凸极发电机的Pspice建模方法
Ｋｅ ｒ ｓ ＤＳ ｙ ｗｏ ｄ ： ＥＧ；Ｐ ｐ ｃ ｏ ｔ ａ ｅ ｉ ｌｔ ｎ；ｇ ｎ ｒ ｔ ｒｍｏ ｅ ｓ ｉｅ ｓ ｆ ｒ ；ｓｍｕａ ｉ ｗ ｏ ｅ ｅ ａｏ ｄ ｌ
１ 引 言
电励磁 双 凸极 电机 是在美 国 Ｔ Ａ Ｌｐ ｉｏ教授 提 出
中图分类号 ：Ｍ ４ ； Ｍ３５ ２ ２ ４ Ｔ ３ １ Ｔ ４ ；Ｖ ４ ． 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：０ ７ ４ ９ ２ ０ ）５ ０ ５ ～ ５ １０ — ４ Ｘ（０ ６ ０ — ４ ６ ０
Ｐｓ ｉ ｅ ｍ ｏ ｅｉ ｇ ｍ ｅ ｈ ｄ ｆ ｒ ｄ ｕｂ ｙ ｓ ｌ ｎ ｌｃ ｒ ｍ ａ ｎ ｔｃ ｐ ｃ ｄ ｌ ｔ ｏ ｏ ｏ ｌ ａ ｉ ｔ ｅ ｅ ｔ ｏ ｎ ｅ ｇ ｅｉ
Ａ ｓ ａｔＡｍｉｇａ ｃａａｔ ｉｉ ｆＤ Ｅ （ ｏｂｙｓｌｎ ｌｃ ｍａｎｔ ｅｅａ ｒ ｎ ｏ ｈ ｂｔ ｃ： ｉ ｎ ｔ ｈｒｃ ｒ ｔｓｏ Ｓ Ｇ ｄｕｌ ａｅｔｅ ｔ ｇｅｉ ｇｎｒｔ ）ａｄ ｆ ｔｅ ｒ ｅ ｓｃ ｉ ｅｒ ｏ ｃ ｏ ｒ
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双凸极电励磁起动电机的设计与分析
type of starter motor. The basic structure， design method and processes were described in detail and the power dimension e quation and the principle of excitation winding turns were derived， then the slot fill factor of the motor was verified. Moreo ver， the finite element analysis model was established according to the size， the static characteristics were simulated with fi nite element analysis (FEA) software，including the air gap magnetic flux density， back EMF，llux，and no-load character istic. Finally， a field-circuit co-simulation model of motor driving system based on standard angle control method was built by electro-magnetic finite element analysis and transient solver of control circuit. The key simulation waveforms were given out. The simulation results verify the rationality and correctness of the design method.
基于查表法的电励磁双凸极电机建模研究
3%
1
, F+—F-平面的磁通即为励
磁 在转子侧的磁 。
磁 的连续性,
则该磁通在定子侧分 入A、B、C、D 相定
子。若忽略 定子 小的励磁漏磁通，则：
#f 7 #a 8 #b 8
8 #d
( 4)
式中:#a、#b、#c、#d分别为7、B、C、D相与励磁匝
链的磁通;#f为励磁磁通。
磁 磁链的关系，可得知励磁磁链表达
的方法对电机的磁链、感应电动
，
结 确的 点 。 但
时 ， 效率 。
为了 电机控制策略的 及控制 的
定， 高 效率， 文利 用
法建立了
DSEM模型。在深入分析DSEM电磁特性基础
，利用
法建立了磁链特性!p (&p, & "与
转矩特性6p( & , & "的三维数据表。基于电压、 磁链和转矩方程，并考虑励磁磁链的影响搭建了
电机易抄制应用2021,48（ 6）
研究与设计I EMCA
基于查表法的电励磁双凸极电机建模研究#
明庆永，陈志辉，封成双
(南京航空航天大学自动化学院，江苏南京211100)
摘要：为了研究电励磁双凸极电机(DSEM)的控制策略，必须建立精确控制模型。DSEM定转子均为 双凸极结构，存在明显的边缘效应和高度的局部饱和 ，其磁链和转矩均为电枢电流、励磁电流及转子位置
为
( ) !f 7 !a 8 !b 8 !c 8 !d 9 #f/#p
( 5)
式中:#和#p分别为励磁绕组匝数和电枢绕组
转子
图2展开图
1.2 DSEM电磁特性分析
DSEM每相
的磁链由电枢绕组与励
磁绕组间互感磁链、电
一种电励磁双凸极磁阻电机的优化建模方法和系统[发明专利]
![一种电励磁双凸极磁阻电机的优化建模方法和系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/942d582c53ea551810a6f524ccbff121dd36c504.png)
专利名称：一种电励磁双凸极磁阻电机的优化建模方法和系统专利类型：发明专利
发明人：赵耀,陆传扬,李东东,杨帆,林顺富,李祯,张孟涵,邓明瑞
申请号：CN202111352916.X
申请日：20211116
公开号：CN114329809A
公开日：
20220412
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种电励磁双凸极磁阻电机的优化建模方法，包括以下步骤：根据电机的应用场景选择多个优化目标；通过计算综合敏感度指标从电机本体的结构参数中选取数值最大的前n个结构参数；预设每个参数结构具有M个选择等级，即可得到Mn组参数建模样本；将所有的参数建模样本进行归一化，并按设定比例随机分为训练集和测试集；利用KNN算法对训练集和设定的优化目标进行机器学习，建立电机优化模型，通过测试集检验建立的电机优化模型的精确度。
与现有技术相比，本发明引入了综合敏感度指标对电机本体的结构参数进行缩减，极大地缩减了参数建模样本空间，有效缩小样本所需数据，提高了建模的速度，满足工业对电机快速化优化的要求。
申请人：上海电力大学
地址：200090 上海市杨浦区平凉路2103号
国籍：CN
代理机构：上海科盛知识产权代理有限公司
代理人：陈源源
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三相电励磁双凸极直流发电机的拓扑构成和建模分析
四相双凸极发电机的相磁链模型仿真方法研究
四相双凸极发电机的相磁链模型仿真方法研究宋奇吼;陈志辉;施树荣【期刊名称】《微电机》【年(卷),期】2015(000)004【摘要】电励磁双凸极发电机的仿真常采用的有限元方法结果精确，但耗时长。
简化的电感分段线性化方法则会造成大的仿真误差。
本文分析了四相电励磁双凸极电机相绕组互感相比自感可以忽略的特性，利用四相电枢绕组的对称性，得到四相双凸极电机的相磁链模型，进而建立四相双凸极发电机的仿真模型。
通过与有限元仿真以及试验结果的对比，验证了本文方法的快速性与准确性。
%Finite element method is usually adopted to simulate a doubly salient machine.However, it is a time-consuming process.The mutual inductances between two phases can be neglected when comparing to the self-inductance.The simulation method based on the phase flux model was proposed in this paper.The flux model of phase A was setup according to different field currents and phase currents.Then the four-phase doubly salient machine can be obtained by the symmetry of the phases.The flux model method was compared to the finite element method and was verified by the experimental results.【总页数】4页(P34-37)【作者】宋奇吼;陈志辉;施树荣【作者单位】南京铁道职业技术学院，南京210031;南京航空航天大学，南京210016;南京航空航天大学，南京210016【正文语种】中文【中图分类】TM352【相关文献】1.外接单相桥的电励磁五相双凸极容错发电机 [J], 王娇艳;陈志辉;严仰光2.四相电励磁双凸极发电机短路故障分析 [J], 谢淑玲;陈志辉;倪志拓;王波3.四相电励磁双凸极发电机的仿真与优化 [J], 杭静宇;陈志辉;邹晓渔;周振军4.双凸极电励磁发电机的磁链分析及试验 [J], 张磊;魏晓斌;朱琳5.四相8/6极双凸极永磁发电机运行分析 [J], 查申森因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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电励磁双凸极电机的建模与仿真方法研究目录摘要 (3)Abstract (4)第一章绪论………………………………………………………………………… (5)1.1电励磁双凸极电机的发展 (5)1.2飞机发电系统的发展 (6)1.3课题研究的目的和内容 (6)第二章电励磁双凸极电机 (7)2.1 电励磁双凸极电机的结构 (7)2.2 电励磁双凸极发电机的数学模型 (7)2.3 发电运行工作原理 (8)第三章电磁场有限元分析简介 (11)3.1 电磁场基本理论 (11)3.1.1 麦克斯韦方程 (11)3.1.2 一般形式的电磁场微分方程 (12)3.1.3 电磁场中常见的边界条件 (13)3.2 电磁场求解的有限元法 (14)3.2.1 一维有限元法 (14)3.2.2 电磁场解后处理 (16)第四章电励磁双凸极电机模型的建立 (17)4.1 建模工具的探讨 (17)4.2 电机模型的建立 (17)4.2.1 定转子模型 (17)4.2.2 绕组模型 (18)4.2.3 电机材料的分配 (19)4.2.4 励磁电流方向和大小的判定 (19)4.2.5 相绕组电流方向和大小的判定 (20)4.2.6 给定边界条件 (21)4.2.7 其它条件的设定 (22)第五章电励磁双凸极电机的静态特性 (23)5.1 双凸极电机的空载磁链与电势 (24)5.2 空载特性 (25)5.3 负载特性 (27)第六章总结与展望 (28)致谢 (29)参考文献 (30)附录 (31)电励磁双凸极电机的建模与仿真方法研究摘要电励磁双凸极电机是一种较为新型的电机，本文研究的是12/8极电励磁双凸极电机，首先简要介绍了电机的基本结构、工作原理和数学模型，并给出了电磁场有限元分析的理论依据，在此基础上建立了Ansoft模型，利用二维电磁场有限元的方法分析了其静态特性，得出了其空载和负载特性。
本文在研究电机性能的同时，对Ansoft仿真软件也进行了比较详细的探讨，在没有具体资料的情况下，对该软件有了初步的认识。
关键词：电励磁双凸极电机，有限元，Ansoftmodeling and simulation of doubly salient machine withfield excitationAbstractThis dissertation focuses on the basic theory of a novel 12/8-pole doubly salient machine with field excitation, which is a new type recently. First, the configuration, the basic principles and the nonlinear modeling of this machine are analyzed. And the theory of electromagnetic field is given. Then,the static characteristics of the doubly salient machine with field excitation (DSEM) are carried out based ontwo-dimensional (2D) finite element analysis (FEA).This text has carried on more detailed discussion to Ansoft artificial software while studying performance of the electrical machinery, understanding that this software is preliminary.Key words: doubly salient machine with field excitation, finite element analysis, Ansoft第一章绪论1.1电励磁双凸极电机的发展在上世纪80年代，新的调速电机——开关磁阻电机正式得到国际社会的承认[1]。
开关磁阻电机的结构非常简单，定、转子都是凸极齿槽结构，其转子上无任何绕组，因此转子上没有铜耗，且转子结构简单、坚固，所以特别适合高速运行，其定子上只有集中绕组，制造工艺简单。
因此，开关磁阻电机以其调速性能好，结构简单，效率高，制造成本低廉等诸多优点，得到了迅速的发展，并在许多场合得到应用,但其发电运行时需要配功率变换器使用。
1992年，美国著名电机专家T.A.Lipo等人在对开关磁阻电机深入研究的基础上，提出在开关磁阻电机定子上(或转子上)增加一套简单的励磁装置，如永磁体，并进行了初步的理论和实验研究[2]。
此后英国、法国和德国等国也相继开展了此种电机及其控制系统的研制工作。
改进后的电机在结构上与原开关磁阻电机类似，仍呈双凸极结构，故称为永磁式双凸极电机(DSPM)。
由于附加了永磁磁场，永磁式双凸极电机在电机磁路、运行原理、力矩控制特性和系统控制规律等方面与开关磁阻电机相比较有较大的区别：在控制上，与无刷直流电机近似；在性能上，与直流电机调速系统相近。
双凸极电机由于全周期内出力，力矩/电流比大。
国外初步研究表明，在额定功率相同、外形尺寸基本一致的情况下，双凸极电机的力矩/电流比是永磁无刷直流电机的1.7倍，开关磁阻电机的1.6倍，同步电机的1.2倍，感应电机的3.2倍；力矩/惯量比是永磁无刷直流电机的5.8倍，开关磁阻电机的1.4倍，同步电机的3.6倍，感应电机的10倍[3]。
永磁式双凸极电机的不足之处在于：(1)由于采用了永磁材料，电机高温运行能力降低，削弱了开关磁阻电机原有的高温能力强的优势；(2)不能用作无刷起动发电机(起动发电机在发动机起动时，作为无刷直流电动机工作，起动结束后作为发电机运行)，因为励磁磁场由永磁材料提供，发电时调压困难，且没有故障灭磁能力。
1998年南京航空航天大学航空电源重点实验室在永磁式双凸极电动机的基础上，提出了一种新型电励磁双凸极无刷直流电机，并申请了国家发明专利[4]。
电励磁双凸极电机是在双凸极永磁电机基础上，用电励磁代替原电机的永磁结构，这种新型电机可作为发电机运行，也可作电动机使用。
电励磁双凸极电机具有下列特点：(1)励磁转矩大于磁阻转矩，且与电枢电流和励磁电流成正比，在电感上升与下降区分别通以正负电流时，电机均产生正转矩；(2)不存在电刷和滑环；(3)转子结构简单坚固，可高速运行；(4)发电运行不需位置传感器和可控功率变换器，调节励磁电流可实现调压，断开励磁电路灭磁，可实现电机系统故障保护。
电励磁双凸极电机以其独特的结构和优良的电气性能正成为一种应用前景看好的新型电机，可望成为一种有竞争力的新型无刷电机。
1.2飞机发电系统的发展飞机电源系统从28V低压直流，到400Hz 115/200V恒速恒频交流，到变速恒频交流，发展到270V高压直流。
相应的飞机发电系统也经历了从28V低压直流发电系统，400Hz 115/200V恒速恒频交流发电系统，变速恒频交流发电系统，到270V高压无刷直流发电系统[5]。
低压直流电源由于发电容量、电网重量和电能变换装置效率低等主要缺点，只能适合于小型飞机。
恒速恒频交流电源目前得到了广泛使用，但恒速传动装置结构复杂，维护性差和效率低，限制了它在高性能飞机上的使用。
变速恒频电源由于电能的二次变换，效率也不能进一步提高。
同时交流电源难于实现不中断供电，不适合于计算机、飞控、电传和发动机控制系统等要求不中断供电的设备使用。
高压直流电源与交流电源相比具有电网重量轻、270伏高压直流电对人体的危害比115/220伏交流电小、主电源和二次电源内部的损耗小效率高、通过反流保护二极管实现并联，主电源故障不会导致供电中断的优点。
高压直流电源和固态配电系统的结合，完美地实现了电能供给的余度、容错和不中断，为21世纪先进飞机的发展创造了条件[6]。
1.3课题研究的目的和内容电励磁双凸极电机作为一种新型的电机，具有优良的电气性能，正得到越来越多的关注，对它的研究有着非常重要的意义。
本文利用MATLAB和Ansoft对电励磁双凸极电机的各种特性进行了仿真研究。
主要研究内容如下：第二章主要介绍电励磁双凸极电机的结构，数学模型和发电工作原理第三章简要阐述了有关电磁场的基本理论和有限元分析的依据第四章详细介绍利用Ansoft对电机建模的过程第五章利用建立的模型仿真出电机的静态特性第二章 电励磁双凸极电机双凸极电机是一种新型的电机，其结构简单、控制灵活、动态响应快、功率密度高使之成为继开关磁阻电机之后又以全新的研究方向。
电励磁双凸极电机是在双凸极永磁电机基础上发展起来的一种新型无刷电机，发电运行时不需要知道转子位置信号。
2.1 电励磁双凸极电机的结构图2-1 电励磁双凸极电机截面图电励磁式双凸极电机的基本结构与开关磁阻电机类似，其定、转子均为凸极齿槽结构，定子和转子铁芯均由硅钢片迭压而成，但定子上除装有集中电枢绕组相外，还有励磁绕组，转子上无绕组，空间相对的定子齿上的绕组串联构成一相。
按相数和极对数来分，电励磁式双凸极电机有单相4/6极、8/12极或三相6/4极、12/8极或四相8/6极、16/12极等。
图2－1是12/8极电励磁双凸极电机截面图。
转子极弧等于定子极弧，均为定子齿距的1/2，定转子极弧取12机械角，从而使合成气隙磁导为一常数，这样不仅保证电机励磁绕组所匝链的磁链将不随转子位置角θ而改变，励磁绕组不会产生感应电势，而且电机静止加励磁时无定位力矩，另外任一相定子绕组所交链的互感磁链仅与该相磁导成正比。
转子极弧稍大于定子极弧，对于电励磁双凸极电机来说使其相绕组自感和相绕组与励磁绕组的互感是转角的一个分段线性曲线，电机励磁绕组的自感视为常数，如图2－2所示。
123minp L p L pf L pf L )(θL 4fL 图2－2 双凸极电机电感的分段线性曲线2.2电励磁双凸极发电机的数学模型双凸极发电机的数学模型包括磁链方程、电压方程等。
这些数学模型描述了双凸极发电机的主要物理量之间的关系，是双凸极发电机理论研究的基础。
(1) 磁链方程为：][][][I L ⋅=ψ(2-1) 式中各参量分别为：⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=f c b a ψψψψψ][，⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=f fc fb fa cf c bfb af a L L L L L L L L L L L 000000][，⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=f c b ai i i i I ][(2) 电压方程为：dt L d I dt I d L I R U ][][][][][][][⋅+⋅+⋅=(2-2) 其中⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=f c b a U U U U U ][，[]⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=f c ba R R R R R2.3发电运行工作原理电励磁双凸极电机转子上无绕组，无电刷和换向器，而且发电工作时也不需要位置传感器和功率变换器，其结构简单，可靠性高，寿命长，维修方便，制造工艺也很简单，电机寿命仅由轴承寿命来决定。