磁懸浮飛輪儲能電機及其驅(qū)動系統(tǒng)控制研究.pdf

1、飛輪儲能系統(tǒng)是一種新型的機電能量轉(zhuǎn)換與存儲裝置，具有使用壽命長、轉(zhuǎn)換效率高、適應(yīng)性強以及無污染等優(yōu)點，在航空航天、分布式發(fā)電、電力調(diào)峰以及電動汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。飛輪儲能技術(shù)是一種多學(xué)科交叉的高科技新技術(shù)，涉及磁懸浮、高速電機、真空處理、電力電子以及復(fù)合材料等技術(shù)，被認為是未來最有應(yīng)用價值的能量存儲方式之一，其研究內(nèi)容非常豐富。本文的研究課題來源于深圳市重點科技研究項目——分布式自主能源系統(tǒng)前期研究，主要包括磁懸浮軸承、飛輪儲

2、能用電動機/發(fā)電機(本文定義為飛輪儲能電機)以及飛輪儲能電機驅(qū)動系統(tǒng)控制三個方面的研究內(nèi)容。
　　磁懸浮軸承能夠解決傳統(tǒng)軸承磨損、潤滑等方面的問題，是飛輪儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。本課題采用由軸向永磁磁懸浮軸承與徑向無源電動磁懸浮軸承組成的全被動磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)，永磁磁懸浮軸承用于支撐飛輪質(zhì)量，無源電動磁懸浮軸承用于保持飛輪徑向穩(wěn)定。無源電動磁懸浮軸承在直線運動應(yīng)用場合的研究獲得了很多可喜成果，但在旋轉(zhuǎn)運動尚處于起步階段，是飛輪儲能領(lǐng)域的

3、研究難點。本文提出新型的徑向無源電動磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)：定子采用相斥磁場結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子采用單層或雙層8字形線圈結(jié)構(gòu)。然后利用解析法和有限元仿真分析法對相斥磁場特性、8字形線圈受力、轉(zhuǎn)子受力、以及軸承損耗等進行研究。為驗證徑向軸承的理論分析和仿真研究的正確性，設(shè)計一個徑向軸承樣機及測試平臺進行實驗研究，使轉(zhuǎn)子高速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)、可以方便觀察軸承定子的運動狀態(tài)、并測得定子的偏移量和受力關(guān)系。
　　飛輪儲能電機實現(xiàn)電能與機械能的相互轉(zhuǎn)換，是飛輪儲能系

4、統(tǒng)的關(guān)鍵部件。為提高能量的轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)的集成度等性能，提出選用無鐵心永磁方波無刷飛輪電機作為能量轉(zhuǎn)換的電動機/發(fā)電機。該種電機無定子鐵損和轉(zhuǎn)子銅損，使電機空載運行時主要損耗為繞組的渦流損耗、負載運行時主要損耗為繞組渦流損耗與轉(zhuǎn)子渦流損耗。為減小繞組渦流損耗，建立其理論估算模型，并對一臺樣機進行繞組渦流損耗估算，再利用自由停機的實驗方法驗證估算模型的有效性。分析確定轉(zhuǎn)子渦流損耗的來源為電樞反應(yīng)，并提出內(nèi)、外等效電流層求解電樞反應(yīng)場的方法

5、；為減小轉(zhuǎn)子損耗，保證電機負載時高效運行，詳細分析了空間諧波和時間諧波產(chǎn)生損耗的原理，并提出改變風(fēng)損的實驗方法對轉(zhuǎn)子損耗進行分離，實驗結(jié)果與有限元仿真計算結(jié)果進行比較，驗證實驗方法的有效性，同時驗證有限元計算結(jié)果的可靠性。
　　無鐵心永磁方波無刷飛輪電機具有小電感的特點，會造成升速過程中穩(wěn)態(tài)電流波動大的問題，而且采用方波控制時，存在換相電流波動，增加了充電過程的控制難度；為減小充電時電機穩(wěn)態(tài)電流波動大的問題，提出方波倍頻 PWM控

6、制與母線電壓調(diào)節(jié)控制相結(jié)合的方法，并利用Matlab系統(tǒng)仿真和實驗研究驗證控制方法的可行性。為減小電機的換相電流波動，提出利用新型三相逆變器和母線電流檢測方法，獲得全范圍內(nèi)完整的電流信息，實現(xiàn)高質(zhì)量的電流反饋控制。系統(tǒng)放電時，隨著轉(zhuǎn)速的降低輸出電勢越低，造成驅(qū)動系統(tǒng)放電控制的難度增大。為保證系統(tǒng)放電的安全性，利用Boost電路先升壓再逆變輸出的方法，并用Matlab仿真驗證該方法的有效性。
　　最后，設(shè)計實現(xiàn)一個基于TMS320F