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磁悬浮开关磁阻发电机(BSRG)是一种集磁轴承技术与开关磁阻发电机于一体的新型发电机,既具有开关磁阻发电机脉冲直流发电、效率高、控制方便、环境适应能力强的优点,还兼有磁轴承无摩擦损耗、寿命长的特点,使其在风力发电、电动汽车、飞轮储能、航天航空等领域具有广阔的应用前景。
针对传统结构磁悬浮开关磁阻电机作发电机运行时,悬浮绕组与发电绕组间强耦合问题,本文设计了一种新型的混合定子短磁路磁悬浮开关磁阻发电机。在国家自然科学基金(60774044,61074019)资助下,对其工作原理、磁场特性、数学模型以及控制算法开展了相关研究。
首先阐述了传统结构BSRG和8/10结构的BSRG的运行原理,研究了混合定子短磁路磁悬浮开关磁阻发电机的基本结构和运行原理,采用AnsoftMaxwell2D建立了其有限元模型,对该发电机内部磁场特性进行分析,仿真结果表明,与8/10磁悬浮开关磁阻发电机相比,该混合定子短磁路BSRG进一步消弱了悬浮绕组与发电绕组间耦合性,实现了悬浮力与发电电压的独立控制。
其次,针对发电运行时磁饱和现象,利用有限元分析结果建立了磁链分段线性化数学模型,并对基于等效磁路法建立的悬浮力和发电系统端电压数学模型进行修正,通过FEM仿真验证了所建模型具有较高的精度。
再次,针对BSRG悬浮绕组间非线性耦合的问题,提出了逆系统解耦线性化方法。介绍了逆系统解耦线性化理论,对悬浮力数学模型进行了可逆性分析,求取了悬浮力逆模型,并将其与原悬浮力模型串接建立了悬浮力伪线性复合系统。在此基础上,针对传统PID固定参数的不足,设计了模糊PID参数自整定控制器,构成了悬浮力闭环控制系统,同时研究了发电系统的控制算法并进行了仿真实验,结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。
最后,以TMS320F28335DSP为核心设计了混合定子短磁路开关磁阻发电机的硬件控制方案,为进一步工作奠定了基础。