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永磁辅助同步牵引电机设计与交叉耦合研究
| 论文题名： | 永磁辅助同步牵引电机设计与交叉耦合研究 |
| 关键词： | 电力机车;同步磁阻电机;永磁辅助;结构设计;交叉耦合电感 |
| 摘要： | 在节能减排的时代主题下，永磁牵引系统高效率、低损耗的优势使之逐步成为下一代轨道交通的发展方向，但高速惰行反电动势大、带速重投难的问题阻碍了永磁牵引系统的推广应用。永磁辅助同步磁阻电机兼具永磁同步电机和同步磁阻电机的特点，能够充分利用电机的磁阻转矩，具有永磁体用量少、反电动势低等诸多优点，是解决上述问题的最佳选择。但转矩脉动大、电机性能对电感参数变化敏感限制了其在牵引系统中的进一步应用。本文以抑制电机转矩脉动、探究电感参数变化及交叉耦合电感对电机控制算法的影响为目标展开了深入的研究。 首先，对比永磁同步电机和同步磁阻电机，阐述了永磁辅助同步磁阻电机的结构特点以及电机性能优势。根据实际牵引系统需求，设计完成了一台大功率低反电动势的永磁辅助同步牵引电机，有效解决了永磁电机应用于牵引系统时存在的高速惰行反电动势大、带速重投难的问题。针对电机转矩脉动大的缺点，提出了一种不均匀气隙非等宽磁桥的新型转子结构及设计方法，有效抑制了电机转矩脉动，提高了电机运行的平稳性。利用有限元分析软件对电机设计方案及新型转子结构设计方法进行了验证，证明了方案方法的有效性。 其次，分析了大功率永磁辅助同步磁阻电机不同负载下交、直轴电感及交叉耦合电感的变化特点。针对电机性能易受电感参数变化影响的问题，提出了一种基于等效电感的变参数最大转矩电流比（Maximum Torque Per Ampere，MTPA）控制算法，同恒定电感参数MTPA控制算法相比，所提出的考虑电感参数变化和交叉耦合电感的变参数MTPA控制算法在达到相同转矩下电流控制策略更优，有效降低了电机损耗，通过Simulink仿真和实验验证了控制算法的有效性。 针对电机运行在大转矩、磁路饱和工况时，基于恒定电感参数的扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter，EKF）磁链辨识方法不准确、误差大的问题，提出了一种变参数EKF磁链辨识算法，充分考虑了电感参数变化和交叉耦合电感的影响，有效消除了磁链辨识误差，极大提高了磁链辨识精度，通过仿真实验验证了算法的有效性。 最后，根据本文提出的设计方案试制了一台250kW的永磁辅助同步牵引电机，分别对电机进行了空载损耗实验以及负载特性实验。实验结果表明，所设计的电机能够满足实际运行需求，验证了设计方案的可行性以及控制算法的有效性。 |
| 作者： | 王艳超 |
| 专业： | 电气工程 |
| 导师： | 孙建忠 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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