定子分块永磁型混合励磁开关磁阻电机及其调磁控制研究

The hybrid-excitation switched reluctance machine (HESRM) has the advantages of high torque and high power density and when compared to the conventional SRM, which has significant value of research and application in electric vehicles and other areas. This project takes a new segmented-stator permanent magnet HESRM (SS-HESRM) as the research object to study the key technologies of this machine, providing a new solution for the new SRM performance improvement and innovation of structure and mechanism. The main contents are summarized as follows. First, the electromagnetic characteristics and mathematical model of the machine are investigated. The influence of coupling between the permanent magnet and electric excitation in the hybrid excitation is investigated, and the decoupled calculation method and proportional relation of the reluctance torque and permanent magnetic torque is studied. The reasonable matching principle and optimal design method of permanent magnet and electric excitation is put forward. Second, the Boost power converter is explored, which is suitable for the performance advantage of SS-HESRM. The direct torque control strategy based on the new power converter is studied. Third, in order to enhance the output performance of this motor, a new flux-weakening control strategy which combines the vector control model of SS-HESRM with a new continuous current mode is proposed to extend motor speed range and improve the torque and power output capacity in high speed range. Finally, the experimental prototype is developed to validate the theoretical analysis and control algorithm. In summary, this work can further play the advantages of SRM, and can enhance the international competitiveness of our country in the new SRM field.

混合励磁型SRM相比普通SRM具有转矩更大、功率密度更高等优点，在电动汽车等领域具有显著的研究和应用价值。项目以定子分块永磁型混合励磁SRM（SS-HESRM）为对象对其关键技术研究，为新型SRM的性能提升和结构与机理创新提供一种新途径。具体内容包括研究该类电机的电磁特性和数学模型，分析永磁体和电励磁在混合励磁中的相互耦合规律、磁阻转矩和永磁转矩的解耦计算方法及比例关系，提出两者的合理匹配原则及优化设计方法；探索适合于发挥SS-HESRM性能优势的Boost功率变换器，基于新型功率电路研究电机的直接瞬时转矩控制策略；建立SS-HESRM新型矢量控制模型并结合新的电流连续工作模式，研究电机的调磁控制策略，扩展电机调速范围、提高高速区转矩和功率输出能力，提升电机性能。研制实验样机，验证理论分析和控制算法的正确性。本项目对于进一步发挥SRM优势，增强我国在新型SRM领域的国际竞争力具有重要意义。

混合励磁型SRM相比普通SRM具有转矩更大、功率密度更高等优点，项目以定子分块永磁型混合励磁SRM（SS-HESRM）为对象对其关键技术进行了研究。主要内容包括：提出了三种不同拓扑结构的SS-HESRM（12/10、12/8和12/4极），建立了电机的等效磁路模型，通过参数化有限元分析了重要结构参数对电机静/动态电磁特性影响的规律；对三种电机的性能进行了仿真，并与分块定子SRM和普通SRM进行了对比分析，验证了所提出的电机具有更大的输出转矩和功率/转矩密度。设计了一种新型Boost功率变换器，在不对称半桥电路的基础上增加了一个模块化的升压电路，能够提供额外的瞬时电压，以提高电机的转矩输出能力和动态响应能力；结合新型Boost功率电路，研究了电机的四电平直接瞬时转矩控制算法和相关控制规则及开关表。为了抑制SRM的转矩脉动，提出了一种混合型的矢量调磁控制策略，以SRM静态转矩的准正弦曲线为基础，通过单/双极性变换，将SRM定子电流分解为转矩（q轴）和励磁（d轴）电流分量，在基速以下电机转矩由q轴电流分量独立控制；在中高速，将定子电流幅值控制在电流极限圆内，采用矢量控制与电流连续导通相结合的混合控制，抬高给定电流最低值，改变电流上升和下降的斜率以及电流平缓度，提高电流跟踪精度，有效抑制中高速的转矩脉动；通过将电流连续导通控制与弱磁控制相结合，进一步提高了高速区SRM的功率输出能力，扩展了高速区恒功率运行范围。还研究了SRM的位置检测方法，提出了一种只需一相电流传感器、无需电压传感器，基于虚拟磁链和参考磁链的实时比较的换相方法，估计的角度位置均能很好地跟踪实际位置，实现电机的无位置传感器运行。研制了多台SS-HESRM样机，搭建了样机控制系统实验平台，对电机的静态电磁特性参数、动态性能、直接瞬时转矩控制策略、无位置传感器控制、混合型矢量调磁控制策略等进行了测试和实验，验证了电机设计分析理论的正确性和相关控制策略的有效性。本项目的研究对于进一步发挥SRM的优势，以及为新型SRM的性能提升和结构与机理创新提供了一种新途径。结合本项目的研究，共培养研究生6名，博士1名，发表论文16篇，其中SCI收录论文6篇，申请发明专利2项。