非接觸式勵磁異態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和諧振補償策略的研究.pdf

1、目前混合動力汽車憑借其動力總成配備優(yōu)良、能量利用率高和低污染的特點，成為新能源汽車中的佼佼者。其驅(qū)動電機內(nèi)的滑環(huán)和電刷結(jié)構(gòu)會在車輛正常運行時帶來潛在的交通隱患。當(dāng)行車中需要輸入勵磁功率或勵磁電流變大時，電刷和滑環(huán)相接觸的部分會帶來電阻值的急劇上升，使其溫升迅速提高，帶來結(jié)構(gòu)上的不穩(wěn)定。有時會伴隨著電機內(nèi)部環(huán)火現(xiàn)象的發(fā)生;滑環(huán)和電刷在行車中會給車載電子控制單元帶來很大的電磁干擾，嚴重時會使控制部分失靈;由于電刷本身材質(zhì)的劣勢，其會在電機運

2、行時帶來細微碳粉的擴散現(xiàn)象，嚴重時會發(fā)生短路，造成更為嚴重的后果。
　　為解決上述幾大問題，本文在結(jié)合感應(yīng)耦合電能傳輸(Inductively CoupledPower Transfer，ICPT)技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用其在無電氣接觸時可以進行能量傳輸?shù)膬?yōu)勢，將其應(yīng)用于電機無刷勵磁，最大限度的避免電刷和滑環(huán)對電機運行帶來的不良影響。本文以感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)為依托，松耦合旋轉(zhuǎn)勵磁變壓器(Loosely Coupled Rotating

3、 Excitation Transformer，LCRET)為核心，設(shè)計一種新型無刷勵磁系統(tǒng)，即非接觸式勵磁異態(tài)系統(tǒng)(Contactless ExcitationHeterogeneous System，CEHS)，該系統(tǒng)所設(shè)計的電機本身取消電刷和滑環(huán)等裝置，在真正意義上實現(xiàn)無刷勵磁，同時其還具有減輕電機重量、提高可靠性、降低成本、帶來更為簡單的電機結(jié)構(gòu)以及更寬的調(diào)速范圍的優(yōu)勢。
　　本文著重對電機無刷勵磁、感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)兩

4、部分的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、應(yīng)用領(lǐng)域和最新發(fā)展進行詳細介紹。給出非接觸式勵磁異態(tài)系統(tǒng)無刷勵磁的整體結(jié)構(gòu)，依據(jù)其運行機理設(shè)計出機電一體化安裝方案;建立松耦合旋轉(zhuǎn)勵磁變壓器毗連型和嵌入式兩種繞制拓撲物理模型、磁阻模型和等效電路模型。針對松耦合旋轉(zhuǎn)勵磁變壓器進行優(yōu)化設(shè)計，給出全耦合理想狀態(tài)和帶有勵磁電感的模型;闡述磁化電感和漏電感計算過程，對含有漏感的磁路進行詳細的分析，給出松耦合旋轉(zhuǎn)勵磁變壓器的漏感模型和互感模型;給出毗連型繞制方式的優(yōu)化設(shè)計;給

5、出更為合理明確的耦合系數(shù)的定義和有損模型;采用利茲線作為繞線給出毗連型和嵌入式實際繞制方案。通過ANSOFT MAXWELL仿真平臺對非接觸式勵磁異態(tài)系統(tǒng)和無線電能傳輸之間的等效性進行驗證;在此基礎(chǔ)上給出非接觸式勵磁異態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)繞制拓撲。針對漏感帶來的效率問題，通過MATLAB仿真平臺，采用基波分析法(First Harmonic Approximation，F(xiàn)HA)，對非接觸式勵磁的異態(tài)系統(tǒng)的不同諧振補償策略進行詳細的性能分析。對比

6、各種諧振補償?shù)脑鲆婧托阅埽o出最為適合的非接觸式勵磁異態(tài)系統(tǒng)的諧振補償策略。針對非接觸式勵磁異態(tài)系統(tǒng)松耦合復(fù)雜的諧振控制問題，采用廣義狀態(tài)空間平均法(Generalized State Space Averaging，GSSA)進行建模，簡化由于松耦合旋轉(zhuǎn)勵磁變壓器帶來的電路模型復(fù)雜程度，并對其合理性進行驗證。在此基礎(chǔ)上采用自抗擾技術(shù)(Active Disturbance Rejection Control，ADRC)控制算法對非接觸式

7、勵磁異態(tài)系統(tǒng)諧振補償進行控制，仿真結(jié)果驗證ADRC在諧振控制上的可行性。針對非接觸式勵磁異態(tài)系統(tǒng)機電一體化，全面設(shè)計非接觸式勵磁異態(tài)系統(tǒng)的半橋逆變部分、全波整流部分、諧振補償部分。搭建非接觸式勵磁異態(tài)系統(tǒng)的試驗樣機，主要對兩部分的試驗進行測試驗證:對不同拓撲下松耦合旋轉(zhuǎn)勵磁變壓器的輸出特性，在實驗的角度證明所設(shè)計最優(yōu)繞制拓撲的準確性。最后給出發(fā)電特性、效率曲線、溫升曲線等實驗結(jié)果和相應(yīng)的結(jié)果分析，驗證所設(shè)計的非接觸式勵磁異態(tài)系統(tǒng)的可行性