永磁同步电机轴电压和轴电流研究

摘要

永磁同步电机具有效率高、结构简单、功率因数高、调速范围宽等优点。目前在变频调速系统中得到广泛的应用且具有良好的发展前景。但是随着永磁同步电机单机容量的增大,由轴电压和轴电流引起轴瓦损伤事故日趋严重。对于引发轴电压和轴电流的原因主要有以下几种:SPWM逆变器供电产生的共模电压;端部漏磁;磁通不对称;剩磁;静电效应。轴电压和轴电流对电机运行可靠性带来较大负面影响,因此对其进行研究具有重要的现实意义。本文主要针对SPWM逆变器供电的永磁同步电机中产生的轴电压和轴电流进行研究。
　　本文首先介绍了永磁同步电机的基本原理、优缺点、不同的转子结构,并对变频调速技术做了简要概述。其次对SPWM逆变器供电下的共模电压频谱及影响因素进行了推导和仿真分析。阐述了轴电压和轴电流的产生机理,定性分析了永磁同步电机内部的耦合电容。然后介绍了电机电磁场理论和电场分析方法,运用JMAG-designer软件建立了永磁同步电机模型和轴承模型,对电机内部的耦合电容和轴承电容进行计算,重点针对电机内部几何尺寸和端部绕组对耦合电容的影响进行研究。最后结合相应的共模模型和计算所得的共模参数,在Matlab/Simulink中对其进行仿真,观察油膜击穿前后轴电流的大小,并分析直流母线电压、死区效应和共模参数对轴电压的影响以及轴承油膜击穿的风险程度。
　　结果表明,共模电压谐波含量随死区时间增大略有减小,而幅值有所增大,导致轴电压击穿轴承油膜的风险上升;随着载波频率的增大,共模电压谐波含量减少,幅值增大,油膜击穿风险增加。另外,电机内部尺寸对耦合电容也有较大的影响,气隙宽度和槽口宽度对定、转子之间的耦合电容Crf影响很大;气隙宽度、齿顶高、绕组绝缘厚度和槽口宽度均对定子绕组和转子之间的耦合电容Csr有一定影响;槽口宽度和绕组绝缘厚度对定子绕组和定子之间的耦合电容Csf有一定影响。永磁同步电机轴承油膜击穿风险与共模电压、共模参数和回路有关。