基于变磁阻磁场调节机理的永磁同步电机研究

摘要

永磁同步电机具有体积小、重量轻、效率高、功率因数高、控制特性好等优点，近年来在各个领域获得了广泛的应用。但由于永磁同步电机通常采用稀土永磁体励磁，磁场调节困难，恒功率运行范围小，限制了其应用。传统永磁同步电机通常采用增大直轴去磁电流、利用电枢反应的去磁作用实现弱磁，但这种方法会使绕组铜耗增加，导致驱动系统效率降低，并可能引起永磁体的不可逆退磁。因此，深入进行具有宽广恒功率运行速度范围的永磁同步电机本体结构与弱磁控制方法研究，是目前电机及其控制领域的重要课题。
　　本文首先提出了基于变磁阻磁场调节机理的永磁同步电机（VMRPMSM）方案，阐述了该新型永磁同步电机的结构，建立其空载等效磁路模型，计算了磁路中各部分的磁阻，探讨了非磁性体的磁阻以及研究磁阻跟随非磁性体形状参数变化的规律；然后，根据磁路计算的气隙磁通和绘制电机弱磁过程的相量图，分析了基于变磁阻磁场调节机理的永磁同步电机的弱磁机理。
　　永磁体在槽中的位置决定了永磁体产生磁通所经过路径的磁阻，进而决定了气隙磁密的大小，而永磁体的位置是由所受合力确定的。本文依次分析了作用在永磁体上的离心力和摩擦力；构建了永磁体受力分析模型，分析了永磁体位于槽中不同位置的受力；应用有限元方法从永磁体位于槽中位置、非磁性体的形状、电机饱和、永磁体厚度和材料性能以及气隙长度五个方面重点研究了磁场力的变化规律，探讨了非磁性体形状对磁场力的影响。
　　在电机转速变化的过程中，永磁体的受力状态是不同的。本文在分析了永磁体向上运动（电机升速过程）和永磁体向下运动（电机降速过程）过程中运动的永磁体受力差异的基础上，探讨了永磁体在槽中的运动规律与气隙磁场调节特性。研究了空载气隙磁密和空载反电势跟随主副永磁体之间的距离 s的变化规律以及在电机升速和降速两个过程中的差异，并进行了样机的空载反电势测试；应用有限元方法仿真分析了弱磁效果，通过实验测试的方法研究了电机在弱磁过程中的性能。
　　与传统永磁同步电机不同，由于基于变磁阻磁场调节机理的永磁同步电机转子中永磁体在槽中分段并有运动的特性，因此通过分析电机的漏磁系数与电感系数的变化规律，可为 VMRPMSM的设计提供理论依据。本文分析了漏磁系数的影响因素，并从气隙长度、隔磁桥长度、永磁体尺寸及材料性能、永磁体运动和非磁性体形状五个方面研究了极间漏磁系数的变化规律。从电感公式推导和不同激励下的磁力线分布出发，研究了影响基于变磁阻磁场调节机理的永磁同步电机的直交轴电感的主要因素，并应用有限元方法分别从永磁体厚度、隔磁桥尺寸、电机饱和状态、非磁性体形状以及永磁体运动五个方面研究了电机的直交轴电感参数的变化规律。在电机参数分析的基础上研究了电机参数变化对弱磁性能的影响。
　　理论分析和实验研究表明，本文提出的基于变磁阻磁场调节机理的永磁同步电机方案，具有弱磁方法简单、转速调节容易以及系统效率高等特点，为永磁同步电机驱动系统调速性能的提高提供了一种新的行之有效的方案。

目录

基于变磁阻磁场调节机理的永磁同步电机研究

RESEARCH ON PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR BASED ON VARIABLE MAGNETIC RELUCTANCE FIELD ADJUSTMENT

摘 要

Abstract

目 录摘

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 永磁同步电机的弱磁原理分析

1.2.1 几种典型结构永磁同步电机的转子特点

1.2.2 弱磁概念的提出

1.2.3 永磁同步电机弱磁控制的方法

1.2.4 制约永磁同步电机弱磁调速范围的主要因素

1.3 永磁同步电机弱磁技术的国内外研究现状

1.3.1 适于磁场调节的永磁同步电机的研究现状

1.3.2 从控制角度新弱磁控制方法研究现状

1.4 本课题研究的主要内容

第2章 VMRPMSM结构及弱磁机理

2.1 VMRPMSM结构

2.2 VMRPMSM的d-q轴数学模型

2.3 VMRPMSM磁路模型

2.3.1 永磁体等效模型

2.3.2 外磁路等效模型

2.3.3 VMRPMSM空载等效磁路图

2.4 VMRPMSM的弱磁机理分析

2.4.1 基于磁路法的弱磁机理分析

2.4.2 基于相量图的弱磁机理分析

2.5 本章小结

第3章 VMRPMSM转子永磁体受力分析

3.1 作用于永磁体上的外力分析

3.2 作用于永磁体的离心力与摩擦力分析

3.2.1 离心力分析

3.2.2 摩擦力分析

3.3 永磁体磁场力分析

3.3.1 磁场力定性分析

3.3.2 磁场力定量计算

3.4 永磁体发生故障时磁场力分析

3.5 本章小结

第4章 VMRPMSM的气隙磁场调节特性

4.1 永磁体运动特点

4.2 空载气隙磁通密度分析

4.2.1 空载气隙磁通密度跟随主副永磁体之间的距离s的变化规律

4.2.2 电机升速和降速过程中空载气隙磁通密度的差异

4.3 空载反电势分析

4.3.1 反电势系数与速度的关系

4.3.2 永磁体向上运动过程中反电势与速度的关系

4.3.3 永磁体向下运动过程中反电势与速度的关系

4.3.4 空载反电势仿真分析

4.3.5 空载反电势实验测试

4.4 VMRPMSM的弱磁效果与性能研究

4.4.1 弱磁过程中电机磁场的仿真分析

4.4.2 弱磁过程中电机的性能测试

4.5 本章小结

第5章 VMRPMSM参数及其对弱磁调速范围的影响分析

5.1 漏磁系数分析

5.1.1 电磁参数计算模型

5.1.2 漏磁系数的计算方法与影响因素分析

5.1.3 极间漏磁系数计算

5.2 电感参数分析

5.2.1 影响直交轴电感因素

5.2.2 直交轴电感计算

5.3 电机参数变化对弱磁能力的影响

5.3.1 定子匝数对永磁同步电机最高转速的影响

5.3.2 永磁体厚度对弱磁扩速范围的影响

5.3.3 非磁性体形状对弱磁扩速范围的影响

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历