谐波电流注入式多相永磁电机分析与优化

摘要

多相永磁电机同时具有多相电机和永磁电机的优点，其中，谐波电流注入式多相永磁电机可通过注入谐波电流提高转矩密度，在舰船推进、电动汽车、风力发电等对电机体积和重量要求较高的领域有良好的应用前景。为利用谐波电流，谐波电流注入式多相永磁电机可采用整数槽集中绕组，但其端部相互重叠，相间耦合较强，限制了电机的容错运行能力；采用分数槽集中绕组时，绕组端部无重叠、相间耦合较弱，具有较强的容错运行能力，但由于采用短距线圈，谐波绕组系数较低，不适合采用谐波电流注入方式进行控制。为此，本文提出一种新型的容错型谐波电流注入式多相永磁电机，并对其展开研究。
　　本文在分析和总结容错型谐波电流注入式多相永磁电机绕组需求的基础上，提出了一种采用整距线圈的多相分数槽集中绕组结构——多相分数槽集中整距绕组。该绕组各次谐波绕组系数均为1，且可实现双层结构相绕组间的机械和热隔离。与常规多相分数槽集中绕组永磁电机对比，多相分数槽集中整距绕组电机相间互感更小，正常和开路故障运行状态下的平均转矩更高。由于谐波电流注入量直接影响电机运行性能，在进一步分析多相分数槽集中整距绕组永磁电机之前，先对谐波电流注入量的确定方法进行了研究。建立了电磁转矩与谐波电流之间的关系，指出为使平均转矩最大化，谐波电流的幅值比应等于对应次数反电动势谐波的幅值比，且可采用解析法简化谐波电流注入量的确定。在此基础上，以多相分数槽集中整距绕组永磁电机为例，分析了谐波电流注入对电机转矩、磁动势、永磁体涡流损耗和径向力波等性能的影响，并指出电机设计和优化的重点。针对多相分数槽集中整距绕组磁动势谐波含量较多的问题，研究了采用相移法和磁障法抑制绕组磁动势次谐波的方法。在分析各磁动势谐波抑制方法特征的基础上，确定综合采用相移法和磁障法抑制绕组磁动势次谐波。为减少绕组相移电机中偏移齿的总宽度，提出了齿槽混合偏移结构电机，并优化相移角度，大幅抑制了次谐波中的齿谐波，得到绕组相移电机。再在该电机定子轭部铁心中开设磁障，抑制了最低次数谐波磁动势。最后利用有限元仿真验证了各方法的有效性。为提升多相分数槽集中整距绕组永磁电机的转矩性能，提出了一种准梯形永磁体转子结构，并与马鞍形永磁体结构进行了对比研究。为避免在采用二维磁场解析法优化永磁体形状时，处理永磁体和气隙之间复杂的边界条件，提出了等效永磁体的概念。利用等效永磁体优化马鞍形和准梯形永磁体形状时，以平均转矩最大化为目标，得到了不同永磁体边沿厚度对应的可变厚度幅值系数。在此基础上，以齿槽转矩最小化为目标，采用复数磁导率模型和细分永磁体法计算准梯形永磁体电机的齿槽转矩，确定了准梯形永磁体的边沿厚度，最终得到了优化的准梯形永磁体形状。有限元仿真和样机实验测试结果验证了准梯形永磁体结构对转矩性能的提升作用及其优化方法的可行性。研究了谐波电流注入控制的实现方法。分析了多维矢量控制系统中，逆变器死区、磁链高次谐波、电流采样误差、电感参数变化等因素对谐波电流控制的影响，指出了相应的解决措施。基于电机相变量数学模型，采用MATLAB/SIMULINK对控制系统进行了仿真，验证了电流控制策略的有效性。设计并制造了一台五相准梯形永磁体电机样机和五相逆变器，搭建了实验测试系统，并对样机齿槽转矩、反电动势、电感、注入不同谐波电流时的输出转矩等性能进行了测试，验证了理论分析结果。

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1绪论

1.1引言

1.2课题研究背景

1.3谐波电流注入式多相永磁电机概述

1.4谐波电流注入式多相永磁电机研究现状

1.5本文研究内容

2容错型谐波电流注入式多相永磁电机绕组分析与设计

2.1引言

2.2绕组需求分析

2.3多相分数槽集中整距绕组

2.4新型与常规多相永磁电机对比

2.5本章小结

3谐波电流注入量的确定及其影响分析

3.1引言

3.2谐波电流注入量的确定

3.3谐波电流幅值比的解析计算

3.4谐波电流的影响

3.5本章小结

4多相分数槽集中整距绕组磁动势次谐波的抑制

4.1引言

4.2磁动势谐波及其抑制方法

4.3磁动势次谐波抑制

4.4有限元验证

4.5本章小结

5多相分数槽集中整距绕组永磁电机转矩性能提升

5.1引言

5.2永磁体形状及其优化问题

5.3永磁体可变厚度优化

5.4永磁体边沿厚度优化

5.5准梯形永磁体电机的有限元分析

5.6实验验证

5.7本章小结

6谐波电流注入控制的实现

6.1引言

6.2电流控制策略

6.3仿真验证

6.4本章小结

7样机设计与实验研究

7.1引言

7.2样机设计

7.3样机实验系统

7.4样机实验与分析

7.5本章小结

8全文总结与展望

8.1全文总结

8.2展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间已发表或录用的论文

附录2 五相和七相分数槽集中绕组永磁电机绕组系数

附录3 五相分数槽集中绕组永磁电机LCM和GCD值

附录4 电机样机

附录5 样机测试台架