港口起重机永磁同步电机驱动系统中磁场特性研究

摘要

为了建设节能型社会和实现可持续发展，高效的能源利用策略和完善的能源结构成为重中之重。为实现能源转型，现代工业对电机及其驱动系统的要求也是越来越高。港口大型起重机工作要求低转速且大转矩，主要采用传统的电励磁电机配置多级减速器组成的驱动系统，该驱动系统因结构复杂、制造成本高及传动效率低等缺点，已经不能满足中国工业和能源形势发展的需求。随着稀土永磁材料的不断发展，永磁电机的应用与对其的相关研究都不断增多。本文主要针对永磁电机在港口大型起重机驱动系统中的应用进行研究。 本文通过建立港口起重机用永磁同步电动机二维电磁场仿真模型，对低速大转矩工况下永磁同步电机的磁场分布状况、电磁转矩随磁饱和程度的变化规律、相关参数随磁饱和程度的变化规律、磁饱和对控制系统性能的影响等基础问题展开研究，建立了考虑磁链和电感变化的永磁同步电机数学模型和仿真模型，揭示了重载时电磁转矩的“钝化”产生机理。 首先，根据港口大型起重机运行环境，运用永磁同步电机设计理论，选用适合起重机这种低转速大转矩运行特性的永磁同步电机；利用Ansoft/Maxwell中RMxprt模块建立出电机有限元模型，在空载和额定负载下对有限元法和磁路法的磁场进行对比分析来验证电机模型的正确性，并观察电机各部分磁场变化，分析出磁场饱和程度最明显的结构；通过施加不同负载电流，观察在不同磁饱和程度下电机的磁场分布，分析其主要部位的磁通变化特点，并计算电机在不同负载电流下的电磁转矩、电感参数以及磁链数据。 接着，利用上述二维电磁场仿真得出的转矩、电感和磁链数据，再结合MATLAB软件进行数据计算与分析，研究不同负载电流下电磁转矩、电感和磁链的变化规律，并对电磁转矩“钝化”机理进行分析，探究电磁转矩与相关变化参数的关系。 最后，建立电感、磁链和转矩随磁饱和程度变化的数学模型，搭建考虑磁饱和的港口起重机用永磁同步电动机的矢量控制仿真模型，并在MATLAB/Simulink环境下进行动态性能测试。结合上述分析出的磁饱和特性，给电机模型施加不同负载和转速来对比忽略磁饱和时和考虑磁饱和两种情况下的控制系统响应曲线，分析磁饱和对控制系统的影响情况。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究课题来源

1.2研究背景概述

1.3永磁电机的发展及国内外研究现状

1.3.1永磁电机的发展概况

1.3.2永磁电机的国内外研究现状

1.4论文的研究目标和研究内容

1.4.1研究目标

1.4.2研究内容

第2章 永磁同步电机的结构原理和磁路分析

2.1永磁同步电动机的结构

2.1.1永磁同步电动机的整体结构

2.1.2永磁同步电动机转子磁路结构

2.2永磁同步电机的磁路计算法

2.2.1永磁体等效成的磁通源或磁动势源

2.2.2外磁路的等效磁路

2.2.3永磁电机的等效磁路

2.3起重机用永磁同步电动机主要结构参数的分析

2.3.1定子结构参数的分析

2.3.2转子磁路结构分析

2.3.3永磁材料选型分析

2.3.4定子冲片选型分析

2.4本章小结

第3章 基于有限元分析法的永磁电机电磁场仿真

3.1起重机用永磁同步电动机电磁场有限元法的基本原理

3.2起重机用永磁同步电动机有限元模型的建立

3.2.1有限元分析软件Ansoft Maxwell基本介绍

3.2.2起重机用永磁同步电动机模型的搭建

3.3起重机用永磁同步电动机的磁场分析

3.3.1空载磁场分析

3.3.2额定工况下的磁场分析

3.3.3不同负载下电机磁场分析

3.4起重机用永磁同步电动机的电磁转矩及电感分析

3.4.1直交轴电感的计算原理

3.4.2电磁转矩的计算原理

3.4.3有限元仿真结果分析

3.5电磁转矩曲线“钝化”产生机理分析

3.6本章小结

第4章 电感对永磁电机控制系统的影响

4.1起重机用永磁同步电动机的数学模型

4.2起重机用永磁同步电动机的矢量控制

4.2.1坐标变化

4.2.2起重机用永磁同步电动机i?=0的矢量控制框图

4.3 忽略磁饱和的起重机用永磁同步电动机控制系统模型的搭建

4.3.1电机模块的建立

4.3.2坐标变换模块

4.3.3起重机用永磁同步电动机控制系统模型

4.4不同电感参数下电机控制系统的动态性能分析

4.4.1Lq=1.75H的控制系统动态性能测试

4.4.2Lq=1.2H的控制系统动态性能测试

4.4.3仿真结果分析

4.5本章小结

第5章 磁饱和对起重机用永磁电机控制系统的影响

5.1考虑磁饱和的起重机用永磁同步电动机的数学模型

5.2考虑磁饱和的永磁电机模型的搭建

5.2.1基于电压方程的模型搭建

5.2.2基于磁链方程的模型搭建

5.2.3基于机械运动方程的模型搭建

5.3考虑直交轴电感变化的电机模型的搭建

5.3.1最小二乘法多项式曲线拟合的基本原理

5.3.2基于最小二乘法直交轴电感拟合曲线的计算

5.3.3考虑直交轴电感仿真模型的建立

5.4考虑永磁体磁链变化的电机模型的搭建

5.4.1基于最小二乘法永磁体磁链拟合曲线的计算

5.4.2考虑永磁体磁链仿真模型的建立

5.5仿真实验及分析

5.5.1基于考虑磁饱和电机模型的控制系统动态性能测试

5.5.2磁饱和对控制系统影响分析

5.6本章小结

第6章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得的科研成果

附录A——电磁仿真所得电感矩阵、三相磁链和电磁转矩数据

附录B——MATLAB处理后直交轴电感和直交轴磁链数据以及补充齿部磁通仿真数据