新型混合励磁爪极电机及其弱磁调速研究

摘要

混合励磁爪极电机(Hybrid Excitation Claw Pole Machine，HECPM)是由励磁绕组和永磁体共同提供励磁磁势的爪极电机。爪极电机具有结构简单、易于制造、成本低等优点。电励磁有刷爪极电机能够通过改变励磁电流灵活地调节电机内磁场，但是其极间漏磁、励磁损耗高等问题较严重;传统的永磁同步电机(PermanentMagnet Synchronous Machine，PMSM)的励磁磁势无法调节，通常利用增加直轴电流的方式进行弱磁控制，虽然有助于拓宽转速范围但存在铜耗增加、永磁体退磁等问题;HECPM采用电励磁和永磁励磁相结合的方式，既能够方便地调节励磁又有较好的性能，具有很高的研究价值。
　　本文主要研究一种新型结构的混合励磁爪极电机，其爪极形状由常用的等腰梯形改进为直角梯形，以便于在制造时放置极间永磁体;并且转子电励磁绕组经过励磁支架直接焊接于电机的端盖上，舍弃了电刷-滑环结构，实现电机的无刷化。本文围绕该电机的结构特点、三维场分析、磁路计算、电感测量以及电动运行时励磁控制方法的选择等方面进行了如下的研究工作:
　　1.介绍了电机励磁方式的历史变化和发展趋势，从爪极电机和混合励磁电机弱磁控制两个方面对电机的研究现状进行了综述。
　　2.介绍HECPM的结构特点及工作原理，通过建立HECPM的三维有限元静态场和瞬态场分析模型，在分析其磁场分布特点的基础上，对电机内气隙磁场的调节原理以及电机的空载特性进行了分析与研究。
　　3.建立HECPM的等效磁网络模型，分别对电机各部分切分单元的磁阻进行了计算，将电机简化为一个磁网络，建立对应的结点磁位方程。利用Matlab对等效磁网络算法进行编程，得出HECPM的空载磁场结果。
　　4.推导了HECPM中各电感参数间的关系，并采用道尔顿法对样机进行了电感测试。对比参数测试结果与有限元仿真分析结果，验证了该测试方法适用于HECPM的参数测试。
　　5.在dq0坐标系下建立HECPM的数学模型，利用Matlab/simulink软件搭建HECPM的开环调速系统。对HECPM的调速特性进行分析，并与无励磁调节模块的HECPM调速系统进行对比。结果表明有励磁调节模块的HECPM调速系统在高速时能有较宽的恒功率运行范围。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 混合励磁的概念

1．1．1 混合励磁电机的提出

1．1．2 混合励磁电机的特点

1．2 混合励磁爪极电机的研究现状

1．2．1 爪极电机的研究现状

1．2．2 混合励磁电机的弱磁控制研究现状

1．3 混合励磁爪极电机的应用前景

1．4 本文研究对象及主要研究工作

第二章 新型混合励磁爪极电机的结构及工作特性

2．1 新型HECPM的结构和工作原理

2．1．1 新型HECPM的结构

2．1．2 新型HECPM的工作原理

2．2 新型HECPM的静磁场分析

2．3 新型HECPM瞬态场分析

2．4 本章小结

第三章 基于等效磁网络法的HECPM空载磁场分析

3．1 HECPM等效磁网络模型的建立

3．2 HECPM各部分磁阻计算

3．2．1 定子磁阻

3．2．2 爪极磁阻

3．2．3 主气隙磁阻

3．2．4 其他部分磁阻

3．2．5 磁动势源的等效

3．3 结点磁位方程的建立

3．4 HECPM空载磁场的等效磁网络分析

3．5 本章小结

第四章 电感的测试与计算

4．1 同步电机电感参数推导

4．1．1 定子相绕组的自感

4．1．2 定子相绕组间的互感

4．1．3 交、直轴电感的推导

4．2 道尔顿法测试电感

4．3 有限元法计算电感

4．4 本章小结

第五章 HECPM的Matlab仿真模型搭建及调速

5．1 HECPM的数学模型

5．1．1 HECPM在abc坐标系下的数学模型

5．1．2 HECPM在dq0坐标系下的数学模型

5．2 电机本体模型建立

5．3 调速系统仿真模型

5．3．1 转速开环恒压频比控制的HECPM调速系统

5．3．2 励磁电流控制子系统

5．4 仿真分析

5．5 本章小结

第六章 样机试验

6．1 空载发电试验

6．2 弱磁调速试验

6．3 本章小结

第七章 全文总结与展望

7．1 论文主要工作成果

7．2 存在的不足和需要进一步研究的工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文