鼠笼式永磁交流电机的分析、优化与无传感器控制

摘要

常见的永磁交流电机包括电网供电的自起动永磁同步电机、逆变器供电的永磁同步电机（变频永磁无刷交流电机）与永磁无刷直流电机。本文主要研究鼠笼式永磁无刷直流电机和自起动永磁同步电机。
　　鼠笼式永磁无刷直流电机结合了永磁电机和异步电机的双重特点。从电机本体结构上看，这类电机转子上安装了鼠笼，因而该电机与传统自起动永磁同步电机结构类似，但是控制方式并不相同。该类电机具有良好的起动性能和较高的稳态运行效率及功率密度。由于与自起动永磁同步电机工作方式不同，鼠笼绕组对电机性能和控制策略的影响也不相同。因此研究该类电机的优化设计以及控制规律具有较高的学术价值，值得深入研究。
　　本文简单介绍了鼠笼式永磁无刷直流电机的工作原理，并介绍了高速电机的研究现状，总结了目前高速永磁电机研究方面取得的主要学术成果，针对鼠笼式高速永磁无刷直流电机研究具体展开了以下一些工作，取得了一些较有价值的成果:
　　首先，本文详细整理了现有文献关于自起动永磁同步电机的数学模型，并且推导了鼠笼式永磁无刷直流电机在定子坐标系下的数学模型;通过MATLAB软件，编写了鼠笼式永磁无刷直流电机的仿真模型。仿真模型从数学角度解释了电机参数对电机运行性能的影响。相比有限元软件，该仿真模型的分析时间大大缩短，为鼠笼式永磁无刷直流电机的优化设计提供了较大的便利。
　　其次，以一台中等功率高速永磁无刷直流电机为例，综合考虑电机加工成本、加工工艺、电磁性能、机械强度等因素，给出了优化设计方法与规律，完成了样机的电磁设计方案和实物样机加工，开展实验研究，验证了设计方案的可行性。设计规律可以推广应用于中等功率高速永磁无刷直流电机的优化设计。
　　再次，详细分析了鼠笼绕组对永磁电机退磁性能的影响，找出了永磁电机永磁体局部不可逆退磁扩散的规律，从数学模型层面解释了鼠笼绕组在提高永磁体抗退磁能力时发挥的作用。提出了四种有效提高永磁体抗退磁能力的优化措施，以一台自起动永磁同步电机为例，使用Ansoft有限元软件分析了四种优化措施对永磁体堵转退磁的影响，最后制作了样机，堵转退磁实验数据与有限元仿真数据吻合。
　　最后，研究了鼠笼绕组对永磁电机磁链观测器的影响，推导了在同步速坐标系下永磁电机磁链观测原理。由于在同步速坐标系下，电机内物理量的基频分量均为直流量，而谐波分量为交流量，由于鼠笼绕组的电流为谐波电流，因此，通过简单的一阶低通滤波器可以将鼠笼电流对定子电流、磁链的影响滤除。而转子的位置仅与转子磁链的基频分量有关，因此，使用同步旋转坐标系下的磁链观测原理可以计算得到准确的转子位置信息。通过对鼠笼式永磁无刷直流电机的有限元仿真结果进行数值计算，验证了该磁链观测原理的准确性，在此基础上，完成了硬件磁链观测器的制作，用于控制样机运行，实验效果良好。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景和意义

1．2 高速鼠笼式永磁无刷直流电机工作原理简介

1．2．1 高速电机基本分类

1．2．2 鼠笼式永磁无刷直流电机的基本原理

1．3 高速电机研究概况

1．4 高速永磁交流电机研究概况

1．4．1 定转子冲片结构研究概况

1．4．2 转子保护套研究概况

1．4．3 定子损耗研究概况

1．4．4 退磁问题研究概况

1．4．5 高速永磁电机控制方法研究概况

1．5 课题主要的研究内容和论文的结构

第二章 鼠笼式永磁无刷直流电机的结构特点和工作原理

2．1 鼠笼式永磁电机的结构特点及其分类

2．2 鼠笼式永磁无刷直流电机的数学模型

2．2．1 永磁电机基本数学模型

2．2．2 自起动永磁同步电机数学模型

2．2．3 鼠笼式永磁无刷直流电机数学模型

2．3 自起动永磁同步电机MATLAB仿真

2．4 鼠笼式永磁无刷直流电机仿真

2．5 鼠笼参数对永磁无刷直流电机性能的影响

2．6 鼠笼优化一般规律

2．7 鼠笼式永磁无刷直流电机的开环起动仿真研究

2．7．1 固定频率方波电压供电

2．7．2 固定幅值频率比(V／f)方波电压供电

2．8 本章总结

第三章 中等功率高速鼠笼式永磁无刷直流电机的优化设计

3．1 概述

3．2 中等功率商速鼠笼式永磁无刷直流电机转子鼠笼的优化设计

3．2．1 鼠笼导条与转子表面距离的优化设计

3．2．2 鼠笼导条数日的优化设计

3．3 高速中等功率鼠笼式永磁电机转子拓扑结构的优化设计

3．3．1 优化方法

3．3．2 电磁性能对比

3．4 中等功率高速鼠笼式永磁无刷直流电机的有限元分析与实验测试

3．4．1 电磁性能的有限元分析

3．4．2 鼠笼对鼠笼武永磁无刷直流电机性能的影响

3．4．3 温度场分析

3．5 实验测试

3．5．1 样机图片

3．5．2 空载运行特性

3．5．3 负载运行特性

3．6 本章总结

第四章 鼠笼式永磁交流电机抗退磁性能优化

4．1 鼠笼式永磁交流电机退磁现象的研究

4．1．1 材料特性及仿真研究的假设条件

4．1．2 电机仿真模型

4．1．3 鼠笼式永磁电机起动过程转子永磁体的退磁研究

4．2 鼠笼式永磁电机抗退磁性能优化

4．2．1 堵转退磁

4．2．2 起动过程中退磁情况分析

4．2．3 鼠笼式永磁电机起动过程退磁现象其他影响因素

4．3 鼠笼式永磁电机抗退磁性能试验验证

4．3．1 实验样机说明

4．3．2 仿真结果

4．3．3 退磁实验数据

4．3．4 结果分析

4．4 本章小结

第五章 鼠笼式永磁电机无位置传感器控制研究

5．1 引言

5．2 鼠笼式永撤电机磁链观测器原理

5．2．1 磁链观测器一般工作原理

5．2．2 带鼠笼永磁电机磁链观测器工作原理

5．2．3 磁链观测器转子位置误差补偿

5．3 鼠笼式永磁电机磁链观测器数值计算实例

5．3．1 电机模型

5．3．2 电机运行时转子位置观测

5．3．3 转子位置观测误差矫正

5．3．4 磁链观测器计算结果影响因素分析

5．4 鼠笼式永磁电机无位置传摩器控制的实验研究

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

攻读博士期间取得的科研成果

致谢