一种串联磁路混合永磁记忆电机性能分析与结构优化

摘要

永磁同步电机以其高功率密度、高效率的特点在船舶、航空航天、新能源汽车等诸多领域都得到了广泛的应用。然而，传统永磁同步电机的永磁磁场不易调节，需要注入负值的直轴电流进行弱磁控制以抵消增长的反电势。但是由于铜耗与电流的平方成正比，额外的弱磁电流将导致大量的铜耗，降低驱动系统的控制精度。受电力电子逆变器电流容量的限制，弱磁电流的增加势必会减少输出转矩电流的大小，从而降低电机的转矩输出能力。本文研究了一种串联磁路混合永磁记忆电机（Series Magnetic Circuit Hybrid Permanent Magnet Memory Motor，SMC-HPM-MM），高矫顽力永磁体保证了电机具有较强的气隙磁密，可通过控制脉冲电流改变低矫顽力永磁体的磁化水平，从而调节气隙磁密。该电机在高速区间对低矫顽力永磁体进行退磁操作，消除持续的弱磁电流，拓展调速范围的同时提高电机的综合效率，具体研究内容包括以下几个方面：　　首先，研究了磁性材料的Preisach磁滞模型，通过设计分布函数建立了一个可解析的Preisach磁滞模型，可以模拟任何形状的磁滞回线，有利于实现记忆电机的精准调速。然后给出了SMC-HPM-MM的拓扑结构，根据电机的等效磁路，分析了电机内部铝镍钴永磁体的磁化过程。最后建立了SMC-HPM-MM的数学模型，分析了电机的基本工作原理。　　其次，根据SMC-HPM-MM主要性能指标，确定了电机的主要尺寸。通过理论分析确定了SMC-HPM-MM定子结构，包括极槽比、定子槽和定子绕组。同时研究了高矫顽力永磁体端部漏磁现象，指出两种永磁体的截面面积比是影响高矫顽力永磁体端部漏磁现象的重要因素。　　然后，建立了SMC-HPM-MM有限元仿真模型，对铝镍钴永磁体正反两种磁化状态下电机的性能进行了分析。同时通过对齿槽转矩产生机理的分析，提出了定子齿开反槽与转子开孔结合的方法来抑制SMC-HPM-MM的齿槽转矩，并通过有限元仿真计算验证了上述方法的有效性。接着根据铝镍钴永磁体不同磁化状态下电机的电感特性，通过添加内置磁障减小交轴电感，使电机在铝镍钴永磁体正向磁化时，获得了直轴电感大于交轴电感的特殊电感特性。在电机低速运行时采用大于零的直轴电流，获得正值磁阻转矩的同时提高了铝镍钴永磁体的工作点，因此优化了电机低速时转矩性能，提高了电机工作的可靠性。　　最后，根据添加内置磁障后SMC-HPM-MM的电感特性，选择合适的控制策略，利用有限元仿真计算了电机在铝镍钴永磁体不同磁化状态下的转矩—转速关系、电机效率，验证了SMC-HPM-MM的宽调速范围运行性能。

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附表索引

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 记忆电机的研究现状

1.2.1 记忆电机的提出

1.2.2记忆电机的国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 SMC-HPM-MM的基本工作原理

2.1 引言

2.2 永磁材料及磁滞建模

2.2.1 永磁材料的发展过程

2.2.2 永磁材料的Preisach磁滞模型

2.3 SMC-HPM-MM的磁化过程及等效磁路

2.3.1 SMC-HPM-MM的拓扑结构

2.3.2 SMC-HPM-MM的磁化过程及等效磁路

2.4 SMC-HPM-MM的数学模型

2.4.1磁链方程与电压方程

2.4.2功率方程与转矩方程

2.5 本章小结

第3章 SMC-HPM-MM结构设计及主要参数确定

3.1 引言

3.2 SMC-HPM-MM主要性能指标

3.3 SMC-HPM-MM主要尺寸的确定

3.4 SMC-HPM-MM定子结构参数设计

3.4.1 极槽比的选择

3.4.2 定子槽的选择

3.4.3 定子绕组设计

3.5 转子结构参数设计

3.5.1 转子结构特点及永磁体尺寸计算

3.5.2 高矫顽力永磁体端部漏磁通现象分析

3.5.3 隔磁桥设计原则

3.6 本章小结

第4章 SMC-HPM-MM性能分析与结构优化

4.1 引言

4.2 SMC-HPM-MM电磁性能分析

4.2.1 空载气隙磁密和反电势

4.2.2 转矩特性

4.2.3 电感特性

4.3 SMC-HPM-MM齿槽转矩的抑制

4.3.1 齿槽转矩产生机理

4.3.2 定子齿开槽对SMC-HPM-MM齿槽转矩的影响

4.3.3 定子齿开反槽对SMC-HPM-MM齿槽转矩的影响

4.3.4 定子齿开反槽与转子开孔法对SMC-HPM-MM齿槽转矩的影响

4.4 内置磁障对电感特性的影响

4.5 机械强度的校验

4.5.1应力校验

4.5.2形变校验

4.6本章小结

第5章 SMC-HPM-MM宽调速运行性能分析

5.1 引言

5.2 矢量控制方法

5.3 宽调速运行性能分析

5.4 效率分析

5.5 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

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