永磁电机性能及参数数值计算与实验研究

摘要

在永磁电机研制阶段，如何得到准确的运行性能指标，以及如何快速准确地对永磁电机运行特性进行仿真分析，是现阶段需要解决的关键技术问题。本文建立了面向永磁电机设计需要的时步有限元计算模型，给出了合理的计算条件，提出了使用时步有限元获取永磁电机运行曲线并由此获取关键性能指标的方法。分析了永磁电机宽范围交叉饱和条件下稳态参数的变化规律，并提出了使用变参数永磁电机运行行为的快速仿真以及快速获取性能指标的方法。本文主要工作如下:
　　 1.在永磁同步电机动态过程共性问题研究方面，建立了适用于永磁电机设计需求的场-路-运动耦合时步有限元模型。研究了人为设置的计算条件对计算电机性能指标的影响，提出了计算关键性能指标的方法。通过与实际测试结果对比表明该计算模型具有很好的计算精度。
　　 2.针对自起动永磁电动机起动过程的关键指标“最小转矩”难以获取的问题，揭示了在某些人为设定的计算条件及测试条件下，最小转矩可能被起动瞬间的急剧波动转矩“淹没”的问题，进而提出了基于时步有限元的优化加载仿真实验方法及相应的试验数据处理方法，为快速准确求取最小转矩提供了有效途径。
　　 3.通过对永磁电机负载运行有限元分析，证实了交直轴间交叉饱和效应的存在，针对测试电抗参数现有直接负载法的不足，提出了同时考虑永磁体激磁电势交、直轴分量的稳态模型，得到了永磁电机额定电压条件下不同负载率时的交直轴电枢反应电感。进一步使用冻结磁导率的方法，研究了交直轴电枢反应自感与互感、永磁体单独激励激励的交、直轴磁链等稳态参数随负载变化的规律。
　　 4.提出了一种基于非线性变参数的永磁电动机动态特性仿真方法及永磁电动机、发电机稳态性能直接获取方法。前者用于自起动永磁电动机起动过程分析，可以快速获得准确结果;后者用于某永磁直驱风力发电机稳态运行过载能力、功率因数等性能指标的计算，指出了该发电机设计保守之处，为优化设计提供了改进方向。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及其意义

1．2 永磁电机的研究现状及发展趋势

1．2．1 永磁电机的现状及发展

1．2．2 永磁电机性能分析方法的现状与发展

1．3 永磁电机研究中有待解决的主要问题

1．4 本文的主要工作

第2章 永磁电机有限元计算与测试研究

2．1 引言

2．2 有限元法

2．2．1 有限元工具介绍

2．2．2 永磁电机场-路-运动耦合时步有限元计算模型

2．3 永磁电机的有限元分析

2．3．1 永磁电机场路耦合模型

2．3．2 空载特性的有限元计算

2．3．3 负载运行动态及稳态运行特性的计算

2．4 计算与测试结果对比验证

2．4．1 电机综合测试平台简介

2．4．2 LSPMSM起动过程动态特性的计算与实测

2．4．3 永磁电机感应电势的计算与测试

2．5 本章小结

第3章 LSPMSM起动过程最小转矩计算

3．1 引言

3．2 最小转矩有限元法计算

3．2．1 LSPMSM起动过程转矩曲线影响因素分析

3．2．2 满足有限元计算需求的剖分策略

3．2．3 LSPMSM起动过程最小转矩淹没现象

3．2．4 优化加载法计算LSPMSM最小转矩

3．3 通过n-T曲线获取最小转矩方法研究

3．3．1 通过准稳态n-T曲线计算最小转矩

3．3．2 通过固定周期计算n-T曲线

3．3．3 考虑定转子相对位置的变周期法计算n-T曲线

3．3．4 不同方法计算最小转矩结果对比分析

3．4 本章小结

第4章 基于改进直接负载法计算稳态参数

4．1 引言

4．2 直接负载法测试电枢反应电抗

4．2．1 直接负载法概述

4．2．2 功率角的测试

4．2．3 电抗参数测试实验及结果分析

4．3 永磁电机交叉饱和效应分析

4．4 基于改进相量图法的电抗参数计算

4．4．1 计及交叉饱和的永磁电机相量图的改进

4．4．2 基于改进的直接负载法参数计算

4．5 计算与测试结果对比

4．6 本章小结

第5章 永磁电机稳态参数计算方法研究

5．1 引言

5．2 冻结磁导率法计算永磁电机切线电感

5．2．1 冻结磁导率法基本流程

5．2．2 自感与互感计算方法

5．2．3 永磁磁链计算方法

5．3 样机稳态参数计算

5．3．1 有限元计算模型

5．3．2 负载场及负载饱和状态分析

5．3．3 Lad、Lag和Lm计算方法

5．3．4 负载饱和条件下的永磁磁链分析

5．3．5 定转子相对位置的影响分析

5．4 结果对比

5．5 本章小结

第6章 永磁电机运行性能快速计算方法研究

6．1 引言

6．2 永磁电机动态运行模型仿真

6．2．1 LSPMSM动态运行数学模型

6．2．2 LSPMSM动态仿真

6．3 永磁电机稳态运行特性研究方法

6．3．1 永磁电机稳态运行改进数学模型

6．3．2 永磁电机运行特性曲面

6．4 仿真与实测结果对比研究

6．4．1 空载电流与供电电压关系

6．4．2 功角特性

6．5 分析方法在DDPMG研究中的应用

6．5．1 DDPMG场路耦合模型

6．5．2 空载特性计算

6．5．3 负载运行特性分析

6．5．4 DDPMG运行特性曲面

6．5．5 DDPMG不同风速下过载能力分析

6．6 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 进一步研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介