自起动永磁同步电动机磁极形状的优化及其特性研究

摘要

自起动永磁同步电动机兼有异步电机能够自起动和永磁同步电机高功率因数及高效、节能的优点，得到了越来越多的关注和应用。但是，由于永磁电机磁路结构的复杂性，使气隙磁场中含有大量的谐波，这势必导致电机中的谐波电势、谐波电流、振动噪声以及铁心损耗的增大。因此优化永磁电机磁极形状，降低气隙磁场中的谐波含量，对永磁电机效率及性能的进一步提高具有重要意义。
　　本文以优化空载气隙磁密波形为目标，利用电磁场计算的有限元法和两种优化算法(遗传算法以及响应面法)，对自起动永磁同步电动机的磁极形状进行了优化，并对磁极形状优化前后的永磁电机性能进行了性能对比分析。
　　首先借鉴表面式磁钢永磁电机的不均匀气隙结构，对自起动永磁同步电动机采用一段圆弧磁极形状进行优化。接着，基于大型凸极同步发电机三段圆弧极靴结构设计的基本思想，提出将三段圆弧结构用于自起动永磁同步电动机的磁极形状设计。利用遗传算法、响应面法及两者相结合的优化算法，获得了两种不均匀气隙结构永磁电机磁极形状参数的最优设计值，并对计及定子斜槽时的空载电动势进行了计算分析，谐波含量得到了明显的降低。
　　然后，利用自主开发的时步有限元法程序对优化前后三种不同磁极结构电机的稳态特性进行了计算、分析和对比，仿真结果表明，通过磁极形状的优化，电机稳态运行时电流中的谐波含量以及力矩波动明显降低。最后，通过在一台自起动永磁电机上的空载实验验证了本文时步有限元程序的可信性，从而间接验证了磁极形状优化方法的正确性。
　　仿真和实验结果表明，本文提出的不均匀气隙结构自起动永磁电机磁极形状的优化方法能够明显降低气隙磁场及电动势中谐波含量并显著提高电机的稳态运行性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 自起动永磁同步电机的国内外研究现状

1．2．1 永磁同步电机结构的优化设计

1．2．2 自起动永磁同步电动机的运行性能分析

1．2．3 自起动永磁同步电动机起动过程及起动性能分析

1．2．4 永磁同步电机优化设计中采用的优化方法

1．3 自起动稀土永磁电机研究目前存在的问题

1．3．1 气隙磁密中的谐波对电机性能的影响

1．3．2 不可逆退磁问题

1．3．3 起动性能指标之间的折衷设计问题

1．4 本文研究的主要内容

第2章 自起动永磁同步电机磁场与性能的分析方法

2．1 引言

2．2 自起动永磁同步电动机的结构

2．3 自起动永磁同步电动机的工作原理

2．3．1 旋转磁场的产生

2．3．2 起动与运行

2．4 永磁电机磁场与性能的分析方法

2．4．1 电磁场有限元法分析的基本原理

2．4．2 有限元分析中永磁体的等效模型

2．4．3 自起动永磁同步电动机的磁场分析示例

2．5 电机性能分析的时步有限元法

2．5．1 磁场方程

2．5．2 定子电路方程

2．5．3 转子回路方程

2．5．4 总体方程

2．6 本章小结

第3章 磁极形状优化过程中的优化算法

3．1 引言

3．2 遗传算法基本原理及其应用

3．2．1 遗传算法概述

3．2．2 遗传算法的基本操作

3．2．3 遗传算法的计算过程

3．3 响应面法基本原理及其应用

3．3．1 响应面法概述

3．3．2 响应面法的计算过程

3．4 遗传算法与响应面法相结合的优化算法

3．5 本章小结

第4章 自起动永磁同步电机磁极形状的优化

4．1 引言

4．2 单段圆弧磁极形状的优化

4．2．1 磁极形状优化所采用的有限元模型

4．2．2 磁极形状的优化过程

4．2．3 磁极形状的优化结果

4．3 三段圆弧磁极形状的优化

4．3．1 磁极形状优化所采用的模型

4．3．2 优化过程及结果

4．3．3 考虑定子斜槽时的优化效果

4．4 本章小结

第5章 优化前后永磁电机稳态性能对比及实验验证

5．1 引言

5．2 优化前后自起动永磁同步电机稳态性能对比

5．2．1 优化前后的定子电流

5．2．2 优化前后的转矩波动

5．3 本文电磁场计算可信性及优化方法有效性的实验验证

5．3．1 永磁电机综合测试系统

5．3．2 自起动永磁同步电机的空载实验

5．3．3 实验数据处理与计算对比分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢