新型磁場(chǎng)調(diào)制式永磁直線同步電機(jī)的特性研究.pdf

1、永磁直線同步電機(jī)(PMLSM)具有推力大、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在直線運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著科技發(fā)展，對(duì)PMLSM理論研究越來(lái)越深入，PMLSM主要存在以下三個(gè)缺點(diǎn):(1)在工頻電源條件下，電機(jī)速度比較高，在低頻下運(yùn)行時(shí)性能變差;(2)在恒頻情況下，降低電機(jī)速度需增加電機(jī)的極對(duì)數(shù);(3) PMLSM磁阻力較大，引起推力波動(dòng)，低速運(yùn)行時(shí)此現(xiàn)象更加明顯，影響電機(jī)伺服性能。為克服以上缺點(diǎn)，在不增加體積和質(zhì)量的前提下，

2、對(duì)傳統(tǒng)PMLSM結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，本文提出研究一種新型磁場(chǎng)調(diào)制式永磁直線同步電機(jī)(LPMVM)，能在工頻或較高的頻率下低速運(yùn)行，且推力波動(dòng)小，電機(jī)性能提高。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　對(duì)LPMVM的磁路理論進(jìn)行研究。與傳統(tǒng)PMLSM結(jié)構(gòu)和原理不同，采用氣隙比磁導(dǎo)波法得到電樞開(kāi)槽后永磁磁密的基波磁場(chǎng)、諧波磁場(chǎng)，推出產(chǎn)生穩(wěn)定推力時(shí)電樞繞組極對(duì)數(shù)、永磁體極對(duì)數(shù)、電樞槽數(shù)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系式及速度大小關(guān)系式。通過(guò)對(duì)比動(dòng)子移動(dòng)前后磁場(chǎng)分布圖進(jìn)一步

3、闡明LPMVM運(yùn)行機(jī)理。指出電樞磁密與永磁磁密的基波和G，次諧波幅值較大，為電機(jī)工作磁場(chǎng)，且永磁磁密Gr次諧波幅值大于其基波幅值。采用繞組函數(shù)得出空載反電勢(shì)和推力與基波和諧波磁場(chǎng)的磁路關(guān)系式，并與傳統(tǒng)PMLSM的電磁性能進(jìn)行了對(duì)比分析。
　　采用二維氣隙相對(duì)磁導(dǎo)函數(shù)方法考慮齒槽效應(yīng)的影響，建立了LPMVM磁場(chǎng)分層解析模型。將氣隙磁場(chǎng)等效為無(wú)槽氣隙磁場(chǎng)與有槽時(shí)氣隙相對(duì)磁導(dǎo)函數(shù)共同作用產(chǎn)生的磁場(chǎng)。以矢量磁位為求解變量，根據(jù)各層區(qū)域交界

4、面邊界條件，推導(dǎo)出永磁磁場(chǎng)、電樞磁場(chǎng)無(wú)槽分層解析模型各區(qū)域磁密解析式。用許-克變換法建立考慮齒槽效應(yīng)時(shí)氣隙相對(duì)磁導(dǎo)函數(shù)解析模型。解析法和有限元法結(jié)果表明，無(wú)槽氣隙磁密在切向分量和法向分量計(jì)算正確，計(jì)及齒槽效應(yīng)后法向磁密擬合較好，而切向磁密誤差較大，因此氣隙相對(duì)磁導(dǎo)函數(shù)未能考慮齒槽效應(yīng)在切向方向上對(duì)磁場(chǎng)的影響。
　　鑒于氣隙相對(duì)磁導(dǎo)函數(shù)模型求解存在一定局限性，提出了LPMVM精確子域解析模型。計(jì)及永磁體相對(duì)磁導(dǎo)率、電機(jī)槽深、所有槽與

5、槽之間對(duì)磁場(chǎng)分布的相互影響，提出了更加接近電機(jī)實(shí)際情況的LPMVM精確子域模型，將求解區(qū)域分為永磁體、氣隙、槽三個(gè)子域，建立各個(gè)子域的標(biāo)量磁位拉普拉斯方程。根據(jù)各子域邊界連續(xù)條件，采用傅里葉級(jí)數(shù)法，列出各個(gè)邊界條件矩陣方程組，得出精確子域模型交界處磁位、磁密解析式。用有限元法驗(yàn)證了所提出的精確子域解析模型的可行性和精確性。
　　根據(jù)推導(dǎo)出的LPMVM精確子域模型氣隙磁密解析式，計(jì)算出電機(jī)各個(gè)電磁參數(shù)，研究了電機(jī)力角特性及運(yùn)行特性。

6、忽略端部效應(yīng)，采用麥克斯韋應(yīng)力張量法推導(dǎo)出用氣隙磁密各次諧波幅值表示的電機(jī)齒槽力和垂直力解析式，對(duì)氣隙網(wǎng)格合理細(xì)化，用有限元法證明了解析法的正確性。推導(dǎo)出電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)、恒流源下的靜態(tài)推力、穩(wěn)態(tài)推力解析式，結(jié)果表明電機(jī)推力大且波動(dòng)很小，解析解和有限元解吻合。建立了LPMVM等效電路，分析了電機(jī)的電磁性能及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性。令電樞電流單獨(dú)作用，通過(guò)磁鏈法求解電機(jī)相繞組自感和互感，經(jīng)dq坐標(biāo)變換，計(jì)算出同步電感、漏感和電樞反應(yīng)電感。給出電樞電

7、流、功率、推力、效率、功率因數(shù)等電磁性能計(jì)算式，用解析法和有限元法詳絀分析了計(jì)及電阻時(shí)的力角特性曲線、電流隨力角變化曲線，兩種方法結(jié)果擬合較好。分析了電壓和頻率變化對(duì)最大電磁功率和推力的影響。采用時(shí)步有限元法分析電機(jī)瞬態(tài)特性，結(jié)果表明該電機(jī)運(yùn)行速度低，推力、速度波動(dòng)很小，在不同力角下電機(jī)穩(wěn)定后的推力、速度、電流與理論結(jié)果一致。
　　采用優(yōu)化端齒寬度方法對(duì)LPMVM最小磁阻力進(jìn)行了研究。以短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)LPMVM為研究模型，用端部等效