變極永磁同步電動(dòng)機(jī)研究.pdf

1、目前，變極調(diào)速技術(shù)在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用廣泛，只需改變定子繞組的極數(shù)即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，但功率因數(shù)較低。普通永磁同步電動(dòng)機(jī)具有高效、高功率因數(shù)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍寬的特點(diǎn)，但為防止出現(xiàn)不可逆去磁，永磁體用量較多，導(dǎo)致電機(jī)成本較高，并且永磁磁極的極性難以改變，電機(jī)在制成之后極數(shù)是固定的，不能實(shí)現(xiàn)變極。若能將二者的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，開發(fā)變極永磁同步電動(dòng)機(jī)，具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。 2001年德國(guó)的Vlado Ostovic率先提出了變極永磁同步

2、電動(dòng)機(jī)，并進(jìn)行了相關(guān)研究，設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Vlado Ostovic的樣機(jī)定子繞組與變極感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同，轉(zhuǎn)子采用切向充磁的鋁鎳鈷永磁和軟鐵相互疊加而成的“Sandwich”結(jié)構(gòu)，變極時(shí)以定子繞組為充磁繞組。試驗(yàn)表明：該電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)變極，且效率高于同功率等級(jí)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。但其研究只是驗(yàn)證了變極永磁同步電動(dòng)機(jī)的可行性，缺乏系統(tǒng)深入的研究，并且采用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工困難，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，充磁時(shí)充磁繞組與轉(zhuǎn)子相對(duì)位置對(duì)充磁結(jié)果

3、有較大影響，作者推導(dǎo)了變極充磁電流和變極后每極磁通與電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和永磁體性能的關(guān)系，推導(dǎo)變極充磁電流時(shí)忽略了鐵心磁壓降，推導(dǎo)每極磁通時(shí)假設(shè)充磁后永磁體都被飽和切向磁化了，與永磁體的實(shí)際磁化狀態(tài)有較大誤差，沒有給出永磁體充磁后磁化狀態(tài)的確定方法。 本課題針對(duì)上述不足進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，主要研究?jī)?nèi)容如下： 1．提出了變極永磁同步電動(dòng)機(jī)的表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，采用環(huán)形永磁體。VladoOstovic樣機(jī)采用的“Sandwich”轉(zhuǎn)子

4、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工困難，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，充磁時(shí)充磁繞組與轉(zhuǎn)子相對(duì)位置對(duì)充磁結(jié)果有較大影響。為此，本文提出了表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，采用環(huán)形永磁體。表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在永磁直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)和表面式永磁同步電動(dòng)機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用，生產(chǎn)和加工工藝已經(jīng)非常成熟，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、機(jī)械強(qiáng)度高、充磁與定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，能夠保證電機(jī)運(yùn)行的可靠性，降低了成本。 2．研究了變極充磁時(shí)永磁體磁化狀態(tài)確定方法。Vlado Ostovic推導(dǎo)了變極充磁電

5、流和變極后每極磁通與電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和永磁體性能的關(guān)系，推導(dǎo)變極充磁電流時(shí)時(shí)忽略了充磁過程中的鐵心磁壓降，推導(dǎo)每極磁通時(shí)假設(shè)充磁后永磁體都被飽和切向磁化了，與實(shí)際情況有較大誤差，沒有給出永磁體充磁后磁化狀態(tài)的確定方法。由于變極永磁同步電動(dòng)機(jī)以定子繞組為充磁繞組，充磁磁場(chǎng)比較復(fù)雜，本文建立了永磁體的初始磁化模型和重新磁化模型，引入飽和系數(shù)，解析法計(jì)算了考慮鐵心飽和時(shí)的充磁磁場(chǎng)強(qiáng)度，將兩者相結(jié)合得到了考慮永磁體原磁化狀態(tài)的永磁體磁化狀態(tài)確定方法

6、和飽和充磁電流確定方法。 3．研究了變極永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能計(jì)算方法。由于變極永磁同步電動(dòng)機(jī)中永磁體的磁化狀態(tài)由充磁決定，磁化狀態(tài)比較復(fù)雜，以往氣隙磁密的計(jì)算方法不再適用，本文采用有限元法計(jì)算得到了氣隙磁密，據(jù)此得到了空載反電動(dòng)勢(shì)，其他計(jì)算步驟與普通永磁同步電動(dòng)機(jī)相同。研究了提高永磁同步電動(dòng)機(jī)效率和功率因數(shù)、擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍的技術(shù)措施，研究表明保持空載反電動(dòng)勢(shì)小于并接近于外加電壓，可以獲得接近于1的功率因數(shù)，空載反電動(dòng)勢(shì)滿足這

7、一要求還可使永磁同步電動(dòng)機(jī)在不同的負(fù)載下效率最高，獲得較寬廣的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍。 4．對(duì)永磁電機(jī)的共性問題一一齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了研究，主要工作包括： (1)基于能量法得到了表面式永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的解析表達(dá)式，該表達(dá)式體現(xiàn)了電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，為齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法研究提供了依據(jù)。 (2)分析了永磁體極弧系數(shù)對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。現(xiàn)有的極弧系數(shù)確定方法得到的都是近似值，很難在實(shí)際中應(yīng)用。本文分析了平行充磁永磁直流電機(jī)極弧

8、系數(shù)對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，得到了極弧系數(shù)的確定方法。 (3)分析了不等槽口寬配合削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法。改進(jìn)了Sang-Moon Hwang提出的Teeth Pairing法，得到了槽口寬度計(jì)算方法和該方法的適用范圍。 (4)分析了磁極偏移削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法?，F(xiàn)有關(guān)于磁極偏移削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的文獻(xiàn)都是基于削弱永磁體對(duì)稱時(shí)存在的齒槽轉(zhuǎn)矩諧波，但是磁極偏移后會(huì)引進(jìn)新的齒槽轉(zhuǎn)矩諧波，本文得到了削弱永磁體對(duì)稱時(shí)存在的和磁極偏移后引進(jìn)諧波的磁

9、極偏移角度計(jì)算方法。 (5)分析了永磁體極弧系數(shù)組合削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法，得到了相鄰永磁體極弧系數(shù)的計(jì)算方法。 (6)分析了不等厚永磁磁極削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法。研究表明：隨著偏心距的增大，有些極數(shù)和槽數(shù)組合的永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)減小，但是也有些情況下會(huì)增大。 (7)研究了定子齒開輔助槽削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法?，F(xiàn)有文獻(xiàn)得到的輔助槽數(shù)確定方法對(duì)于每極整數(shù)槽的情況不適用，本文將輔助槽法和永磁體極弧系數(shù)選擇相結(jié)合，得到了輔助槽數(shù)確