新型永磁电机的设计、分析与应用研究

论文摘要

永磁电机是一种很有发展潜力的高效节能动力装置,在工业生产和日常生活的诸多领域中正日益得到广泛的应用。在我国大力提倡节能减排的宏观背景下,开发和研究新型的高效节能永磁同步电动机,降低用电设备的耗电量,不仅符合国家的宏观政策导向,而且具有良好的社会和经济效益。复式永磁同步电机和直驱式抽油机就是针对油田中耗电量最大且为数众多的传统游梁式抽油机提出的。直驱式抽油机改变了复杂笨重的机械传动方式,利用复式永磁同步电机低转速、大输出转矩的特点,直接驱动抽油机负载,提高了抽油机的系统效率和功率因数,实现了良好的节电效果。复式永磁电机是将双盘式电机与圆筒形外转子电机在三维空间上组合而成的,提高了电机单位体积内的输出转矩。本论文从复式永磁同步电机的设计计算方法、电机内电磁场的分析、电机参数的优化、齿槽转矩的抑制、电机驱动控制系统的研究,到复式永磁电机的测试试验及其在直驱式抽油机中应用和系列化的讨论,对这一新型结构的电机进行了全面的理论分析和试验验证工作。本论文所研究的另一种永磁电机是针对磁浮交通系统中的长定子直线同步电机提出的改进型电机结构,即内置永磁体式永磁电励混合励磁直线同步电机。研究这一新型结构的出发点是为了减少悬浮励磁次级的耗电量,达到节省车载电源能耗的目的。这对减小磁浮列车上励磁次级的体积和重量,降低车载电源容量,提高整车性能都有一定的实际意义。本论文的研究工作主要集中在以下几个方面:1.在复式永磁同步电机这一新型结构的基础上,对现有的调速永磁同步电机的设计方法和解析计算公式进行归纳、总结及推演,形成了适用于复式永磁电机的电磁参数设计计算方法。对复式永磁电机工作特性的研究表明,定子直流电阻值对电机特性的影响很大,它使最大电磁功率对应的功角小于90°,使定子铜耗在电机总损耗中占据绝大部分,使电机效率随负载率的增加呈逐步下降的走势。2.针对复式永磁电机结构的特殊性,先使用三维CAD软件构建立体模型,直接在三维图形中进行结构修改工作,再用工程制图软件AutoCAD绘制二维工程图。为保证电机结构的可靠性,应用材料力学的相关知识,对以电机主轴为代表的主要零部件进行强度和刚度方面的分析校核工作。对于电机温升问题,将等效热路法进行适当的修改,推导出适合于复式永磁电机使用的温升计算公式,对样机的温升进行了计算,并与试验结果进行对比,误差不大于6%。3.应用永磁电机三维磁场的有限元分析方法,对复式永磁电机作适当简化后进行建模,使用该模型对电机内空载和负载磁场的分布情况、空载漏磁以及不同功角时的输出转矩等进行了分析计算。对于抑制复式永磁电机齿槽转矩的问题,采用齿槽转矩的解析分析与有限元计算相互印证的方式,对电机的筒形和盘形部分分别进行讨论。通过复式永磁电机的解析计算方法,以有限元方法为辅助,针对重要结构参数对电机性能的影响进行分析,由此得出这些参数的最佳取值范围。4.根据复式永磁电机直轴和交轴电感近似相等的特点,采用合适的矢量控制策略,并使用EKF算法估计转速以替代机械传感器的检测,实现复式永磁电机的无位置传感器矢量控制系统。从控制系统硬件电路的设计、系统框图的建立到软件流程的制定,对复式永磁电机的驱动控制系统进行了前期研究工作。采用MATLAB/Simulink仿真软件对控制系统进行了仿真分析,结果表明控制系统对电机的控制效果理想。5.在试验塔架上应用新型永磁电机测量系统对复式永磁电机进行了空载、负载和温升试验,并将电机的理论计算结果与试验数据进行了对比分析。6.根据游梁式抽油机的型号标准,从替代游梁式抽油机的角度对直驱式抽油机及复式永磁电机的系列化进行了讨论。说明了直驱式抽油机能够节电增产的原因,并给出了节电效果的实测数据。检测数据表明,同型号的直驱式抽油机比异步电机驱动的游梁式抽油机节电50%以上。7.对现有的永磁电励混合励磁直线同步电机进行结构改进的角度,提出了两种新型的混合励磁次级结构——内置永磁体半隔磁式和内置永磁体全隔磁式混合励磁结构。对比半隔磁式和全隔磁式结构,由于后者漏磁更少,同等条件下获得的悬浮力更大,因此对全隔磁式结构进行了更为深入细致的分析。采用二维电磁场的有限元分析方法,对全隔磁式混合励磁结构进行结构参数优化。通过分析悬浮力、推力和空载漏磁系数三个性能参数,将全隔磁式混合励磁结构与电励磁结构、与两种现有的混合励磁结构进行了对比分析。在以上所进行的全部研究工作中,第一、三和七项是本文的创新点所在。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 永磁电机及其分类
• 1.1.1 永磁电机的发展及应用
• 1.1.2 永磁电机的分类
• 1.2 永磁材料的性能及种类
• 1.2.1 永磁材料的主要性能参数
• 1.2.2 永磁材料的种类
• 1.3 永磁电机的控制方法
• 1.3.1 矢量变换控制
• 1.3.2 直接转矩控制
• 1.4 永磁电机在石油开采业中的应用
• 1.4.1 传统抽油机的使用现状
• 1.4.2 永磁电机在节能抽油机中的应用
• 1.4.3 复式永磁电机及直驱式抽油机结构的提出
• 1.5 永磁电励混合励磁直线同步电机与磁浮交通系统
• 1.5.1 永磁电励混合励磁同步电机
• 1.5.2 磁浮交通系统及HELSM的研究现况
• 1.6 课题背景、意义与本文的主要工作
• 参考文献
• 第二章 复式永磁电机的设计方法与性能研究
• 2.1 复式永磁电机的结构和设计原则
• 2.2 复式永磁电机的电磁设计
• 2.2.1 基本电磁关系式的推导
• 2.2.2 电机参数的主要设计步骤
• 2.2.3 试验样机的设计计算
• 2.3 复式永磁电机的工作特性
• 2.4 复式永磁电机的机械结构设计
• 2.4.1 样机的结构设计
• 2.4.2 机械强度与刚度核算
• 2.5 复式永磁电机的温升计算
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 复式永磁电机磁场的有限元分析与参数优选
• 3.1 永磁电机磁场的有限元分析方法
• 3.1.1 永磁磁场的微分方程边值问题
• 3.1.2 三维矢量磁位有限元法
• 3.2 复式永磁电机磁场的有限元分析
• 3.2.1 Maxwell 3D/2D软件及复式永磁电机建模
• 3.2.2 空载时的磁场分析
• 3.2.3 负载时的磁场分析与转矩对比
• 3.3 削弱复式永磁电机齿槽转矩的方法研究
• 3.3.1 基于能量法的齿槽转矩解析分析
• 3.3.2 改变极弧系数对齿槽转矩削弱效果的对比分析
• 3.3.3 斜磁极对齿槽转矩削弱效果的对比分析
• 3.4 电机参数变化对性能的影响及其优选
• 3.4.1 定子叠厚对输出转矩的影响及优选
• 3.4.2 气隙长度对电机性能的影响及优选
• 3.4.3 永磁体磁化方向长度对电机性能的影响及优选
• 3.4.4 极弧系数的优选
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 复式永磁电机驱动控制系统的研究
• 4.1 调速永磁同步电机的矢量控制理论和控制策略
• 4.1.1 调速永磁同步电机的数学模型
• 4.1.2 矢量控制的几种策略
• 4.2 控制系统的硬件构成
• 4.2.1 主要器件介绍
• 4.2.2 硬件电路的设计
• 4.3 控制策略的选择及软件实现
• 4.3.1 基于EKF的无位置传感器技术
• 4.3.2 无位置传感器矢量控制系统的构成
• 4.3.3 DSP控制软件流程
• 4.4 无位置传感器矢量控制系统的仿真
• 4.4.1 仿真模型的建立
• 4.4.2 仿真结果的分析
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 复式永磁电机的试验研究与工程应用
• 5.1 复式永磁电机的试验结果与分析
• 5.1.1 空载试验及分析
• 5.1.2 负载试验及分析
• 5.1.3 温升试验及分析
• 5.1.4 定子直流电阻及耐压测试
• 5.2 直驱式抽油机及其节能测试
• 5.2.1 直驱式抽油机的原理与构造
• 5.2.2 直驱式抽油机的节能测试
• 5.3 直驱式抽油机及复式永磁电机的系列化讨论
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 新型永磁电励混合励磁直线同步电机的设计与分析
• 6.1 现有混合励磁结构形式
• 6.2 新结构HELSM的设计、分析与优化
• 6.2.1 HELSM新结构的方案与模型设计
• 6.2.2 两种新结构HELSM磁场的有限元分析
• 6.2.3 全隔磁式混合励磁结构参数的优化
• 6.3 全隔磁式HELSM与电励磁LSM的对比分析
• 6.3.1 试验线中电励磁LSM的分析与实验结果
• 6.3.2 两种结构的悬浮力、推力及漏磁系数的比较
• 6.4 全隔磁式HELSM与现有HELSM的对比分析
• 6.4.1 三种混合励磁结构磁场的对比
• 6.4.2 三种混合励磁结构悬浮力、推力和漏磁系数的对比
• 6.4.3 三种混合励磁结构的结构合理性分析
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文的创新点和主要结论
• 7.2 对后续研究工作的展望
• 附录 卧龙磁浮试验线概况与试验线磁浮车辆的设计
• F.1 卧龙磁浮试验线概况
• F.2 试验线磁浮车辆的设计
• F.2.1 设计要求
• F.2.2 车辆底盘的设计
• F.2.3 车身设计
• F.3 底盘结构的有限元分析
• F.3.1 悬浮臂的有限元分析
• F.3.2 其它部件的有限元分析
• F.4 悬浮臂的力学性能测试
• F.5 小结
• 攻读博士学位期间的学术成果及参加的主要科研项目
• 一、获得专利及发表（或录用）的学术论文
• 二、参加的主要科研项目
• 致谢