永磁无刷牵引电机电磁性能研究

论文摘要

永磁无刷直流电机具有节能、能量密度高、动态特性好、控制简单等优点，已经成功应用在船舰推进、航空执行器、工业驱动与控制、家用电器等领域，但永磁无刷直流电机用作机车牵引电机的研究在世界范围内还刚刚起步。本文通过理论分析和有限元计算对永磁无刷牵引电机的电磁参数、电磁性能以及电磁设计的关键问题进行了研究，对永磁转子箍紧套材料、结构对电机参数的影响进行了深入分析和计算，建立了考虑IGBT特性大功率永磁无刷电机的数学模型以及故障模型，完成了30kW永磁无刷电机及控制系统样机，并进行了实验。 对永磁体表面安装式无刷电机的电枢反应进行了研究，获得了不同定、转子位置电枢反应规律；研究了永磁体充磁方向对气隙磁场的影响，证明了永磁体径向充磁比平行充磁时气隙磁通密度幅值更高，波形更接近梯形波，更有利于提高无刷电机的能量密度；对设计的永磁体径向充磁专用装置的有限元分析说明磁瓦的磁化方向是径向的；对于大容量永磁电机永磁体的分片是难免的，研究了永磁体分片对气隙磁场的影响，分片会造成气隙磁场波形下陷和漏磁增加。通过有限元计算研究了直槽、斜槽时对反电势的影响，斜槽时反电势的齿槽谐波明显降低。 分析了电感对永磁无刷直流电机性能的影响；对永磁无刷直流电机的增量电感计算、增量电感的非线性、磁化曲线进行了研究；建立了计算绕组端部漏感的二维有限元模型，电感测量结果验证了计算的

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 永磁电机的发展
• 1.2 永磁无刷电机的特点
• 1.3 永磁无刷直流电机的国内外研究现状
• 1.3.1 磁场分析
• 1.3.2 转矩计算及转矩波动的抑制
• 1.3.3 箍紧套对电机性能的影响及转子损耗的计算
• 1.3.4 恒功率调速
• 1.4 课题的研究背景及意义
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 永磁无刷直流电机的设计及有限元分析
• 2.1 永磁无刷直流电机的电磁设计
• 2.1.1 设计原则
• 2.1.2 气隙磁场与极弧系数
• 2.1.3 反电势与电压平衡方程
• 2.1.4 永磁体尺寸确定
• 2.1.5 铁心损耗
• 2.2 永磁无刷直流电机有限元分析理论
• 2.2.1 基本方程
• 2.2.2 矢量磁位
• 2.2.3 泊松方程
• 2.2.4 边界条件
• 2.2.5 数学描述
• 2.2.6 永磁无刷直流电机磁场问题的有限元求解过程
• 2.3 永磁无刷直流电机磁场的有限元分析
• 2.3.1 实体建模
• 2.3.2 定义单元类型和材料属性
• 2.3.3 网格划分
• 2.3.4 加边界条件和载荷
• 2.3.5 求解
• 2.3.6 后处理
• 2.4 永磁无刷直流电机电枢反应的有限元计算
• 2.4.1 转子磁势与定子合成磁势在不同的夹角下的电枢反应
• 2.4.2 电枢反应的有限元计算
• 2.5 永磁体充磁方向对无刷直流电机磁场的影响
• 2.5.1 永磁体径向充磁无刷直流电机磁场的有限元分析
• 2.5.2 永磁体径向充磁的实现
• 2.6 永磁体分片对无刷直流电机磁场的影响
• 2.6.1 分片磁极、整片磁极空载气隙磁密计算与比较
• 2.6.2 分片磁极、整片磁极漏磁系数的有限元计算
• 2.7 永磁无刷直流电机反电势的有限元计算
• 2.7.1 永磁无刷直流电机直槽反电势的有限元计算
• 2.7.2 斜槽对永磁无刷直流电机反电势的影响
• 第三章 永磁无刷直流电机的电感计算
• 3.1 电感对永磁无刷直流电机性能的影响
• 3.1.1 电感对永磁无刷直流电机电流的影响
• 3.1.2 电感对永磁无刷直流电机功率的影响
• 3.2 永磁无刷直流电机电感的有限元计算
• 3.2.1 永磁无刷直流电机的电感
• 3.2.2 能量摄动法求增量电感
• 3.2.3 磁场能量的计算
• 3.2.4 增量电感的计算结果
• 3.3 永磁无刷直流电机增量电感的非线性研究
• 3.3.1 额定电流下不同转子位置时永磁无刷直流电机的增量电感
• 3.3.2 不同的电流下永磁无刷直流电机的增量电感
• 3.3.3 永磁无刷直流电机磁化曲线的有限元计算
• 3.4 永磁无刷直流电机绕组端部漏感的计算
• 3.4.1 镜像法求电机绕组端部漏感
• 3.4.2 Miller经验公式求电机绕组端部漏感
• 3.4.3 绕组端部漏感的二维有限元计算
• 3.5 永磁无刷直流电机电感测量与数据处理
• 第四章 永磁无刷直流电机的转矩波动研究
• 4.1 转矩的有限元计算
• 4.2.1 永磁无刷直流电机的转矩计算方法
• 4.2.2 转矩的有限元计算结果
• 4.2 齿槽转矩波动计算及抑制
• 4.2.1 齿槽转矩波动的形成
• 4.2.2 齿槽转矩波动有限元计算
• 4.2.3 齿槽转矩波动抑制
• 4.3 定子磁场跳动引起的转矩波动研究
• 4.3.1 定子磁场跳动引起转矩波动
• 4.3.2 消除定子磁场跳动引起转矩波动的PWM算法
• 第五章 转子箍紧套对永磁无刷直流电机性能的影响
• 5.1 转子箍紧套对气隙磁场的影响
• 5.1.1 箍紧套材料对气隙磁场的影响
• 5.1.2 不同箍紧套材料的漏磁系数计算
• 5.1.3 箍紧套材料对转矩的影响
• 5.2 转子箍紧套对转子涡流损耗的影响
• 5.2.1 箍紧套采用不同材料时转子各部件的磁场分布
• 5.2.2 转子涡流损耗的有限元计算
• 5.2.3 不同箍紧套材料对转子损耗的影响
• 5.2.4 箍紧套材料的选择
• 5.3 转子箍紧套的阻尼作用
• 5.3.1 考虑箍紧套阻尼作用的永磁无刷直流电机的状态模型
• 5.3.2 箍紧套等效参数的计算
• 第六章 永磁无刷直流电机的建模与仿真
• 6.1 考虑IGBT特性的永磁无刷直流电机的建模
• 6.1.1 IGBT及反并二极管特性等效
• 6.1.2 考虑IGBT、反并二极管特性续流段的数学模型
• 6.1.3 考虑IGBT、反并二极管特性导通段的数学模型
• 6.1.4 IGBT、反并二极管特性对相电流、转矩的影响
• 6.2 永磁无刷直流电机的故障建模与仿真
• 6.2.1 定子绕组短路的永磁无刷直流电机建模
• 6.2.2 定子绕组开路的永磁无刷直流电机建模
• 6.2.3 永磁体退磁的永磁无刷直流电机建模
• 6.2.4 永磁无刷直流电机的故障仿真
• 第七章 永磁无刷直流电机的牵引特性研究
• 7.1 牵引对永磁无刷直流电机的转矩特性要求
• 7.2 提前相角对无刷直流电机特性影响及传统逆变器的局限性
• 7.2.1 提前相位角对气隙磁场的影响
• 7.2.2 提前相位角对转矩的影响
• 7.2.3 提前相位角调速传统逆变器的局限性
• 7.3 永磁无刷直流电机恒功率调速研究
• 7.3.1 恒功率调速的双模逆变器
• 7.3.2 永磁无刷直流电机恒功率调速仿真研究
• 第八章 永磁无刷直流电机DSP控制及实验
• 8.1 永磁无刷直流电机的DSP控制
• 8.1.1 永磁无刷直流电机功率变换器通断模式
• 8.1.2 永磁无刷直流电机控制系统的构成
• 8.1.3 控制器的DSP实现
• 8.1.4 DSP的定标
• 8.2 样机及试验
• 8.2.1 永磁无刷直流电机控制系统样机
• 8.2.2 试验波形
• 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间的主要科研项目