内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机的研究

论文摘要

论文对永磁同步电机各种弱磁调速方法进行了深入分析研究,认识到V.Ostovic所提出的三明治式转子结构可控磁通电机——记忆电机的不足之处,提出了3种适用于不同极数的内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机。新结构电机充分利用钕铁硼永磁体剩磁密度B_r和矫顽力H_c都很高,而铝镍钴永磁体B_r很高而H_c很低的特点,在转子内同时放置两种永磁体,科学分配两者的尺寸,使两者在磁性能上合理配合,在保障电机各项基本性能的前提下,实现宽范围弱磁调速。电机运行时,通过闭环工作的调速控制系统在定子绕组上施加方向和幅值均受控的直轴电流矢量i_d脉冲,改变铝镍钴磁化方向和剩磁强弱。正向强磁化后,两种永磁体磁化方向一致,虽然铝镍钴对气隙永磁磁通贡献不大,却将钕铁硼贡献的磁通推向定子,气隙永磁磁通最强;两者磁化方向相反时,铝镍钴将钕铁硼产生的磁通在转子内部分旁路,气隙永磁磁通被削弱,被削弱的大小是可以控制的。每次重新磁化后永磁磁场能够保持住,而称为记忆电机。研制了模拟内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机工作机理的静止磁路装置。经过试验分析,认知了该电机磁通可控的原理,从而了解在控制转子永磁磁通的过程中钕铁硼和铝镍钴两种永磁体的磁化过程和磁化后工作点的变化规律;为了进一步加深分析和理解,同时给出了相应的等效磁路图。利用有限元法对3种电机进行了磁场分析和计算,给出在不同工况下电机内部磁场分布情况和气隙磁场波形,并对负载电流产生的交轴电枢反应磁动势对直轴永磁磁场的影响做了分析。计算结果表明,增大交轴磁路磁阻,既能减小交轴电感,降低交轴电抗压降,提高逆变器电压利用率,还能减小负载电流对直轴永磁磁通量的影响,有效提高电机弱磁及调速范围。给出了转子内永磁体尺寸选取一般原则。合理选择钕铁硼的宽度,使其尽可能多地贡献磁通量,气隙永磁主磁通主要由其产生;选择其厚度,除主要防止在极端情况下定子绕组产生的去磁磁动势造成不可逆的去磁外,还应该顾及永磁体成本、材料利用率和加工工艺性。合理选择铝镍钴宽度,可有效地调整可控磁通量大小,以调整弱磁倍数,其宽度为钕铁硼的0.5～0.7倍时,弱磁倍数就可以达3倍以上;选择其厚度,保证其与钕铁硼被i_d脉冲同向强磁化后,不应被钕铁硼再反向去磁而重新反向磁化,其总磁动势源比它为外部一对磁极磁路提供的磁动势高20～30%即可。编制出4极内置混合式转子磁路可控磁通永磁同步电机电磁计算设计程序,给出了算例,制做了样机,实验结果基本满足要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 传统永磁同步电动机的特点
• 1.2 永磁同步电动机弱磁调速基本方法
• 1.3 永磁同步电动机弱磁调速发展过程及其各种方法
• 1.4 课题研究的目的和意义
• 1.5 课题的主要研究内容
• 第二章 内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机
• 2.1 永磁材料及其磁特性
• 2.1.1 永磁材料和永磁电机的发展
• 2.1.2 铝镍钴永磁材料及其磁特性
• 2.1.3 钕铁硼永磁材料及其磁特性
• 2.2 4极内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机
• 2.3 6极内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机
• 2.4 8极内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机
• 2.5 本章小结
• 第三章 内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机磁化过程及等效磁路
• 3.1 模拟可控磁通永磁同步电机磁路工作机理的静止磁路装置
• 3.2 静止磁路模拟装置的试验分析
• 3.2.1 静止磁路模拟装置铁心中不放置任何永磁体
• 3.2.2 静止磁路模拟装置铁心中仅放置钕铁硼永磁体
• 3.2.3 静止磁路模拟装置铁心中仅放置铝镍钴永磁体
• 3.2.4 静止磁路模拟装置铁心中同时放置钕铁硼和铝镍钴永磁体
• 3.2.5 静止磁路模拟装置铁心中放置两种永磁体时的磁滞回线族
• 3.3 内置混合式转子可控磁通永磁同步电机磁化过程及等效磁路
• 3.4 本章小结
• 第四章 内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机磁场分析
• 4.1 4极内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机磁场分析
• 4.1.1 4极内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机分析模型
• 4.1.2 4极内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机磁场分析
• 4.2 6极内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机磁场分析
• 4.2.1 6极内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机分析模型
• 4.2.2 6极内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机磁场分析
• 4.3 8极内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机磁场分析
• 4.3.1 8极内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机分析模型
• 4.3.2 8极内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机磁场分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机电磁设计与样机试验
• 5.1 内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机设计特点
• 5.1.1 主要尺寸和气隙长度的选择
• 5.1.2 电机定子设计原则
• 5.1.3 转子磁路结构与永磁体尺寸的确定
• 5.2 内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机电磁设计程序和算例
• 5.3 内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机样机试验分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢