单相异步起动永磁同步电机绕组优化和参数计算

论文摘要

随着家用电器的增加,迫切需要一种新型的电机来代替各项力能指标较低的单相感应电机,于是单相异步起动永磁同步电机便应运而生了。单相异步起动永磁同步电机秉承了单相感应电机的优点,具有效率高、节能效果显著等优点,是未来单相电机的一个发展方向。单相异步起动永磁同步电动机虽然有较高的功率因数和效率,但是由于电机定子绕组结构的不对称和转子上永磁体的存在使得该种电机的异步起动过程和稳态运行过程都比较复杂,使设计和分析变的更加困难。为此,本文结合有限元对单相异步起动永磁同步电动机的性能进行了分析。针对单相异步起动永磁同步电机内的磁场尤为复杂,不易进行分析的特点。本文运用对称分量法和坐标变换将电机内的椭圆形磁场分解为正负两个圆形的旋转磁场,建立了正序磁场的数学模型,分别对正负两个磁场进行了分析;对单相异步起动永磁同步电机的动、稳态性能进行了分析研究。针对电磁场数值分析不容易掌握设计参数变化和磁路法不易把握磁场规律的缺点,本文提出运用场路耦合法对单相异步起动永磁同步电机进行有限元分析计算,并建立了这种方法的基本框图和离散数学模型。电感是电机设计的一个重要参数,本文运用磁路法、考虑单相绕组磁势计算交直轴电感、考虑两相绕组磁势计算交直轴电感三种方法分别对电感进行了分析计算,并对三种方法计算的结果进行了比较,分析了各自的特点,得出了相应的结论。单相异步起动永磁同步电机绕组结构的设计对能否形成圆形的旋转磁场至关重要,本文在理论分析的基础上,推导了单相异步起动永磁同步电机额定稳态运行时形成圆形磁场的条件,得到了形成圆形磁场时绕组参数选取的计算公式。结合磁路耦合法从绕组匝比、绕组匝数、电容选取三方面对绕组结构进行了优化设计,制作样机并进行了实验,验证了设计的合理性和准确性,提高了电机的效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 单相LSPM的概述
• 1.2.1 单相LSPM的发展
• 1.2.2 单相LSPM的结构简介
• 1.2.3 单相LSPM的研究现状
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 第2章 单相异步起动永磁同步电机的原理及有限元原理分析
• 2.1 引言
• 2.2 单相LSPM结构设计
• 2.3 单相LSPM运行方式
• 2.4 单相LSPM稳态分析
• 2.4.1 正序磁场稳态分析
• 2.4.2 负序磁场稳态分析
• 2.4.3 正负序磁场综合稳态分析
• 2.5 单相LSPM 动态分析
• 2.5.1 异步转矩分析
• 2.5.2 永磁制动转矩分析
• 2.5.3 脉动转矩分析
• 2.6 有限元法
• 2.6.1 电机电磁场基本理论
• 2.6.2 场路耦合法
• 2.6.3 有限元时步法
• 2.7 本章小结
• 第3章 单相异步起动永磁同步电机交直轴电感分析计算
• 3.1 引言
• 3.2 等效磁路法
• 3.3 结合有限元分析交直轴电感
• 3.3.1 静态磁场模型
• 3.3.2 两相绕组自感系数和互感系数
• 3.3.3 单相定子绕组磁势作用的绕组电感分析
• 3.3.4 两相定子绕组磁势作用的绕组电感分析
• 3.3.5 负序磁场电感分析计算
• 3.4 本章小结
• 第4章 单相异步起动永磁同步电机绕组结构优化设计
• 4.1 引言
• 4.2 单相LSPM绕组结构设计
• 4.2.1 单相LSPM绕组形成圆形磁场的条件
• 4.2.2 绕组匝比和电容选择
• 4.2.3 单相LSPM正弦绕组结构设计
• 4.3 单相LSPM绕组结构优化
• 4.3.1 绕组匝比优化
• 4.3.2 运转电容优化
• 4.3.3 绕组匝数优化
• 4.4 有限元计算
• 4.5 本章小结
• 第5章 单相异步起动永磁同步电机实验分析
• 5.1 引言
• 5.2 样机结构
• 5.3 样机实验
• 5.3.1 样机定位力矩测试
• 5.3.2 样机空载实验
• 5.3.3 样机负载特性实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢