【摘要】：永磁同步電機具有效率高、功率因數(shù)高、功率密度高等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用。在實際應(yīng)用中,永磁同步電機與其相匹配的控制系統(tǒng)高度耦合�？刂葡到y(tǒng)和永磁同步電機的準確計算對系統(tǒng)性能、動態(tài)響應(yīng)能力和過載能力具有較大的影響,關(guān)系到整個電機控制系統(tǒng)的效率。因此,本文圍繞電機與控制器的強耦合電磁場、驅(qū)動器主控參數(shù)和逆變器故障及電機相關(guān)物理量對永磁同步電機運行性能和電磁場及溫度場的影響、電機熱問題等開展了研究,主要研究內(nèi)容如下:(1)針對控制器對電機影響計算精度不夠準確的問題,建立了電機與控制器的強耦合二維電磁場計算模型,研究了兩種典型驅(qū)動方式下電機電磁場的變化。通過建立三維穩(wěn)態(tài)溫度場計算模型,對比分析了兩種典型驅(qū)動方式下電機內(nèi)部溫度的變化規(guī)律,為控制系統(tǒng)驅(qū)動方式的選擇及電機應(yīng)用場合的選擇提供參考。本文以變頻器供電下一臺12.5kW永磁同步電機為研究對象,建立了電機與控制器的強耦合二維電磁場計算模型,研究了方波驅(qū)動和正弦波驅(qū)動下電機內(nèi)電磁場的變化。通過三維穩(wěn)態(tài)溫度場計算模型,研究了兩種典型驅(qū)動方式下電機溫度的變化規(guī)律,研究結(jié)果表明:在相同的冷卻條件下,相比方波驅(qū)動,正弦波驅(qū)動下定子繞組和永磁體最高溫度分別降低了 7.1%和9.1%。最后,搭建了正弦波驅(qū)動下永磁同步電機與控制器實驗平臺,與實驗測量值相比,計算出的電機相電壓、相電流、定子繞組及機殼最高溫度誤差分別為4.29%、3.05%、3.84%、3.63%,均在5%以內(nèi),滿足工程計算精度要求,驗證了電機與控制器的強耦合二維電磁場計算模型的準確性,為變頻器供電下電機電磁場、溫度場及運行性能分析提供有效的理論工具。(2)針對控制器給電機帶來的一系列復(fù)雜問題,采用數(shù)值方法研究了正弦波驅(qū)動下時間諧波電流、載波比、調(diào)制波頻率、逆變器故障對電機電磁場和溫度場的影響規(guī)律,為驅(qū)動器參數(shù)的優(yōu)化及實現(xiàn)逆變器的故障檢測、診斷與容錯提供有效理論指導(dǎo)。提出了熱傳導(dǎo)能力比概念,為分析電機熱傳遞規(guī)律提供了有效途徑。通過研究基波電流對轉(zhuǎn)子是否帶有護套電機內(nèi)電磁場和溫度場的影響,提出了熱傳導(dǎo)能力比概念,并計算了不同工況下電機的熱傳導(dǎo)比,進一步推導(dǎo)出熱傳導(dǎo)比與諧波電流、護套尺寸、護套電導(dǎo)率及護套軸向長度成正比的關(guān)系式。利用建立的正弦波驅(qū)動下電機與控制器的強耦合二維電磁場計算模型,研究了載波比和調(diào)制波頻率對電機的電磁場和溫度場的影響機理,為了確保電機和控制系統(tǒng)能夠長期安全工作,控制器的載波比應(yīng)選擇5Nzb≤80范圍內(nèi)。通過建立典型三種逆變器故障下電機與控制器的強耦合二維電磁場計算模型,研究了逆變器第一橋臂上功率管發(fā)生斷路故障、兩個功率管同時發(fā)生斷路故障及上功率管發(fā)生短路故障下永磁同步電機電磁場的變化規(guī)律。另外,研究了前兩種故障下永磁同步電機溫度的分布規(guī)律,研究結(jié)果表明在這兩種故障下轉(zhuǎn)子溫度已高于電機最大工作允許溫度,電機在很短時間內(nèi)被燒壞。最后搭建了逆變器健康和前兩種故障下正弦波驅(qū)動電機控制試驗平臺,試驗測量結(jié)果與計算結(jié)果高度吻合,驗證了所建立的逆變器故障下電機與控制器的強耦合電磁計算模型及方法的準確性。(3)針對電機定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計問題,建立了電機相關(guān)物理量與轉(zhuǎn)子護套渦流損耗之間的關(guān)系式,研究了正弦波驅(qū)動下電機相關(guān)物理量對電機溫度的影響機理。推導(dǎo)了電機相關(guān)物理量永磁體厚度、護套厚度、護套間隔寬度、槽口寬度與轉(zhuǎn)子護套渦流損耗之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式,且研究了這些物理量及磁橋?qū)挾群透叨葘﹄姍C運行性能、電磁場及溫度場的影響機理。研究結(jié)果表明:當永磁體厚度為1.5mm時,轉(zhuǎn)子最高溫度已超過電機最大允許溫度,隨著永磁體厚度增加,電機轉(zhuǎn)子溫度呈降低趨勢,且增大到3mm時電機溫度的降低程度已達到飽和;護套厚度與永磁體溫度呈非線性變化關(guān)系;分段式護套間隔寬度大于5mm時,電機損耗和溫度的降低程度已達到飽和;磁橋高度和槽口寬度的增加會直接影響到電機的安全運行。(4)針對電機轉(zhuǎn)子高溫問題,研究了正弦波驅(qū)動下轉(zhuǎn)子護套結(jié)構(gòu)及材料對永磁同步電機的電磁場和溫度場的影響,推導(dǎo)了護套軸向分段數(shù)、護套結(jié)構(gòu)參數(shù)與護套渦流損耗之間關(guān)系,揭示了轉(zhuǎn)子護套結(jié)構(gòu)及材料對轉(zhuǎn)子溫度的影響機理�；谇袛嘧o套渦流路徑的思想,提出了直線式及交錯式網(wǎng)孔護套結(jié)構(gòu)、軸向不均勻八分段護套結(jié)構(gòu)、鼠籠式護套結(jié)構(gòu),同時推導(dǎo)了護套軸向分段數(shù)、護套結(jié)構(gòu)參數(shù)與護套渦流損耗之間關(guān)系,并研究了護套結(jié)構(gòu)及護套分段數(shù)對電機電磁場和溫度場的影響。基于保溫杯真空熱阻隔的原理,提出一種新型絕熱筒護套結(jié)構(gòu),對比分析了不同護套結(jié)構(gòu)對電機渦流損耗和溫度的影響程度。與樣機轉(zhuǎn)子最高溫度相比,鼠籠式護套結(jié)構(gòu)、絕熱筒護套結(jié)構(gòu)、軸向不均勻八分段護套結(jié)構(gòu)分別降低了11.6%、6.6%、2.1%。直線式和交錯式正方形網(wǎng)孔護套分別類似三分段和六分段護套的作用效果,但網(wǎng)孔式護套更有利于節(jié)省材料。此外,研究了軸-徑向多種復(fù)合材料護套結(jié)構(gòu)對電機內(nèi)電磁場和溫度場的影響規(guī)律,研究結(jié)果表明:不管碳纖維位于不銹鋼內(nèi)或外表面,當碳纖維與不銹鋼的厚度比例為9:1時,轉(zhuǎn)子總渦流損耗及溫度達到最小值,且與樣機溫度計算結(jié)果相比,永磁體最高溫度分別降低了 3.1%和4%;提出抑制永磁體局部最高溫度方法后,永磁體最高溫度降低了 8.6%,對防止永磁同步電機熱退磁具有重要的意義。
【圖文】：

明：與方波驅(qū)動方法相比，該驅(qū)動方法能使轉(zhuǎn)子渦流損耗以及繞組銅耗明顯減小，逡逑并以一個功率為８２Ｗ的無刷直流電機為研究對象，搭建了測試電路和轉(zhuǎn)子渦流損逡逑耗模型，對所提出的方法進行驗證，如圖１－２所示。逡逑ｂｌｄｃｍ邐／７；？ｇＳ邋＾逡逑＇邋ｉｒ邋ｉ邋／１逡逑功率分析儀逡逑圖１－２實驗裝置逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ逡逑針對減小分數(shù)槽集中繞組電機轉(zhuǎn)子損耗己經(jīng)提出了若干種方法，可以大大削弱逡逑單層分數(shù)槽集中繞組的低次諧波磁場，如文獻［１１３］提出的多相控制方法和文獻逡逑［１１４］提出的多層繞組。在不改變單層集中繞組結(jié)構(gòu)的前提下，文獻［１１５］提出通過逡逑在定子電樞齒中軸線上放置不導(dǎo)磁材料可以有效阻隔低次諧波電樞磁場穿越定子逡逑軛部。文獻［１１６］在定子軛部設(shè)置隔磁材料，改變交流繞組磁場的諧波成分，減小其逡逑低次諧波的幅值。逡逑文獻［１１７，１１８］從降低轉(zhuǎn)子離心力的角度將永磁同步電機的轉(zhuǎn)子永磁體安置在空逡逑心軸上，這種結(jié)構(gòu)雖然消除了轉(zhuǎn)子離心力帶來的影響，但會增加轉(zhuǎn)子渦流損耗。轉(zhuǎn)逡逑子渦流損耗是引起電機高溫最直接的原因，國內(nèi)外很多學(xué)者從降低轉(zhuǎn)子渦流損耗逡逑方面達到降低電機溫度的目的。浙江大學(xué)周鳳爭從電機設(shè)計的角度研宄了定子槽逡逑結(jié)構(gòu)和氣隙長度對電機轉(zhuǎn)子渦流損耗方面的影響機理［１１９］。文獻［１２０］研宄了永磁體逡逑１０逡逑

研究了永磁體不均勻分塊對電機轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響，并通過實驗驗證永磁體不逡逑均勻分塊能降低電機轉(zhuǎn)子渦流損耗。文獻［１２２］通過從切斷轉(zhuǎn)子護蠢表面渦流路徑逡逑的角度提出一種新的護套結(jié)構(gòu)，，如圖１－３所示，所提出的護套結(jié)構(gòu)能夠降低轉(zhuǎn)子渦逡逑流損耗，提商電機效率。逡逑圖１－３護套形狀逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｈａｐｅ邋ｏｆ邋ｒｅｔａｉｎｉｎｇ邋ｓｌｅｅｖｅ逡逑文獻［１２３］研宄了銅屏蔽護套對電機損耗的影響及護套軸向分段減小損耗的作逡逑用，對轉(zhuǎn)子同時采用銅屏蔽套和護套軸向分段這兩種方法發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子渦流損耗呈增逡逑加趨勢的結(jié)論。文獻［１２４］從電機設(shè)計的角度，采用解析計算和有限元仿真的方法逡逑研宄了優(yōu)化定子結(jié)構(gòu)、槽開口大小以及氣隙長度可降低高速永磁無刷直流電機轉(zhuǎn)逡逑子損耗。文獻［１２５，１２６］提出在轉(zhuǎn)子表面開槽降低轉(zhuǎn)子渦流損耗，同時還可以增加散逡逑熱面積，有利于降低轉(zhuǎn)子溫升。文獻［１２７］提出改變轉(zhuǎn)子上永磁體的位置方法降低逡逑轉(zhuǎn)子渦流損耗。文獻［１２８］提出在轉(zhuǎn)子中沿ｄ軸方向安裝阻磁片方法降低轉(zhuǎn)子渦流逡逑損耗。文獻［１２９］提出了一種單層分數(shù)槽集中繞組表貼式永磁同步容錯電機的轉(zhuǎn)子逡逑模塊化結(jié)構(gòu)，分析了轉(zhuǎn)子模塊化結(jié)構(gòu)減小轉(zhuǎn)子損耗的原理，并以１２槽５對極永磁逡逑同步電機為研究對象，研究結(jié)果表明采用轉(zhuǎn)子模塊化結(jié)構(gòu)后永磁同步電機轉(zhuǎn)子損逡逑耗降低了大約３６％
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM341

【參考文獻】

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本文編號：2701913