高速電機具有功率密度高、效率高、體積小等優(yōu)點,在很多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。然而,在某些特殊的應(yīng)用場合要求電機在短時間內(nèi)輸出極限功率,這類電機在設(shè)計方法和思路上與傳統(tǒng)的電機不同,在損耗、溫升方面也與普通高速電機有著明顯的差異。本課題以兩臺泵用電機作為研究背景,研究輕質(zhì)化、高速、大功率永磁同步電機的關(guān)鍵技術(shù)。首先,本文研究了電機的負載運行矢量圖,分析永磁同步電機極限功率無法提高的原因,研究限制電機極限輸出功率的主要因素;基于課題應(yīng)用需求,完成了高速永磁同步電機極限輸出功率的計算,并得到極限輸出功率狀態(tài)下的電機設(shè)計方法;建立電機全尺寸參數(shù)化模型,分析電機主要參數(shù)對功率密度的影響,最終得出了電機的設(shè)計方案,利用有限元仿真軟件對其進行驗證。其次,針對驅(qū)動器中PWM變流裝置產(chǎn)生的高頻時間諧波,研究其對電機電磁、損耗及溫升的影響規(guī)律,并著重對各部分損耗進行分析。對于銅損,針對高頻諧波引起的集膚效應(yīng),研究其對電機相電阻的影響;對于鐵損,引入諧波系數(shù)對傳統(tǒng)的Bertotti公式進行了修正,可以快速計算考慮時間諧波下的電機鐵損;對于轉(zhuǎn)子渦流損耗,建立電機直角坐標(biāo)系下的計算模型,計算考慮時間、空間諧波下的... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省211工程院校985工程院校

【文章頁數(shù)】：76 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

電機高溫

標(biāo)，近年來高速、高功率密度電機已經(jīng)成為了研究熱點。日本北海道大學(xué)的YuFu和MasatsuguTakemoto等人設(shè)計出一臺轉(zhuǎn)速為60000rpm的無軸承高速電機[17]。為降低電機的轉(zhuǎn)子損耗，氣隙長度設(shè)計為6mm，氣隙磁密為0.8T。該電機的驅(qū)動器使用了3kHz的開關(guān)頻率，同時在額定輸入電密6A/mm2的情況下輸出功率約為50kW，體積功率密度達到了15kW/L，同時效率可以保持在96%以上。韓國的三星公司設(shè)計的高速電機如圖8所示[18]。傳統(tǒng)的高速電機大多數(shù)采用表貼式結(jié)構(gòu)，而該電機為了省去掉護套結(jié)構(gòu)以及節(jié)約磁鋼用量，采用了多層內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，如圖1-5所示。相比表貼式結(jié)構(gòu)，在不影響其他性能的情況下該電機約節(jié)約了53%的磁鋼用量，此外還減少了永磁體渦流損耗。電機額定轉(zhuǎn)速40000rpm，母線電壓240V，采用2極18槽結(jié)構(gòu)。由于轉(zhuǎn)子損耗較小，氣隙長度可以適當(dāng)減小以提升磁負荷，最終該電機氣隙長度為2mm，額定輸出功率8kW。圖1-5多層內(nèi)置式高速電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)英國諾丁漢大學(xué)的AhmedAl-Timimy等人設(shè)計出一臺使用分數(shù)槽的高速高功率密度永磁同步電機[19]。該電機采用8極9槽結(jié)構(gòu)，為達到最大轉(zhuǎn)速，在電機超過8700rpm時使用了弱磁控制，而在最大轉(zhuǎn)速點電機效率不高，為86.5%。在最高轉(zhuǎn)速19000rpm時最高輸出轉(zhuǎn)矩可達5Nm，整機質(zhì)量不超過2.5kg，峰值功率密度超過了4kW/kg。國內(nèi)方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的曹海川等人研制出了一臺電感集成式高速無槽電機如圖1-6所示[20,21]。該電機的轉(zhuǎn)子部分由采用一種新型雙層Halbach陣列結(jié)構(gòu)，如圖1-6(a)所示，2對磁極每個磁極分兩段，采用平行充磁，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于加工等優(yōu)點，適用于高速電機。定子部分采用了環(huán)形繞組，使用

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-5-固定在定子內(nèi)壁上的骨架對內(nèi)層繞組進行隔離。這種新型高速無槽電機可以有效抑制永磁體部分的溫升，適用于高功率密度場合。a)雙層Halbach陣列轉(zhuǎn)子b)環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)圖1-6電感集成式高速無槽永磁電機沈陽工業(yè)大學(xué)的FenggeZhang等人提出一臺100kW、50000rpm高速永磁同步電機的設(shè)計方案[22]。電機采用2極36槽結(jié)構(gòu)，最大功率密度可達3.3kW/kg，并對電機的結(jié)構(gòu)強度、轉(zhuǎn)子應(yīng)力等問題進行了研究和驗證。文獻[23]中對比了高速電機常用的2極結(jié)構(gòu)中三種不同的充磁方式，如圖1-7。采用平行充磁氣隙磁密正弦度最好，且基波幅值最大。采用徑向充磁時，空載磁密波形接近方波，基波幅值最校而Halbach充磁雖然氣隙磁密峰值最大，且波形接近正弦波，但在槽開口處畸變較大，基波幅值略小于平行充磁。(a)平行充磁(b)徑向充磁(c)Halbach充磁圖1-72極電機不同充磁方式1.2.4高速電機損耗、溫度場計算研究現(xiàn)狀高速電機雖然有著較高的功率密度，但其較高的主頻率也會帶來很多損耗、溫升方面的問題。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，PWM技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于電機驅(qū)動系統(tǒng)中，而PWM變流器不可避免地在電機相電流中輸入一定量的高次時間諧波，這些諧波的幅值、頻率與電機相電流基波以及調(diào)制比有關(guān)。對于本課題所研究的高速大功率電機來說，由于相電流的幅值、頻率較高，時間諧波的幅值、頻率也會較高，這會在實際運行中很大程度地提高電機的損耗、溫升，給電機的安全性、穩(wěn)定性帶來負面影響。因此，盡可能精確計算高速電機的損耗和溫升是具有十分重要意義的，國內(nèi)外研究者針對高速電機損耗、溫度場的計算在不同方面展開了研究。

【參考文獻】：
期刊論文
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碩士論文
[1]永磁同步電機高溫環(huán)境下性能及溫升特性研究[D]. 孫曌續(xù).哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2017
[2]關(guān)節(jié)電機過載溫度場及線性傳感磁場優(yōu)化的研究[D]. 陳影.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2010



本文編號：3624655