【摘要】：永磁同步電機(jī)具有效率高、功率因數(shù)高、功率密度高等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中,永磁同步電機(jī)與其相匹配的控制系統(tǒng)高度耦合。控制系統(tǒng)和永磁同步電機(jī)的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)系統(tǒng)性能、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和過(guò)載能力具有較大的影響,關(guān)系到整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的效率。因此,本文圍繞電機(jī)與控制器的強(qiáng)耦合電磁場(chǎng)、驅(qū)動(dòng)器主控參數(shù)和逆變器故障及電機(jī)相關(guān)物理量對(duì)永磁同步電機(jī)運(yùn)行性能和電磁場(chǎng)及溫度場(chǎng)的影響、電機(jī)熱問(wèn)題等開(kāi)展了研究,主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)針對(duì)控制器對(duì)電機(jī)影響計(jì)算精度不夠準(zhǔn)確的問(wèn)題,建立了電機(jī)與控制器的強(qiáng)耦合二維電磁場(chǎng)計(jì)算模型,研究了兩種典型驅(qū)動(dòng)方式下電機(jī)電磁場(chǎng)的變化。通過(guò)建立三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算模型,對(duì)比分析了兩種典型驅(qū)動(dòng)方式下電機(jī)內(nèi)部溫度的變化規(guī)律,為控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的選擇及電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合的選擇提供參考。本文以變頻器供電下一臺(tái)12.5kW永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象,建立了電機(jī)與控制器的強(qiáng)耦合二維電磁場(chǎng)計(jì)算模型,研究了方波驅(qū)動(dòng)和正弦波驅(qū)動(dòng)下電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)的變化。通過(guò)三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算模型,研究了兩種典型驅(qū)動(dòng)方式下電機(jī)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(dòng),正弦波驅(qū)動(dòng)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(dòng)下永磁同步電機(jī)與控制器實(shí)驗(yàn)平臺(tái),與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值相比,計(jì)算出的電機(jī)相電壓、相電流、定子繞組及機(jī)殼最高溫度誤差分別為4.29%、3.05%、3.84%、3.63%,均在5%以?xún)?nèi),滿足工程計(jì)算精度要求,驗(yàn)證了電機(jī)與控制器的強(qiáng)耦合二維電磁場(chǎng)計(jì)算模型的準(zhǔn)確性,為變頻器供電下電機(jī)電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)及運(yùn)行性能分析提供有效的理論工具。(2)針對(duì)控制器給電機(jī)帶來(lái)的一系列復(fù)雜問(wèn)題,采用數(shù)值方法研究了正弦波驅(qū)動(dòng)下時(shí)間諧波電流、載波比、調(diào)制波頻率、逆變器故障對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響規(guī)律,為驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的優(yōu)化及實(shí)現(xiàn)逆變器的故障檢測(cè)、診斷與容錯(cuò)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(jī)熱傳遞規(guī)律提供了有效途徑。通過(guò)研究基波電流對(duì)轉(zhuǎn)子是否帶有護(hù)套電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響,提出了熱傳導(dǎo)能力比概念,并計(jì)算了不同工況下電機(jī)的熱傳導(dǎo)比,進(jìn)一步推導(dǎo)出熱傳導(dǎo)比與諧波電流、護(hù)套尺寸、護(hù)套電導(dǎo)率及護(hù)套軸向長(zhǎng)度成正比的關(guān)系式。利用建立的正弦波驅(qū)動(dòng)下電機(jī)與控制器的強(qiáng)耦合二維電磁場(chǎng)計(jì)算模型,研究了載波比和調(diào)制波頻率對(duì)電機(jī)的電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響機(jī)理,為了確保電機(jī)和控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全工作,控制器的載波比應(yīng)選擇5Nzb≤80范圍內(nèi)。通過(guò)建立典型三種逆變器故障下電機(jī)與控制器的強(qiáng)耦合二維電磁場(chǎng)計(jì)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(gè)功率管同時(shí)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(jī)電磁場(chǎng)的變化規(guī)律。另外,研究了前兩種故障下永磁同步電機(jī)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(jī)最大工作允許溫度,電機(jī)在很短時(shí)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(dòng)電機(jī)控制試驗(yàn)平臺(tái),試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果高度吻合,驗(yàn)證了所建立的逆變器故障下電機(jī)與控制器的強(qiáng)耦合電磁計(jì)算模型及方法的準(zhǔn)確性。(3)針對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題,建立了電機(jī)相關(guān)物理量與轉(zhuǎn)子護(hù)套渦流損耗之間的關(guān)系式,研究了正弦波驅(qū)動(dòng)下電機(jī)相關(guān)物理量對(duì)電機(jī)溫度的影響機(jī)理。推導(dǎo)了電機(jī)相關(guān)物理量永磁體厚度、護(hù)套厚度、護(hù)套間隔寬度、槽口寬度與轉(zhuǎn)子護(hù)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?duì)電機(jī)運(yùn)行性能、電磁場(chǎng)及溫度場(chǎng)的影響機(jī)理。研究結(jié)果表明:當(dāng)永磁體厚度為1.5mm時(shí),轉(zhuǎn)子最高溫度已超過(guò)電機(jī)最大允許溫度,隨著永磁體厚度增加,電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度呈降低趨勢(shì),且增大到3mm時(shí)電機(jī)溫度的降低程度已達(dá)到飽和;護(hù)套厚度與永磁體溫度呈非線性變化關(guān)系;分段式護(hù)套間隔寬度大于5mm時(shí),電機(jī)損耗和溫度的降低程度已達(dá)到飽和;磁橋高度和槽口寬度的增加會(huì)直接影響到電機(jī)的安全運(yùn)行。(4)針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子高溫問(wèn)題,研究了正弦波驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)子護(hù)套結(jié)構(gòu)及材料對(duì)永磁同步電機(jī)的電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響,推導(dǎo)了護(hù)套軸向分段數(shù)、護(hù)套結(jié)構(gòu)參數(shù)與護(hù)套渦流損耗之間關(guān)系,揭示了轉(zhuǎn)子護(hù)套結(jié)構(gòu)及材料對(duì)轉(zhuǎn)子溫度的影響機(jī)理�；谇袛嘧o(hù)套渦流路徑的思想,提出了直線式及交錯(cuò)式網(wǎng)孔護(hù)套結(jié)構(gòu)、軸向不均勻八分段護(hù)套結(jié)構(gòu)、鼠籠式護(hù)套結(jié)構(gòu),同時(shí)推導(dǎo)了護(hù)套軸向分段數(shù)、護(hù)套結(jié)構(gòu)參數(shù)與護(hù)套渦流損耗之間關(guān)系,并研究了護(hù)套結(jié)構(gòu)及護(hù)套分段數(shù)對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響�；诒乇婵諢嶙韪舻脑�,提出一種新型絕熱筒護(hù)套結(jié)構(gòu),對(duì)比分析了不同護(hù)套結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)渦流損耗和溫度的影響程度。與樣機(jī)轉(zhuǎn)子最高溫度相比,鼠籠式護(hù)套結(jié)構(gòu)、絕熱筒護(hù)套結(jié)構(gòu)、軸向不均勻八分段護(hù)套結(jié)構(gòu)分別降低了11.6%、6.6%、2.1%。直線式和交錯(cuò)式正方形網(wǎng)孔護(hù)套分別類(lèi)似三分段和六分段護(hù)套的作用效果,但網(wǎng)孔式護(hù)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(hù)套結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)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(dāng)碳纖維與不銹鋼的厚度比例為9:1時(shí),轉(zhuǎn)子總渦流損耗及溫度達(dá)到最小值,且與樣機(jī)溫度計(jì)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(duì)防止永磁同步電機(jī)熱退磁具有重要的意義。
【圖文】：

明：與方波驅(qū)動(dòng)方法相比，該驅(qū)動(dòng)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(gè)功率為８２Ｗ的無(wú)刷直流電機(jī)為研究對(duì)象，搭建了測(cè)試電路和轉(zhuǎn)子渦流損逡逑耗模型，對(duì)所提出的方法進(jìn)行驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ逡逑針對(duì)減小分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機(jī)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?jǐn)?shù)槽集中繞組的低次諧波磁場(chǎng)，如文獻(xiàn)［１１３］提出的多相控制方法和文獻(xiàn)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(xiàn)［１１５］提出通過(guò)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(chǎng)穿越定子逡逑軛部。文獻(xiàn)［１１６］在定子軛部設(shè)置隔磁材料，改變交流繞組磁場(chǎng)的諧波成分，減小其逡逑低次諧波的幅值。逡逑文獻(xiàn)［１１７，１１８］從降低轉(zhuǎn)子離心力的角度將永磁同步電機(jī)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(lái)的影響，但會(huì)增加轉(zhuǎn)子渦流損耗。轉(zhuǎn)逡逑子渦流損耗是引起電機(jī)高溫最直接的原因，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者從降低轉(zhuǎn)子渦流損耗逡逑方面達(dá)到降低電機(jī)溫度的目的。浙江大學(xué)周鳳爭(zhēng)從電機(jī)設(shè)計(jì)的角度研宄了定子槽逡逑結(jié)構(gòu)和氣隙長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗方面的影響機(jī)理［１１９］。文獻(xiàn)［１２０］研宄了永磁體逡逑１０逡逑

研究了永磁體不均勻分塊對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證永磁體不逡逑均勻分塊能降低電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗。文獻(xiàn)［１２２］通過(guò)從切斷轉(zhuǎn)子護(hù)蠢表面渦流路徑逡逑的角度提出一種新的護(hù)套結(jié)構(gòu)，，如圖１－３所示，所提出的護(hù)套結(jié)構(gòu)能夠降低轉(zhuǎn)子渦逡逑流損耗，提商電機(jī)效率。逡逑圖１－３護(hù)套形狀逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｈａｐｅ邋ｏｆ邋ｒｅｔａｉｎｉｎｇ邋ｓｌｅｅｖｅ逡逑文獻(xiàn)［１２３］研宄了銅屏蔽護(hù)套對(duì)電機(jī)損耗的影響及護(hù)套軸向分段減小損耗的作逡逑用，對(duì)轉(zhuǎn)子同時(shí)采用銅屏蔽套和護(hù)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(shì)的結(jié)論。文獻(xiàn)［１２４］從電機(jī)設(shè)計(jì)的角度，采用解析計(jì)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(kāi)口大小以及氣隙長(zhǎng)度可降低高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)逡逑子損耗。文獻(xiàn)［１２５，１２６］提出在轉(zhuǎn)子表面開(kāi)槽降低轉(zhuǎn)子渦流損耗，同時(shí)還可以增加散逡逑熱面積，有利于降低轉(zhuǎn)子溫升。文獻(xiàn)［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(xiàn)［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(xiàn)［１２９］提出了一種單層分?jǐn)?shù)槽集中繞組表貼式永磁同步容錯(cuò)電機(jī)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(duì)極永磁逡逑同步電機(jī)為研究對(duì)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(jī)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TM341

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2701913