变磁路可调磁通永磁同步电机的基础研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gusterlyb
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目前电驱动系统广泛使用稀土永磁同步电机作为驱动单元,然而传统稀土永磁同步电机存在永磁磁场调节困难,扩速运行范围受到限制的问题,仍不能很好地满足电动汽车等工况变化频繁、转速范围宽、同时需要高效率运行的应用领域的需求。可调磁通电机通过施加充磁或去磁脉冲磁势改变低矫顽力永磁体的磁化状态,可以实现拓宽电机转速范围、提高效率的目的。组合使用高矫顽力永磁材料与低矫顽力永磁材料的混合永磁可调磁通电机是该类电机的发展方向,可分为永磁体串联型结构和永磁体并联型结构。本文提出了一种变磁路可调磁通永磁同步电机(Alterable-Magnetic-Circuit Variable-Flux PermanentMagnet Synchronous Machine,AMC-VFPMSM),能够解决串联型结构磁场调节范围小、并联型结构转矩输出能力低的问题。本文围绕变磁路可调磁通永磁同步电机的几个关键问题开展研究,主要工作包括以下几个部分:首先,提出了变磁路可调磁通永磁同步电机拓扑结构,建立了该电机的磁滞分析模型与等效磁路模型。阐明了变磁路可调磁通永磁同步电机的调磁原理与变磁路原理;采用建立的磁滞分析模型对低矫顽力永磁材料的非线性磁滞曲线进行了预测,并对预测结果进行了评估与验证;给出了空载时高矫顽力永磁体经过调磁磁障的漏磁通为0需满足的条件。采用有限元法对所提出的拓扑结构与典型的串联型和并联型结构在电机调磁范围、转矩输出能力等方面进行了对比研究,所提出的拓扑结构能够解决串联型结构磁场调节范围小、并联型结构转矩输出能力低的问题。其次,研究了变磁路可调磁通永磁同步电机关键电磁性能的影响因素,建立了该电机的设计方法。推导了变磁路可调磁通永磁同步电机调磁磁动势的解析表达式,得到了电机调磁至指定磁化状态所需的去磁及充磁磁动势。研究了永磁体、转子铁心、定子铁心的关键结构参数,及低矫顽力永磁材料特性对变磁路可调磁通永磁同步电机磁场调节能力、转矩输出能力及抵抗被动退磁能力的影响规律。最终建立了解析方程和有限元方法结合的变磁路可调磁通永磁同步电机设计方法,给出了具有宽永磁磁链调节范围及抵抗被动退磁能力的电机设计方案,并对其主要性能进行了分析。再次,研究了变磁路可调磁通永磁同步电机非均匀磁化现象的特征及影响,提出了非均匀磁化问题的解决方法。研究了电机调磁过程中低矫顽力永磁体可能发生的非均匀磁化现象的种类及特征;分析了电机非均匀磁化现象对空载气隙磁密、空载反电势及电磁转矩的影响。提出了变磁路可调磁通永磁同步电机所需调磁时间最短且不受调磁初始位置限制的均匀调磁方法;给出了各类极槽配合电机所需的最小均匀调磁时间。提出了变磁路可调磁通永磁同步电机调磁效果的评价标准,并以此为依据得到最佳绕组排布方式。然后,对变磁路可调磁通永磁同步电机的电感参数变化规律与运行特性进行了研究。分析了电机电感参数随磁化状态的变化规律,并对由此引起的电机电磁转矩、最大转矩电流角、磁阻转矩占比的变化规律进行了研究。建立了变磁路可调磁通永磁同步电机分区高效宽速域运行控制原理;在此控制原理下,研究了电机的可运行区间、损耗和效率随磁化状态的变化规律。建立了变磁路可调磁通永磁同步电机温度场计算模型,给出了定子槽内绕组及气隙的等效建模方法;对电机的温升分布规律及电机采用不同磁化状态运行对温升的影响进行了研究。最后,制造了变磁路可调磁通永磁同步电机样机,搭建了调磁性能测试平台和运行性能测试平台,并对样机性能进行了测试与分析。通过测试样机的充磁及去磁特性,不同磁化状态下电感参数、空载反电势、输出转矩特性、扩速能力和效率特性,验证了理论研究和仿真分析的正确性。实验证明,电机的永磁磁链和空载反电势可在较大的范围内反复调节;电机具有抵抗被动退磁的能力;通过改变磁化状态,电机具有拓宽转速范围、提升效率的能力。
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