變極永磁同步電動機研究.pdf

1、目前，變極調(diào)速技術在感應電動機中應用廣泛，只需改變定子繞組的極數(shù)即可改變電機轉(zhuǎn)速，但功率因數(shù)較低。普通永磁同步電動機具有高效、高功率因數(shù)和經(jīng)濟運行范圍寬的特點，但為防止出現(xiàn)不可逆去磁，永磁體用量較多，導致電機成本較高，并且永磁磁極的極性難以改變，電機在制成之后極數(shù)是固定的，不能實現(xiàn)變極。若能將二者的優(yōu)點相結合，開發(fā)變極永磁同步電動機，具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。 2001年德國的Vlado Ostovic率先提出了變極永磁同步

2、電動機，并進行了相關研究，設計制造了一臺樣機并進行了試驗研究。Vlado Ostovic的樣機定子繞組與變極感應電動機相同，轉(zhuǎn)子采用切向充磁的鋁鎳鈷永磁和軟鐵相互疊加而成的“Sandwich”結構，變極時以定子繞組為充磁繞組。試驗表明：該電機能夠?qū)崿F(xiàn)變極，且效率高于同功率等級的感應電動機。但其研究只是驗證了變極永磁同步電動機的可行性，缺乏系統(tǒng)深入的研究，并且采用的轉(zhuǎn)子結構復雜，加工困難，結構強度低，充磁時充磁繞組與轉(zhuǎn)子相對位置對充磁結果

3、有較大影響，作者推導了變極充磁電流和變極后每極磁通與電機結構參數(shù)和永磁體性能的關系，推導變極充磁電流時忽略了鐵心磁壓降，推導每極磁通時假設充磁后永磁體都被飽和切向磁化了，與永磁體的實際磁化狀態(tài)有較大誤差，沒有給出永磁體充磁后磁化狀態(tài)的確定方法。 本課題針對上述不足進行了進一步的研究，主要研究內(nèi)容如下： 1．提出了變極永磁同步電動機的表面式轉(zhuǎn)子結構，采用環(huán)形永磁體。VladoOstovic樣機采用的“Sandwich”轉(zhuǎn)子

4、結構復雜，加工困難，結構強度較低，充磁時充磁繞組與轉(zhuǎn)子相對位置對充磁結果有較大影響。為此，本文提出了表面式轉(zhuǎn)子結構，采用環(huán)形永磁體。表面式轉(zhuǎn)子結構在永磁直流電機、無刷直流電機和表面式永磁同步電動機中得到了廣泛的應用，生產(chǎn)和加工工藝已經(jīng)非常成熟，具有結構簡單可靠、機械強度高、充磁與定轉(zhuǎn)子相對位置無關等優(yōu)點，能夠保證電機運行的可靠性，降低了成本。 2．研究了變極充磁時永磁體磁化狀態(tài)確定方法。Vlado Ostovic推導了變極充磁電

5、流和變極后每極磁通與電機結構參數(shù)和永磁體性能的關系，推導變極充磁電流時時忽略了充磁過程中的鐵心磁壓降，推導每極磁通時假設充磁后永磁體都被飽和切向磁化了，與實際情況有較大誤差，沒有給出永磁體充磁后磁化狀態(tài)的確定方法。由于變極永磁同步電動機以定子繞組為充磁繞組，充磁磁場比較復雜，本文建立了永磁體的初始磁化模型和重新磁化模型，引入飽和系數(shù)，解析法計算了考慮鐵心飽和時的充磁磁場強度，將兩者相結合得到了考慮永磁體原磁化狀態(tài)的永磁體磁化狀態(tài)確定方法

6、和飽和充磁電流確定方法。 3．研究了變極永磁同步電動機的性能計算方法。由于變極永磁同步電動機中永磁體的磁化狀態(tài)由充磁決定，磁化狀態(tài)比較復雜，以往氣隙磁密的計算方法不再適用，本文采用有限元法計算得到了氣隙磁密，據(jù)此得到了空載反電動勢，其他計算步驟與普通永磁同步電動機相同。研究了提高永磁同步電動機效率和功率因數(shù)、擴大經(jīng)濟運行范圍的技術措施，研究表明保持空載反電動勢小于并接近于外加電壓，可以獲得接近于1的功率因數(shù)，空載反電動勢滿足這

7、一要求還可使永磁同步電動機在不同的負載下效率最高，獲得較寬廣的經(jīng)濟運行范圍。 4．對永磁電機的共性問題一一齒槽轉(zhuǎn)矩進行了研究，主要工作包括： (1)基于能量法得到了表面式永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩的解析表達式，該表達式體現(xiàn)了電機結構參數(shù)對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，為齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法研究提供了依據(jù)。 (2)分析了永磁體極弧系數(shù)對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響?，F(xiàn)有的極弧系數(shù)確定方法得到的都是近似值，很難在實際中應用。本文分析了平行充磁永磁直流電機極弧

8、系數(shù)對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，得到了極弧系數(shù)的確定方法。 (3)分析了不等槽口寬配合削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法。改進了Sang-Moon Hwang提出的Teeth Pairing法，得到了槽口寬度計算方法和該方法的適用范圍。 (4)分析了磁極偏移削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法?，F(xiàn)有關于磁極偏移削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的文獻都是基于削弱永磁體對稱時存在的齒槽轉(zhuǎn)矩諧波，但是磁極偏移后會引進新的齒槽轉(zhuǎn)矩諧波，本文得到了削弱永磁體對稱時存在的和磁極偏移后引進諧波的磁

9、極偏移角度計算方法。 (5)分析了永磁體極弧系數(shù)組合削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法，得到了相鄰永磁體極弧系數(shù)的計算方法。 (6)分析了不等厚永磁磁極削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法。研究表明：隨著偏心距的增大，有些極數(shù)和槽數(shù)組合的永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩會減小，但是也有些情況下會增大。 (7)研究了定子齒開輔助槽削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法?，F(xiàn)有文獻得到的輔助槽數(shù)確定方法對于每極整數(shù)槽的情況不適用，本文將輔助槽法和永磁體極弧系數(shù)選擇相結合，得到了輔助槽數(shù)確