U型鐵芯單相自起動(dòng)永磁同步電機(jī)的機(jī)理與特性分析.pdf

1、單相永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在家用電器領(lǐng)域中單相永磁同步電機(jī)將逐漸取代單相感應(yīng)電機(jī)，但目前對(duì)單相永磁同步電機(jī)尚缺少系統(tǒng)深入的研究。本課題以一種新型結(jié)構(gòu)的U型鐵芯單相自起動(dòng)永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，從數(shù)學(xué)模型、參數(shù)計(jì)算、動(dòng)態(tài)過(guò)程以及氣隙結(jié)構(gòu)和銅套厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面入手對(duì)該電機(jī)進(jìn)行深入的分析，為U型鐵芯單相永磁同步電機(jī)性能的準(zhǔn)確分析計(jì)算提供了理論依據(jù)。 U型鐵芯單相自起動(dòng)永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型不同于一般同步電

2、機(jī)的數(shù)學(xué)模型。針對(duì)該電機(jī)定子繞組自感與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角無(wú)關(guān)而轉(zhuǎn)子繞組自感及互感為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角函數(shù)的特點(diǎn)，通過(guò)ab旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到aβ靜止坐標(biāo)系的變換，建立了U型鐵芯單相自起動(dòng)永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的數(shù)學(xué)模型。 繞組電感參數(shù)計(jì)算的精度直接影響電機(jī)性能的準(zhǔn)確分析。文中利用等效磁路法和二維渦流場(chǎng)的解析計(jì)算方法，導(dǎo)出了定子繞組電感和轉(zhuǎn)子銅套等效阻抗的解析表達(dá)式，為該類電機(jī)的參數(shù)計(jì)算提供了依據(jù)。利用有限元法揭示了U型鐵芯單相自起動(dòng)永磁同步電機(jī)電感參數(shù)的變

3、化規(guī)律。利用A，-A三維有限元法計(jì)算了銅套內(nèi)的渦流，得到了銅套的等效阻抗。將二維和三維磁場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果相結(jié)合，確定了繞組的端部漏抗。 起動(dòng)問(wèn)題是U型鐵芯單相自起動(dòng)永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，該電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程十分復(fù)雜。為了準(zhǔn)確地分析該電機(jī)的起動(dòng)特性，本文利用時(shí)步有限元法對(duì)電機(jī)在空載、負(fù)載下的起動(dòng)過(guò)程以及電機(jī)負(fù)載突變時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算；作為比較，對(duì)不帶銅套的U型單相永磁同步電機(jī)的空載起動(dòng)過(guò)程也進(jìn)行了計(jì)算，驗(yàn)證了銅套能有

4、效地抑制電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。針對(duì)單相永磁同步電機(jī)所特有的旋轉(zhuǎn)方向問(wèn)題，通過(guò)對(duì)描述電機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程狀態(tài)方程的求解，分析討論了合閘相位角α和轉(zhuǎn)子初始角θ0對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的影響。 不對(duì)稱階梯氣隙的引入和永磁體外側(cè)銅套的采用對(duì)U型鐵芯單相永磁同步電機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)行的穩(wěn)定性起著重要的作用。本文在不同的氣隙結(jié)構(gòu)參數(shù)下利用二維有限元法對(duì)定子電樞磁場(chǎng)、永磁體空載磁場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，得到了氣隙結(jié)構(gòu)參數(shù)改變時(shí)電機(jī)電樞磁場(chǎng)、定位轉(zhuǎn)矩和初始相位角θ0的變化曲線。利用有

5、限元法得到了電機(jī)轉(zhuǎn)速偏離同步轉(zhuǎn)速的百分?jǐn)?shù)、銅套內(nèi)的渦流損耗與銅套厚度的關(guān)系曲線。這些曲線為U型鐵芯單相自起動(dòng)永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 銅套內(nèi)的渦流損耗使轉(zhuǎn)子溫度升高，永磁體的磁化性能隨之改變。為了確定溫升對(duì)永磁體磁化性能的影響，本文建立了U型鐵芯單相自起動(dòng)永磁同步電機(jī)三維溫度場(chǎng)有限元計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，基于流體相似理論確定了散熱系數(shù)，結(jié)合渦流場(chǎng)計(jì)算中損耗的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算了永磁體的平均溫度；進(jìn)一步得到了永磁體的平均溫度與銅套