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高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗研究(可编辑).doc

高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗研究(可编辑)

就在一念之间失去你
2017-09-20 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗研究(可编辑)doc》,可适用于高等教育领域

高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗研究(可编辑)高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗研究浙江大学电气工程学院博士学位论文高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗的研究姓名:周凤争:博士申请学位级别专业:电机与电器指导教师:林瑞光沈建新摘要高速电机由于转速高、体积小、功率密度高,在涡轮发电机、涡轮增压器、高速加工中心、飞轮储能、电动工具、空气压缩机、分子泵等许多领域得到了广泛的应用。永磁无刷直流电机由于效率高、气隙大、转子结构简单,因此特别适合高速运行。高速永磁无刷直流电机是目前国内外研究的热点,其主要问题在于:转子机械强度和转子动力学转子损耗和温升。本文针对高速永磁无刷直流电机主要问题之一的转子涡流损耗进行了深入分析。转子涡流损耗是由定子电流的时间和空间谐波以及定子槽开口引起的气隙磁导变化所产生的。首先通过优化定子结构、槽开口和气隙长度的大小来降低电流空间谐波和气隙磁导变化所产生的转子涡流损耗通过合理地增加绕组电感以及采用铜屏蔽环的方法来减小电流时间谐波引起的转子涡流损耗。其次对转子充磁方式和转子动力学进行了分析。最后制作了高速永磁无刷直流电机样机和控制系统,进行了空载和负载实验研究。论文主要工作包括:一、采用解析计算和有限元仿真的方法研究了不同的定子结构、槽开口大小、以及气隙长度对高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗的影响。对于极槽集中绕组、极槽分布叠绕组和极槽集中绕组的三台电机的定子结构进行了对比,利用傅里叶变换,得到了分布于定子槽开口处的等效电流片的空间谐波分量,然后采用计及转子集肤深度和涡流磁场影响的解析模型计算了转子涡流损耗,通过有限元仿真对解析计算结果加以验证。结果表明:槽集中绕组结构的电机中含有次、次等偶数次空间谐波分量,该谐波分量在转子中产生大量的涡流损耗。采用有限元仿真的方法研究了槽开口和气隙长度对转子涡流损耗的影响,在空载和负载状态下的研究结果均表明:随着槽开口的增加或者气隙长度的减小,转子损耗随之增加。因此从减小高速永磁无刷电机转子涡流损耗的角度考虑,极槽的定子结构优于极槽结构。二、高速永磁无刷直流电机额定运行时的电流波形中含有大量的时间谐波分量,其中次和次时间谐波分量合成的电枢磁场以倍转子角速度相对转子旋转,次和次时间谐波分量合成的电枢磁场以倍转子角速度相对转子旋转,这些谐波分量与转子异步,在转子保护环、永磁体和转轴中产生大量的涡流损耗,是转子涡流损耗的主要部分。首先研究了永磁体分块对转子涡流损耗的影响,分析表明:永磁体的分块数和透入深度有关,对于本文设计的高速永磁无刷直流电机,当永磁体分块数大于时,永磁体分块才能有效地减小永磁体中的涡流损耗反之,永磁体分块会使永磁体中的涡流损耗增加。为了提高转子的机械强度,在永磁体表面通常包裹一层高强度的非磁性材料如钛合金或者碳素纤维等。分析了不同电导率的包裹材料对转子涡流损耗的影响。然后利用涡流磁场的屏蔽作用,在转子保护环和永磁体之间增加一层电导率高的铜环。有限元分析表明:尽管铜环中会产生涡流损耗,但正是由于铜环良好的导电性,其产生的涡流磁场抵消了气隙磁场的谐波分量,使永磁体、转轴以及保护环中的损耗显著下降,整体上降低了转子涡流损耗。分析了不同的铜环厚度对转子涡流损耗的影响,研究表明转子各部分的涡流损耗随着铜屏蔽环厚度的增加而减小,当铜环的厚度达到次时间谐波的透入深度时,转子损耗减最小。三、对于给定的电机尺寸,设计了两台电感值不同的高速永磁无刷直流电机,通过研究表明:电感越大,电流变化越平缓,电流的谐波分量越低,转子涡流损耗越小,因此通过合理地增加绕组电感能有效的降低转子涡流损耗。四、研究了高速永磁无刷直流电机的电磁设计和转子动力学问题。对比分析了平行充磁和径向充磁对高速永磁无刷直流电机性能的影响,结果表明:平行充磁优于径向充磁。设计并制作了两种不同结构的转子:单端式轴承支撑结构和两端式轴承支撑结构。对两种结构进行了转子动力学分析,实验研究表明:由于转子设计不合理,单端式轴承支撑结构的转子转速达到,以上时,保护环和定子齿部发生了摩擦,破坏了转子动平衡,导致电机运行失败,而两端式轴承支撑结构的转子成功运行到,以上。五、最后制作了平行充磁的高速永磁无刷直流电机样机和控制系统,进行了空载和负载实验研究。对比研究了电流调制和铜屏蔽环对转子损耗的影响,研究表明:铜屏蔽环能有效的降低转子涡流损耗,使转子损耗减不加铜屏蔽环时的斩波控制会引入高频电流谐波分量,使得转子涡流损耗增加。通过计算绕组反电势系数的方法,得到了不同控制方式下带铜屏蔽环和不带铜屏蔽环转子永磁体温度。采用简化的暂态温度场有限元模型分析了转子温升,有限元分析和实验计算结果基本吻合,验证了铜屏蔽环的有效性。关键词:高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗空间谐波时间谐波定子结构槽开口气隙长度永磁体分块铜屏蔽环平行充磁转子动力学电流调制,,,,,曲,,,,:,,,,,,一,、衍,,,,,,,,:,,,,,,,,,,独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签字日期:彩年‖月多日学位论文作者签名:同畸学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿态鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书学位论文作者签名:导师签名:稼磷乞同学签字日期:町年么月‘日签字日期:血年‘月石日学位论文作者毕业后去向:工作单位:电话:通讯地址:邮编:浙江大学博士学位论文第一章绪论:本章阐述了高速电机的发展概况概述了国内外相关研究的现状分析摘要了本课题的选题背景和意义最后介绍了本文后续各章的主要内容高速电机概况众所周知,电机是工业生产和人民生活中极为重要的动力设备。随着科技发展和生产需要,高速电机被广泛应用在很多领域,如涡轮增压器、空气压缩机、泵电机、分子离心机、电动工具、飞轮储能装置、分布式涡轮发电机、高速磨床等。高速电机的定义本身不是非常明确的。对于大功率数百千瓦或兆瓦级电机而言,每分钟数万转已是高速了,但是对于中小功率千瓦级电机而言,高速通常指每分钟万转以上【。工业生产中,高速旋转的机械装置通常由低速电机经过齿轮变速得到的,如果采用高速电机直接驱动,整个传动系统的体积和质量都会减小,系统的效率和可靠性也会相应的提高。和相同功率的中低速电机相比,高速电机具有如下优点:功率密度高,体积小。高速电机的发展高速电机按工作原理可以分为直流高速电机和交流高速电机。直流高速电机结构复杂、体积较大,而且依靠电刷和换向器改变电枢绕组的电流方向,转速过高时会产生换向火花,使换向恶化,电刷和换向器磨损加剧,甚至不能正常工作。因此通常直流电机的最高转速在,左右。微型直流电机的转速可达,,。交流高速电机分为异步电机、开关磁阻电机和永磁电机三种。、、高速异步电机的研究概况鼠笼异步电机由于技术成熟,加工制造成本低,被广泛应用于工业生产中。转子为鼠笼结构,结构简单,能在高温和高速的条件下长期运行,具有良好的起动性能而且不需要经常维护,所以鼠笼异步电机也备受高速领域的青睐,如电动工具,涡轮分子泵,风扇和压缩机等,如图所示,高速异步电机的另外一个优点是它不需要位置传感器,可工作于开环状态下。同时它也具有如下缺点:转子采用硅第一章绪论钢片结构,难以保证高速旋转工况的机械要求。高速感应电机的转矩是通过转差产生的,而转差与转子电流和转子损耗密切相关,在高速运行时,转子损耗严重,导致高速异步电机的效率很低,长时间运行时转子温度很高从而影响转子的机械强度。异步电机为了产生正弦气隙磁场,定子绕组通常采用分布绕组形式。绕组端,从而增加转子的轴向长度降低了转轴的临界转速吼文献【【】研究了部很长实心转子高速异步电机,虽然实心转子结构增加了转子的机械强度和刚度,但是增加了转子铁耗。,二而‘而方、然勰竺:之兰型多高速鼠笼异步电机带铜导电层的实心转子高速异步电机图高速异步电机甏,、”蠹~~、、、幻定子实物图三种结构的转子实物图图、高速异步电机实物图文献】研究了如图所示的带铜导电层的实心转子异步电机。文献测试了、,鼠笼叠片转子异步电机和鼠笼实心转子异步电机,如图曲和所示,分别为、,高速异步电机定子和转子实物图。通过和带铜导电层的实心转子异步电机对比,证明鼠笼叠片转子异步电机的电磁性能优于鼠笼实心转子异步电机和带铜导电层的实心转子异步电机。如图所示,从左到右分浙江大学博士学位论文别为鼠笼实心转子、带铜导电层的实心转子、鼠笼叠片转子实物图。由于机械强度不同,三种转子结构的异步电机适合的场合不同:功率比较大几十千瓦、转速几万转每分钟的应用场合,鼠笼叠片转子异步电机是很好的选择在超高速、小功率的场合,带导电层实心转子异步电机会更适合鼠笼实心转子异步电机的应用场合介于两者之间。目前高速感应电机在主轴和压缩机等领域占主要地位,公司已经研制出、,的高速感应电机】。、高速永磁电机的研究概况上世纪八十年代初,日本住友与美国通用分别成功研制出高性能稀土永磁材料钕铁硼,随着钕铁硼的生产加工技术日趋完善,稀土永磁材料的磁能积、热稳定性以及耐腐蚀等性能进一步提高,价格也不断降低,永磁电机随之得到了广泛的发展和应用。由于气隙磁场是由永磁体激磁产生的,因此永磁电机的效率和功率因数都很高,此外转轴可以采用实心转子结构,增加了转子的机械强度。永磁电机的绕组可以采用集中绕组结构,绕组端部很短,进一步减小了转轴的轴向长度,有利于提高转子的临界转速。此外永磁电机对气隙的要求并不高,在高速电机中,当电磁气隙在左右时,电机的性能仍然很好【】,这一点特别适合高速运行,电磁气隙大一方面允许永磁体外面可以包裹保护层来提高机械强度,另一方面有利于转轴跨过临界转速、减小转子风摩损耗和降低不平衡电磁力。文献】从电磁特性、机械特性、电机温升特性三个方面对比了高速实心转子异步电机和高速永磁电机。研究表明:在转子圆周速度小于的场合,永磁电机优于实心转子异步电机,实心转子异步电机适合更高转速的场合。图高速永磁电机第一幸绪论慕渺偈蜞翁琴曲内埋式面贴式图高速永磁电机常用转子结构图涡流损耗引起的转子表面发热图美虱研制的第二代高速水磁涡轮发电机高速永磁电机如图所示,其主要问题之一就是永磁体的保护问题,因为承磁体和粘结剂不能承受转于高速旋转产生的离心力。目前采用很多方法来保护转轴上的水磁体,例如文献】~把永磁体嵌到转子的铁心中,如图。内埋式转子结构相对复杂,转子损耗很严重。因此高速永磁电机一般采用图所示的面贴式永磁转子结构,水磁体外面包裹一层非导磁的材料,如钛合金和碳紊纤维等。由浙江大学博士学位论文于永磁体和保护环均导电,高速运行时永磁体和保护层中也会产生涡流损耗,涡流损耗主要是由绕组电枢磁场的空间谐波和时间谐波以及槽开口引起的气隙磁阻变化产生的。由于转子在电机内部,不易冷却。转子涡流损耗会使转子发热如图所示【】,严重时会能引起转子永磁体的退磁。文献报道的永磁无刷电机已经成功运行到,以上。美国俄亥俄州州立大学研制了、,的高速永磁电机,在弱磁情况下,转速能达到,】。瑞典皇家理工学院研制了、,无位置传感器控制的高速永磁电机【】。美国公司研制的高速永磁涡轮发电机如图所示引。、高速开关磁阻电机的研究概况图高速开关磁阻电机开关磁阻电机从原理上来讲属于同步电机,如图所示,它需要转子位置信号进行电流和转矩控制。开关磁阻电机的定转子的凸极均由硅钢片叠压而成,定子上绕有电枢绕组,转子上既无绕组也无永磁体,结构简单,价格便宜。转子机械强度较高,因此十分适合高速运行且能长期运行于高温环境中。高速运行要求电机有较大的气隙长度,导致电枢激磁电流很大,因此开关磁阻电机的功率因数和效率都不高。文献【】研制了、,高速开关磁阻电机,转子采用导磁硅钢片和非导磁硅钢片组合的方法减小转子损耗。文献不提倡采用开关磁阻电机做高速运行,主要基于以下几点:噪声很大,不适合环境有要求的场合。双凸极结构高速运行时会产生很大的风摩损耗,虽然通过增加气隙长度能降低风摩损耗,但是气隙增大会降低电机的输出功率,使电机的性能下降。定转子的铁耗很大,为了降低铁耗,需要采用很薄的硅钢片,为了避免高速旋转时转子硅钢片错位,对加工工艺要求较高。和永磁无刷电机、异步电机相比,开关磁阻电机的效率较低。需要精确的转子位置信号。第一章绪论不同高速电机的优缺点总结如】【】:表各种高速电机的对比特性异步电机永磁无刷直流电机开关磁阻电机对比气隙较大绕组端部短耐高温耐高温成本低、技术成熟功率密度高、效率高转子结构简单适合高优点不需要位置传感器定、转子结构多样速运行转子需要保护环效率低气隙较小转子损耗大转子涡流损耗会引起永磁转子机械振动,噪音大体退磁缺点功率因数低绕组端部长转子风摩损耗大综合对比上述三种电机,永磁无刷直流电机由于效率高、气隙大、转子结构简单,因此特别适合高速运行。高速电机的应用场合高速电机由于转速较高,电机的功率密度较大,高速电机的几何尺寸要远小于输出功率相同的中低速电机,可以有效节约电机材料,并且电机的转动惯量小,响应快。高速电机通常与所驱动的负载直接相连,省去了传统的机械变速装置,不但能减小机械噪音,还可以提高传动系统的效率。由于高速电机的内在优越性,高速电机已经在涡轮发电机、涡轮增压器、高速加工中心、飞轮储能、电动工具、空气压缩机、分子泵等许多领域获得了广泛的应用,并且这个领域仍在不断扩大【】。、在压缩机、离心机、分子泵等涡轮机械中的应用高速化是涡轮机械电气传动的一个显著趋势,以核物理,电真空、半导体产业和薄膜工业领域中应用较广的分子泵为例,涡轮分子泵可以通过高速连续排气来获得理想的清洁超高真空,分子泵的涡轮转子速度越高,泵的抽速和压缩比就越大,抽真空性能越好【。涡轮增压器中的压缩机,其最佳工作状态要求电机的转速达到,,,功率~【。空调和冰箱等家用电器中的压缩机在相同功率的情况下通过提高电机转速来减小体积。、在高速中心、医疗器械中的应用近年来,以高速加工中心为代表的精密加工技术在航空航天工业、汽车工业和模具工业中得到了广泛应用。高速加工技术能够在单一工序中既切除大量的多余材料,又可以达到很高的加工精度和表面质量,从而省去了后续的精加工工序,大幅浙江大学博士学位论文提高了劳动生产率。为提高控制精度,高速加工中度减少了零件的加工时间,心一般采用电气直接传动,即将电主轴主轴电机与机械负载直接连接,省去了传统的机械变速装置。因此高速加工中心的可靠性及加工精度主要取决于电主轴的性能。世界各工业先进国家的著名电机和控制厂商都竞相进行高速主轴电机及其控制系统的开发,比较著名的有瑞士公司、公司、美国的公司等,其中国际上较高水平的电主轴是瑞士公司的产品转速,,功率。现代工业应用中要求印刷电路板的层数越来越多,体积越来越小,这就要求钻孔的直径减小,电机转速和性能要相应的提高。高速电机在医用领域也有着广泛地应用,分子离心机工作在、,的情况下能从血液中把病毒分离出来【。、在飞轮储能装置和分布式发电系统中的应用飞轮储能系统,,又称飞轮电池,是利用电机飞轮高速旋转积蓄能量的一种储能装置。与其它储能装置相比,飞轮储能装置重量轻、使用寿命长、效率高、无化学污染,对运行环境无特殊要求,因而在航天、电动汽车等领域得到了广泛应用。美国飞轮系统公司采用最新研制的飞轮电池,将一辆克莱斯勒轿车改装成电动汽车,一次充电后行驶里程可达公里,从静止加的加速时间为。美国国家宇航局正在进行将飞轮储能装置应用于卫速到星中【引。由汽轮机直接驱动同轴连接的高速永磁发电机构成微型燃气轮发电机已经成为目前最成熟、最具商业竞争力的分布式发电设备,英国的公司已经研制出以高速永磁电机为核心的新型移动电站【】。高速永磁电机国内外研究现状高速永磁电机是目前国内外研究的热点,研究内容主要包括以下四个方面:电机优化设计转子涡流损耗转子机械强度和动力学控制策略。、电机优化设计的研究现状和中低速永磁电机不同,高速永磁电机电磁频率高,定子铁耗严重。文献】研究了定子铁耗对定子裂比的影响来优化高速永磁电机的效率。文献【】采用软磁材料设计了高速永磁爪极电机,计算了定子铁耗。文:电机硅钢片参数,定子铁耗参数和绕组磁动势的献】研究表明脉冲分量对定子铁耗影响很大。文献【】研究了高速永磁发电机的定子铁耗,结果表明采用硅钢片代替硅钢片能有效的降低定子铁耗,同时绕组电流的高频分量使得定子铁耗分布变化很大。文献一对比了有齿槽和无齿槽定子结构高速永磁无刷直流电机,归纳如表。文献【】设计了如图第一章绪论所示、,的高速永磁无刷直流电机。文献研究了无齿槽高速永磁电机转子偏心引起的不平衡电磁力,表明正弦波充磁的转子结构由于偏心引起的不平衡力小于径向充磁的转子结构,因此更适合高速运行。文献对比研究了方波气隙磁场与正弦气隙磁场对无刷直流电动机电磁性能的影响,指出在不作电流调制时正弦磁场更适合于无刷直流电动机,并且在使用表面粘贴磁瓦时平行充磁优于径向充磁。文献『分析了高速水磁无刷直流电机绕组电感对二极管续流角的影响,从而影响无位置传感器控制中反电势过零点的检测。文献口卜研究了高速永磁电机的优化设计。无齿槽定子结构有齿槽定子结构高速永磁电机图表高速永磁电机定子结构对比无肯槽结构定子结构特性对比有齿槽结构不存在槽开口引起的转子涡流损耗优点朦燕大盼便于机械加工浙江大学博士学位论文槽开口会产生转子涡流损耗有效气隙大空载气隙磁场小缺点绕组不易安放,绕组铜耗大、减小转子损耗的研究现状转子损耗主要是由转子风摩损耗和涡流损耗两部分构成的,减小风摩损耗可以通过增大气隙长度,降低定转子表面粗糙程度、减小转子直径和转轴长度等方法来实现。转子中的涡流损耗主要是由定子电流的时间和空间谐波以及定子槽开口引起的气隙磁导变化所产生的。转子的涡流损耗一般比风摩损耗严重,因此有必要采取措施降低转子涡流损耗。文献分别推导了转子涡流损耗的解析公式。从定子角度出发减小转子涡流损耗:文献【】【】采用无齿槽定子结构来消除由于槽开口所产生的转子涡流损耗。文献】通过采用多相绕组和合理的绕文献通过减小槽开口和增加气隙长度的方组分布来减小转子空间谐波损耗,法来减小气隙磁阻变化产生的涡流损耗。从转子设计的角度出发减小转子涡流损耗:文献【】在空载情况下,推导了气隙磁阻变化引起的转子涡流损耗的解析公式,通过有限元和解析计算的方法对比研究了平行充磁和径向充磁对转子涡流损耗的影响,结果表明平行充磁优于径向充磁。文献在空载情况下对比研究了不同导电率的保护环碳素纤维和钛合金对转子涡流损耗的影响,结果表明碳素纤保护环的转子涡流损耗比钛合金保护环的转子涡流损耗低。文献一研究了永磁体分块对转子涡流损耗的影响,表明永磁体分块能减小转子涡流损耗。文献通过在永磁体和保护环之间增加一层高电导率的铜屏蔽环,来降低转子涡流损耗。文献】推导了带铜环的转子涡流损耗的解析公式,对铜环厚度和转子涡流损耗的关系进行了研究。文献】研究了铜环厚度和电流谐波磁场透入深度的关系。从控制策略的角度出发减小转子涡流损耗:文献【】研究了功率因数对高速永磁电机转子涡流损耗的影响,研究表明负载从感性变到容性,转子涡流损耗随之增加。、转子机械强度和动力学的研究现状文献采用有限元和实验对比的方法对高速永磁无刷直流电机的转子动力所学进行了深入的研究,文献】设计的高速电机转子发生了弯曲变形,如图示,研究表明轴承使转轴增加两个低频模态:圆柱模态和圆锥模态,为了提高转轴的临界频率,转轴的直径要大、长度要短。文献】【】】研究了高速永磁电机转轴机械强度的设计。文献】对比了面贴式和内嵌式转子结构的机械强度,研究表明:采用碳素纤维包裹的面贴式转子结构能承受更高的机械强度,优于内嵌式转子结构。第一章绪论对于小磁体面贴式转子结构,永磁体极弧系数小于时,永磁体相邻处需要填充和永磁体材料特性相同的非磁性材料防止保护环在永磁体相邻区域所受应力过大。图为水磁体司添加任何材料,保护环在水磁体相邻处发生损坏删。图高速电机保护环损坏图图高速水磁无刷直流电机转轴弯曲、控制策略的研究现状文献『采用三次谐波检测的方法实现了永磁无刷直流和无刷交流无位置传感器运行,并实现了弱磁控制。文献『采用专用控制芯片实现了高速承磁无刷直流电机无位置传感器控制,研究表明:由于二极管续流角的影响,对非导通相端电压积分的方法使得换相严重滞后,通过对三次谐波反电势积分的方法,能消除二极管续流角的影响,提高了高速永磁无刷直流电机的性能。但是由于电感的作用,相电流仍文献『迸一步提出了通过对三次谐波反电势积然滞后反电势波形,分和锁相环技术实现动态相位超前控制。高速永磁同步电机工作在开环状态时,系统特性受电机参数和负载的影响很大,容易失步,文献研究了考虑电阻和电感的开环稳定控制时空制。文献【研究了无位置传感器高速永磁同步电机开环和磁链观测闭环稳定控制。文献通过电流超前控制减小高速水磁无刷直流电机转矩脉动。文献『对比研究了高速水磁无刷直流电机无位置传感器控制中采用直流侧调压控制和传统斩波摔制对电流波形的影响,表明直流侧调压控制优于传统斩波控制。文献『片单个开关型霍尔实现了高速永磁同步电机矢量控制和稳速控制。文献浙江大学博士学位论文【对高速永磁电机初始位置检测、起动控制、无位置传感器控制、智能控制等进行了深入研究。表高速永磁无刷直流电机的典型例子文献功率因数应用场合功率设计转速达到的转速效率空载状态下万转电动工具【】,负载状态下万转万转局泵电机【】,表是报道的高速永磁无刷直流电机的典型例子。目前国内对高速永磁电机的研究还处于起步阶段,一些科研机构、高等院校正在开展相关技术的研究。沈阳工业大学受国家重点自然科学基金项目“微型燃气轮机一高速发电机分布式发电与能量转换系统研究”资助已经研制出、,的高速永磁电机,对高速永磁电机转子的强度和刚度进行了分析,对磁力轴承一转子系统的临界转速进行了计算。东南大学受国家自然科学基金资助对高速永磁电机的定子铁耗进行了深入分析【】【】【】。哈尔滨工业大学采用单个锁定型霍尔元件对高速永磁同步电机进行矢量控制和稳速控制,此外提出了一种简单的转子涡流损耗解析计算方法】【】【】。浙江大学对高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗以及无位置传感器控制方面进行了深入研究,目前已经研制出、,和、,高速永磁无刷直流电机。本文的选题背景和研究意义但还不是技术强国。普通的工业电机,虽然产量很中国是一个电机生产大国,大,但经济效益很低。为了提高经济效益,非常有必要研究开发一些具有特殊结构、特殊功能与用途的电机。另一方面,电机行业是一个传统行业,但又不可或缺。为了使这个传统工业继续发扬光大,就必须将先进的材料、电机设计理论、电力电子技术、数字控制技术和控制理论等运用到电机领域。本着这样的精神,受浙江省自然科学基金资助对高速永磁无刷电机做一些前瞻性的研究,并期望在不久的将来能转化成生产力。研究的高速永磁无刷直流电机以涡轮增压器为使用背景。涡轮增压器的主要作用是提高发动机进气压力,改善空燃比,使发动机燃烧更完全,提高热效率,增加发动机功率而节省燃油。年,瑞士工程师波希在德国申请了废气涡轮增压器专利,最先使用于船舶、飞机,年美国开始用于小轿车上。涡轮增压器主要以动力源第一章绪论来区分类别,大致可分为以下几类:空气空气进口废气进口图废气涡轮增压器废气涡轮增压器:以发动机排放的废气为动力源驱动废气采带动气压泵而工使用最为普遍,般标有“”的发作如图一所示。这种增压器技术最为成熟,动机就是废气涡轮增压发动机。废气涡轮增压器的最大优点是它可在不增加发动机排量的基础上,大幅度提高发动机的功率。一台发动机装七废气涡轮增压器后,其输出的最大功率与未装废气涡轮增压器的相比,可增加大约甚至更多。它的缺点中最明显的是“滞后响应”,即由于叶轮的惯性作用对油门瞬时变化反应迟缓。机械涡轮增压器机械涡轮增压器安装在发动机上并由皮带与发动机曲轴相连接,从发动机输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转,从而将空气压入气缸。机械涡轮增压器的优点是转子的速度与发动机转速是相对应的,所以没有“滞后响应”,动力输出更为流畅。它的缺点是由于它要消耗部分引擎动力,会导致增压效率不高。复台涡轮增压系统:既采用废气涡轮增压器,又同时采用机械驱动式涡轮增压器来克服废气涡轮增压器的“滞后响应”。缺点是结构复杂,造价高,维修费用高。电动涡轮增压器:以汽车本身的电力为动力源,用电动机驱动而工作。不仅克服了废气涡轮增压器的“滞后响应”,而且结构简单、效率高。目前涡轮增压器电机还受一些因素的制约,主要是电机在高速运行时的损耗和可靠性问题。为了保障产品的质量,现在汽车制造商所使用的电动涡轮增压器的速度并不够高每分钟数万转,所以整个系统体积大,效率低。但是很多汽车制造商如丰田公司等正在研究浙江大学博士学位论文开发性能更好、速度更高大于,的电机【。使用涡轮增压器是高档轿车的发展趋势,德国公司甚至将它用在大容量的发动机中以提高其高档跑车的动态性能。中国的汽车工业正在蓬勃发展,涡轮增压器必有广泛的应用前景。期望通过研究开发出高性能可用于涡轮增压器的高速电机,,。若研究成功,对中国轿车工业本身,以及相关的能源、环保等方面,都有推动作用。另外,浙江省有诸多的电机企业包括汽车电机的专业厂家,将来生产各种高速电机,不仅可用于国内的汽车行业,也可以用于其它行业或者出口,对本身的经济也大有裨益【】。本文的研究内容和结构安排提到高速电机,人们首先想到的往往是轴承问题,并由此联想到电磁轴承和空气轴承等。电磁轴承需要非常复杂的控制系统,轴承本身的体积可能比电机大得多,且长期的可靠性尤其在振动严重的场合难以保障。空气轴承结构稍微简单一些,但,整个系统体积很大,耗能较多。反过来精密的滚珠轴承是一个需要压缩空气切实可行的解决方案。只要辅助以流动的润滑油,滚珠轴承可以长期工作在高速状态,,情况下其损耗在左右。流动的润滑油可以为电机和轴承冷却所用,而油温升高之后,轴承损耗会相应降低【】。本文以永磁电机为主要研究对象,这是因为,在永磁材料已大为发展的现状下,永磁电机对气隙的要求并不高。在高速电机中,当电磁气隙在左右时,电机性能仍然很好。永磁同步电机采用正弦电流驱动,因此谐波引起的损耗很小。但是在高速条件下,为电机调制出高频、大功率的正弦电流是不切实际的。所以本文研究高速永磁无刷直流电机。高速永磁无刷电机的主要问题在于:转子机械强度和转子动力学转子损耗和温升。对无刷直流电机而言,第二个问题是高速运行时所特有的,目前国际上对这类问题的研究主要还停留在仿真或小功率样机阶段。国内目前对该类电机的研究,尚处于起步阶段,因此还需要做很多的理论工作。本文对转子涡流损耗进行了深入的分析,阐明了转子涡流损耗产生的机理。转子涡流损耗是由定子电流的时间和空间谐波以及定子槽开口引起的气隙磁导变化所产生的。首先通过优化定子结构、槽开口和气隙长度的大小来降低电流空间谐波和气隙磁导变化所产生的转子涡流损耗通过合理地增加绕组电感以及采用铜屏蔽环的方法来减小电流时间谐波引起的转子涡流损耗。其次对转子充磁方式和转子动力学进行了分析。最后制作了高速永磁无刷直流电机样机和控制系统,进行了空载和负载实验研究。第一章绪论论文包括以下几部分内容:第一章:通过文献综述详细介绍了高速电机的发展概况,概述了国内外相关研究的现状,分析了本课题的选题背景和意义,最后介绍了本文后续各章的主要内容。第二章:从电机设计的角度,采用解析计算和有限元仿真的方法研究了不同的定子结构、槽开口大小、以及气隙长度对高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗的影响。对于极槽集中绕组、极槽分布叠绕组和极槽集中绕组的三台电机的定子结构进行了对比,利用傅里叶变换,得到了分布于定子槽开口处的等效电流片的空间谐波分量,然后采用计及转子集肤深度和涡流磁场影响的解析模型计算转子涡流损耗,通过有限元仿真对解析计算结果加以验证。结果表明:槽集中绕组结构的电机中含有次、次等偶数次空间谐波分量,该谐波分量在转子中产生大量的涡流损耗。采用有限元仿真的方法研究了槽开口和气隙长度对转子涡流损耗的影响,在空载和负载状态下的研究结果均表明:随着槽开口的增加或者气隙长度的减小,转子损耗随之增加。因此从减小高速永磁无刷电机转子损耗的角度考虑,极槽的定子结构优于极槽结构。第三章:研究了不同的转子结构对转子涡流损耗的影响。高速永磁无刷直流电机额定运行时的电流波形中含有大量的时间谐波分量,其中次和次时间谐波分量合成的电枢磁场以倍转子角速度相对转子旋转,次和次时间谐波分量合成的电枢磁场以倍转子角速度相对转子旋转,这些谐波分量与转子异步,在转子保护环、永磁体和转轴中产生大量的涡流损耗,是转子涡流损耗的主要部分。首先研究了永磁体分块对转子涡流损耗的影响。分析表明:永磁体的分块数和透入深度有关,对于本文设计的高速永磁无刷直流电机,当永磁体分块数大于时,永磁体分块能有效地减小永磁体中的涡流损耗反之,永磁体分块会使永磁体中的涡流损耗增加。为了提高转子的机械强度,在永磁体的表面通常包裹一层高强度的非磁性材料如钛合金或者碳素纤维等,转轴采用导磁不锈钢。分析了不同电导率的包裹材料对转子涡流损耗的影响。然后利用涡流磁场的屏蔽作用,在转子保护环和永磁体之间增加一层电导率高的铜片。有限元分析表明:尽管铜片中会产生涡流损耗,但正是由于铜片良好的导电性,其产生的涡流磁场抵消了气隙磁场的谐波分量,使永磁体、转轴以及保护环中的损耗显著下降,整体上降低了转子涡流损耗。分析了不同的铜片厚度对转子涡流损耗的影响,研究表明转子各部分的涡流损耗随着铜屏蔽环厚度的增加而减小,当铜环的厚度达到次时间谐波的透入深度时,转子损耗减小到最小。第四章:对于给定的电机尺寸,设计了两台电感值不同的高速永磁无刷直流电机,通过研究表明:电感越大,电流变化越平缓,电流的谐波分量越低,转子涡流浙江大学博士学位论文损耗越小,因此通过合理地增加绕组电感能有效的降低转子涡流损耗。第五章:研究了高速永磁无刷直流电机的电磁设计和转子动力学问题。对比分析了平行充磁和径向充磁对高速永磁无刷直流电机性能的影响,结果表明:平行充磁优于径向充磁。高速永磁无刷直流电机采用高精密的滚珠轴承,设计了两套带轴承润滑和定子冷却的机械系统,制作了两种不同结构的转子:单端式轴承支撑结构和两端式轴承支撑结构。对两种结构进行了转子动力学分析,实验研究表明:由于转子设计不合理,单端式轴承支撑结构的转子转速达到,以上时,保护环和定子齿部发生了摩擦,破坏了转子动平衡,导致电机运行失败,而两端式轴承支撑结构的转子成功运行到,以上。第六章:制作了高速永磁无刷直流电机样机和控制系统,进行了空载和负载实验研究。通过查询损耗曲线的方法对空载定子铁耗进行了计算,结合空载实验近似估算了电机轴承损耗对比研究了电流调制和铜屏蔽环对转子损耗的影响,研究表明:铜屏蔽环可以有效地降低转子涡流损耗,使转子损耗减不加铜屏蔽环时的斩波控制会引入高频电流谐波分量,使得转子涡流损耗增加。通过计算绕组反电势系数的方法,得到了不同控制方式下带铜屏蔽环和不带铜屏蔽环转子永磁体温度。采用简化的暂态温度场有限元模型分析了转子温升,有限元分析和实验计。验证了铜屏蔽环的有效性。算结果基本吻合,第七章:总结与展望。概括了论文成果和创新之处,并对以后的研究工作进行展望。第二章定子结构对转子涡流损耗的影响第二章定子结构对转子涡流损耗的影响摘要:本章采用解析计算和有限元仿真的方法研究了不同的绕组结构、槽开口大小以及气隙长度对高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗的影响绕组结构对转子涡流损耗的影响对于高速永磁无刷直流电机而言,转子涡流损耗是高速运行时所特有的问题。转子涡流损耗是由定子电流的时间谐波和空间谐波以及定子槽开口所引起的气隙磁导变化所产生的。不同的绕组结构决定了电枢磁场的空间谐波分量,从而影响转子涡流损耗的大小。为了降低转子涡流损耗,需要对定子绕组结构进行优化。高速永磁无刷直流电机的定子结构类型高速永磁无刷直流电机的电磁频率和机械转速满足如下关系:,印,丽式中:厂、刀、分别为电机的电磁频率、机械转速和永磁体极对数。对于高速永磁电机而言,为了减小定子铁耗和逆变器功率管的开关损耗,永磁体极对数通常设计为或。对于本文设计的、,高速永磁无刷直流电机,极对数取为,电磁频率为。高速永磁无刷直流电机通常采用的绕组结构如图所’图,槽叠绕组结构简写为“示,槽集中绕组结构简写为“图”。’图,槽集中绕组结构简写为‘‘图不同绕组结构的高速永磁无刷直流电机浙江大学博士学位论文转子涡流损耗的解析模型为了从本质上揭示不同的绕组结构对转子涡流损耗的影响,采用文献的二维转子涡流损耗解析模型,如图所示。为了简化分析,做如下假设:不考虑绕组端部效应忽略涡流的端部效应,只考虑转子涡流的轴向分量忽略槽开口所引起的气隙磁导变化所产生的转子涡流损耗定子绕组等效为分布于槽开口处的等效电流片保护环和永磁体性能均各向同性,保护环和永磁体的磁导率和电导率均为常数。等效电流片区气层图电机模型、计及集肤深度和转子涡流磁场影响的解析解在极坐标系下,对图所示的电机模型进行求解:,磁矢量满足拉普拉斯方程:在气隙层中磐丝三氅:,勿,‖务在保护环层中,轴向涡流密度厶满足亥姆霍茨方程:等七警专鲁一慨硒胁厶。在永磁体层中,轴向涡流密度‘满足亥姆霍茨方程:第二章定子结构对转子涡流损耗的影响。,拼帕”删争三譬三丝一慨鸬心厶:’毋。,务假设定转子铁心的磁导率为无穷大,边界条件满足:以足,足,和哇和旺疋田,其中,足,为定子绕组等效电流片,联立求解、、和可得定子绕组电流在气隙、保护环和永磁体中磁场的解析表达式求解过程见文献【】。、转子涡流损耗的解析表达式利用坡印亭原理可求得转子涡流损耗为:尸三雌×其中为求解区域的表面。转子涡流损耗解析计算和有限元仿真对于相同的外形尺寸,设计了台额定功率和转速均为和但定子结构不同的极、相无刷直流电机。电机结构如图所示,所,有电机的转子剖面结构相同,永磁体和保护环分别采用钐钴和碳素纤维。表列出了三台高速电机的设计参数。考虑到端部绕组的不同,台电机的铁心长度也有所差别,但总长相同。表电机参数浙江大学博士学位论文定子结构决定了电枢电流的空间谐波分量,为了研究定子结构对转子损耗的影响,所有的电机均运行于额定转速,和相同的正弦定子电流峰值的情况下。为了得到电枢反应磁场,定子电流等效为分布于定子槽口的电流片。通过傅里叶变换分别得到不同电机的等效电流片的空间谐波分量。图为一相绕组等效电流片的波形图,三个电机的额定电流相同幅值为的正弦电流,定子槽开口为,则分布于槽开口的等效电流片的幅值为:,其中为单个槽内每相绕组匝数,参见图和表,三个电机的相同,均为,所以图中等效电流片波形的幅值均为×,宽度为槽宽。如图所示,由于三个采用整距的电机的定子结构不同,其中采用短距的集中绕组,采用绕组系数为的集中绕组以相为例,有两组匝数均为叠绕组,匝、绕组系数为的绕组,相隔度电角度,串连构成相绕组。因此一相所示。绕组的等效电流片的波形如图等效电流片、、,、葛》。羞、,角度角度一一第二章定子结构对转子涡流损耗的影响等效电流肯一、,言一》葛角度图一相电流安匝数在槽开口宽处的等效电流片的分布波形等等效效电电流流苎,鼽爻穹,暑、一,空间谐波次数空间谐波次数一等效电流,彗爻宅》刍空间谐波次数一图一相等效电流片对应的空间谐波分量槽开口宽浙江大学博士学位论文对图的电流片波形进行傅里叶变化,得到一相等效电流片波形的频谱图,如含有相同的空间谐波分图所示。对比三个电机的频谱图,和的两倍,而这些空间量,中、、次谐波分量的幅值是的其它谐波分量三相合成之后是,不会产生转子涡流损耗。和不含有、、、次等谐波分量,次空间谐波分量的幅值相同。而中不存在的、、、等偶次谐波分量。但是它含有和这些谐波分量均会产生转子涡流损耗。文献】推导了三相合成等效电流片表达式,在此基础上推导了只考虑空间谐波影响的相对转子坐标系的电流片表达式:,,加吾以船刀一七:二一、,一厶,以,,【,谚,,,式中:七,,刀表示空间谐波的次数代表转子角速度札冗。‰,其中、、。和‰分别为定子每相串联匝数、相电流幅值、定子内半径和绕组系数。文献推导了计及转子集肤深度和涡流磁场影响的时变磁场的解析表达式,在此基础上推导了只考虑电流空间谐波影响的一个电周期内转子包括永磁体和保护环平均涡流损耗的表达式:尸一冗删争×。以。。尺。。。尺。】×嚣卜了飓一匕毛风划式中:以和匕分别代表刀阶的第一类和第二类贝塞尔方程。,当萨蚪时公式中取“一”时公式中取“”。下标‘台广’和“”分别代表保护环和永磁体和分别代表电导率和相对磁导率。。刀口刀,刀,第二章定子结构对转子涡流损耗的影响,州却】一扣‖研【二匕一。,肼一匕。,所】一‖,,小,以一心。一如一以,如】一从,以,刀以一。耳一匕墨卜‘乙一。墨一以墨】,,一。毛耳一‘尽】×一。如一以如】一【玉竺』。一以耳×:一。乇一匕】,鼬以幻,一盟厶一幻,,”,,~一,“,以,,~,,“,刀‖,匕,一业匕一丁,刀转子涡流损耗解析表达式不包括由于气隙磁导变化引起的损耗。表列出了额定转速下单相等效电流片的空间谐波分量和该谐波分量三相合成后在转子中存在次、次等偶次空间谐波分产生的涡流损耗。从表中可以看出,均不含量,该谐波分量在电机转子中产生大量的转子损耗。和有偶次空间谐波分量虽然它们均含有的倍数次谐波分量,但三相合成后为零,并不产生转子损耗。此外,和的其它次空间谐波分量是相同的由于轴向长度不同,对应的损耗有一些微小的差别。图对比了不同转速下转子的涡流损耗。由于解析公式中不包括由于气隙磁阻变化引起的转子涡流损耗,因此在有限元验证模型中采用了不充磁的转子结构。由浙江大学博士学位论丈中存在产生较高的次、次等偶次空间谐波分量,因此在不同转速下于,是后两者的倍左右。解析的转子损耗远远大于和计算结果和有限元仿真结果基本吻合。由于解析公式的推导过程中存在一些理想的假设条件,因此随着转速的升高,解析计算结果和有限元仿真结果会存在一定的误差。但是从图可以看出:解析计算结果和有限元仿真结果均表明,定子结构对高速电机转子涡流损耗影响很大,通过合理的设计定子结构能够大量的减小转子涡流损耗。表电流谐波分量和对应的转子损耗次数刀:兰墨煦坠纽:鱼丛卫:鱼塑望坠五丛:叵巴纽五红:亘巴纽厶』:叵巴纽’参,寝鞲牛辩转速图槽开口,气隙长时转子损耗随转速的变化图第二章定子结构对转子涡流损耗的影响槽开口和气隙长度对转子涡流损耗的影响转子空载涡流损耗是由定子槽开口所引起的气隙磁导变化所产生的。换言之,当永磁体任意点从面对齿顶转到面对槽开口时,面临的气隙磁导是不同的,由此使得永磁体内磁场发生变化,造成涡流及损耗。槽开口对气隙磁场的影响假定转子铁心的磁导率为无穷大,文献【】给出了半径,处气隙磁密径向分量的解析计算公式:磁永磁体心图极平行充磁的永磁电机解析模型四,乃为,处气隙磁密的径向分量是转子铁心外径也是转子永磁体外其中径墨是定子铁心内径耳是永磁体剩磁:所是永磁体相对磁导率。浙江大学博士学位论文彤角度空载气隙磁场分布处气隙磁密波形图高速永磁无刷直流电机气隙磁场以为例研究槽开口对气隙磁场的影响,如图所示,有限元计算结果和解析公式计算结果基本吻合,不同之处在于有限元分析的气隙磁密波形存在下凹,这是槽开口引起的气隙磁导不均匀所引起的,也是空载转子涡流损耗产生的原因。图分析了气隙磁密波形随槽开口变化的波形,从图中可以看出,随着槽开口的增大,引起的气隙磁导变化越大。图分析了气隙磁密波形随径向位置变化的波形,从图中可以看出,槽开口对气隙磁场的影响随着径向半径的减小而减弱。一国角艘。图处气隙磁密随槽开口变化波形第二章定子结构对转子涡流损耗的影响瓴纯纯瓴暑瓤瓤砘乱一角嶷。图气隙磁密随径向位置变化波形转子涡流损耗的计算采用有限元仿真的方法计算了槽开口对转子涡流损耗的影响。如图表明:随着槽开口的增加,电流空间谐波引起的转子损耗有所减小,但是变化不大。槽开口更重要的影响在于造成气隙磁导的不均匀。换言之,永磁体任意点从面对齿顶转到面对槽开口时,面临的气隙磁导是不同的,由此使得永磁体内的磁场发生变化,造成涡流及损耗。如图所示,随着槽开口的增加,气隙磁导变化加剧,因此对应的转子损耗也随之增加。特别是当槽开口大于时,转子损耗增加很快。但是从图中还可看出,由于气隙很大,虽然电机槽数不

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