新型永磁電機的設(shè)計、分析與應(yīng)用研究.pdf

1、永磁電機是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ母咝Ч?jié)能動力裝置，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的諸多領(lǐng)域中正日益得到廣泛的應(yīng)用。在我國大力提倡節(jié)能減排的宏觀背景下，開發(fā)和研究新型的高效節(jié)能永磁同步電動機，降低用電設(shè)備的耗電量，不僅符合國家的宏觀政策導向，而且具有良好的社會和經(jīng)濟效益。復式永磁同步電機和直驅(qū)式抽油機就是針對油田中耗電量最大且為數(shù)眾多的傳統(tǒng)游梁式抽油機提出的。直驅(qū)式抽油機改變了復雜笨重的機械傳動方式，利用復式永磁同步電機低轉(zhuǎn)速、大輸出轉(zhuǎn)矩的特點，直接驅(qū)

2、動抽油機負載，提高了抽油機的系統(tǒng)效率和功率因數(shù)，實現(xiàn)了良好的節(jié)電效果。復式永磁電機是將雙盤式電機與圓筒形外轉(zhuǎn)子電機在三維空間上組合而成的，提高了電機單位體積內(nèi)的輸出轉(zhuǎn)矩。本論文從復式永磁同步電機的設(shè)計計算方法、電機內(nèi)電磁場的分析、電機參數(shù)的優(yōu)化、齒槽轉(zhuǎn)矩的抑制、電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究，到復式永磁電機的測試試驗及其在直驅(qū)式抽油機中應(yīng)用和系列化的討論，對這一新型結(jié)構(gòu)的電機進行了全面的理論分析和試驗驗證工作。 本論文所研究的另一種永磁

3、電機是針對磁浮交通系統(tǒng)中的長定子直線同步電機提出的改進型電機結(jié)構(gòu)，即內(nèi)置永磁體式永磁電勵混合勵磁直線同步電機。研究這一新型結(jié)構(gòu)的出發(fā)點是為了減少懸浮勵磁次級的耗電量，達到節(jié)省車載電源能耗的目的。這對減小磁浮列車上勵磁次級的體積和重量，降低車載電源容量，提高整車性能都有一定的實際意義。 本論文的研究工作主要集中在以下幾個方面： 1．在復式永磁同步電機這一新型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有的調(diào)速永磁同步電機的設(shè)計方法和解析計算公式進行

4、歸納、總結(jié)及推演，形成了適用于復式永磁電機的電磁參數(shù)設(shè)計計算方法。對復式永磁電機工作特性的研究表明，定子直流電阻值對電機特性的影響很大，它使最大電磁功率對應(yīng)的功角小于90°，使定子銅耗在電機總損耗中占據(jù)絕大部分，使電機效率隨負載率的增加呈逐步下降的走勢。 2．針對復式永磁電機結(jié)構(gòu)的特殊性，先使用三維CAD軟件構(gòu)建立體模型，直接在三維圖形中進行結(jié)構(gòu)修改工作，再用工程制圖軟件AutoCAD繪制二維工程圖。為保證電機結(jié)構(gòu)的可靠性，應(yīng)用

5、材料力學的相關(guān)知識，對以電機主軸為代表的主要零部件進行強度和剛度方面的分析校核工作。對于電機溫升問題，將等效熱路法進行適當?shù)男薷?，推導出適合于復式永磁電機使用的溫升計算公式，對樣機的溫升進行了計算，并與試驗結(jié)果進行對比，誤差不大于6％。 3．應(yīng)用永磁電機三維磁場的有限元分析方法，對復式永磁電機作適當簡化后進行建模，使用該模型對電機內(nèi)空載和負載磁場的分布情況、空載漏磁以及不同功角時的輸出轉(zhuǎn)矩等進行了分析計算。對于抑制復式永磁電機齒

6、槽轉(zhuǎn)矩的問題，采用齒槽轉(zhuǎn)矩的解析分析與有限元計算相互印證的方式，對電機的筒形和盤形部分分別進行討論。通過復式永磁電機的解析計算方法，以有限元方法為輔助，針對重要結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機性能的影響進行分析，由此得出這些參數(shù)的最佳取值范圍。 4．根據(jù)復式永磁電機直軸和交軸電感近似相等的特點，采用合適的矢量控制策略，并使用EKF算法估計轉(zhuǎn)速以替代機械傳感器的檢測，實現(xiàn)復式永磁電機的無位置傳感器矢量控制系統(tǒng)。從控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計、系統(tǒng)框圖的建

7、立到軟件流程的制定，對復式永磁電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)進行了前期研究工作。采用MATLAB/Simulink仿真軟件對控制系統(tǒng)進行了仿真分析，結(jié)果表明控制系統(tǒng)對電機的控制效果理想。 5．在試驗塔架上應(yīng)用新型永磁電機測量系統(tǒng)對復式永磁電機進行了空載、負載和溫升試驗，并將電機的理論計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行了對比分析。 6．根據(jù)游梁式抽油機的型號標準，從替代游梁式抽油機的角度對直驅(qū)式抽油機及復式永磁電機的系列化進行了討論。說明了直驅(qū)式

8、抽油機能夠節(jié)電增產(chǎn)的原因，并給出了節(jié)電效果的實測數(shù)據(jù)。檢測數(shù)據(jù)表明，同型號的直驅(qū)式抽油機比異步電機驅(qū)動的游梁式抽油機節(jié)電50％以上。 7．對現(xiàn)有的永磁電勵混合勵磁直線同步電機進行結(jié)構(gòu)改進的角度，提出了兩種新型的混合勵磁次級結(jié)構(gòu)——內(nèi)置永磁體半隔磁式和內(nèi)置永磁體全隔磁式混合勵磁結(jié)構(gòu)。對比半隔磁式和全隔磁式結(jié)構(gòu)，由于后者漏磁更少，同等條件下獲得的懸浮力更大，因此對全隔磁式結(jié)構(gòu)進行了更為深入細致的分析。采用二維電磁場的有限元分析方法，