諧波電流注入式多相永磁電機(jī)分析與優(yōu)化.pdf

1、多相永磁電機(jī)同時具有多相電機(jī)和永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，其中，諧波電流注入式多相永磁電機(jī)可通過注入諧波電流提高轉(zhuǎn)矩密度，在艦船推進(jìn)、電動汽車、風(fēng)力發(fā)電等對電機(jī)體積和重量要求較高的領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。為利用諧波電流，諧波電流注入式多相永磁電機(jī)可采用整數(shù)槽集中繞組，但其端部相互重疊，相間耦合較強(qiáng)，限制了電機(jī)的容錯運(yùn)行能力；采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組時，繞組端部無重疊、相間耦合較弱，具有較強(qiáng)的容錯運(yùn)行能力，但由于采用短距線圈，諧波繞組系數(shù)較低，不適合采用諧波

2、電流注入方式進(jìn)行控制。為此，本文提出一種新型的容錯型諧波電流注入式多相永磁電機(jī)，并對其展開研究。
　　本文在分析和總結(jié)容錯型諧波電流注入式多相永磁電機(jī)繞組需求的基礎(chǔ)上，提出了一種采用整距線圈的多相分?jǐn)?shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu)——多相分?jǐn)?shù)槽集中整距繞組。該繞組各次諧波繞組系數(shù)均為1，且可實現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)相繞組間的機(jī)械和熱隔離。與常規(guī)多相分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī)對比，多相分?jǐn)?shù)槽集中整距繞組電機(jī)相間互感更小，正常和開路故障運(yùn)行狀態(tài)下的平均轉(zhuǎn)矩更高。由于

3、諧波電流注入量直接影響電機(jī)運(yùn)行性能，在進(jìn)一步分析多相分?jǐn)?shù)槽集中整距繞組永磁電機(jī)之前，先對諧波電流注入量的確定方法進(jìn)行了研究。建立了電磁轉(zhuǎn)矩與諧波電流之間的關(guān)系，指出為使平均轉(zhuǎn)矩最大化，諧波電流的幅值比應(yīng)等于對應(yīng)次數(shù)反電動勢諧波的幅值比，且可采用解析法簡化諧波電流注入量的確定。在此基礎(chǔ)上，以多相分?jǐn)?shù)槽集中整距繞組永磁電機(jī)為例，分析了諧波電流注入對電機(jī)轉(zhuǎn)矩、磁動勢、永磁體渦流損耗和徑向力波等性能的影響，并指出電機(jī)設(shè)計和優(yōu)化的重點(diǎn)。針對多相分

4、數(shù)槽集中整距繞組磁動勢諧波含量較多的問題，研究了采用相移法和磁障法抑制繞組磁動勢次諧波的方法。在分析各磁動勢諧波抑制方法特征的基礎(chǔ)上，確定綜合采用相移法和磁障法抑制繞組磁動勢次諧波。為減少繞組相移電機(jī)中偏移齒的總寬度，提出了齒槽混合偏移結(jié)構(gòu)電機(jī)，并優(yōu)化相移角度，大幅抑制了次諧波中的齒諧波，得到繞組相移電機(jī)。再在該電機(jī)定子軛部鐵心中開設(shè)磁障，抑制了最低次數(shù)諧波磁動勢。最后利用有限元仿真驗證了各方法的有效性。為提升多相分?jǐn)?shù)槽集中整距繞組永磁

5、電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能，提出了一種準(zhǔn)梯形永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并與馬鞍形永磁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比研究。為避免在采用二維磁場解析法優(yōu)化永磁體形狀時，處理永磁體和氣隙之間復(fù)雜的邊界條件，提出了等效永磁體的概念。利用等效永磁體優(yōu)化馬鞍形和準(zhǔn)梯形永磁體形狀時，以平均轉(zhuǎn)矩最大化為目標(biāo)，得到了不同永磁體邊沿厚度對應(yīng)的可變厚度幅值系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，以齒槽轉(zhuǎn)矩最小化為目標(biāo)，采用復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率模型和細(xì)分永磁體法計算準(zhǔn)梯形永磁體電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，確定了準(zhǔn)梯形永磁體的邊沿厚度，最終

6、得到了優(yōu)化的準(zhǔn)梯形永磁體形狀。有限元仿真和樣機(jī)實驗測試結(jié)果驗證了準(zhǔn)梯形永磁體結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)矩性能的提升作用及其優(yōu)化方法的可行性。研究了諧波電流注入控制的實現(xiàn)方法。分析了多維矢量控制系統(tǒng)中，逆變器死區(qū)、磁鏈高次諧波、電流采樣誤差、電感參數(shù)變化等因素對諧波電流控制的影響，指出了相應(yīng)的解決措施?；陔姍C(jī)相變量數(shù)學(xué)模型，采用MATLAB/SIMULINK對控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，驗證了電流控制策略的有效性。設(shè)計并制造了一臺五相準(zhǔn)梯形永磁體電機(jī)樣機(jī)和五相逆