基于精确子区域方法的表贴式永磁同步电机性能分析

发布时间：2020-04-10 13:08

【摘要】：永磁电机由于其结构简单,体积小,效率高,形状尺寸多样,运行性能好等优点在航空航天、工农业生产和日常生活等领域获得了广泛的应用。虽然永磁电机优点很多,但是由于其本身物理结构的原因会产生齿槽转矩,引起转矩脉动,使电机产生振动和噪声,当转矩的脉动频率与定子或转子的机械共振频率一致时,振动和噪声将会被放大,同时对变速驱动和位置控制系统的性能造成影响。因此,研究如何削弱或者消除齿槽转矩有非常重要的意义。本文的目的在于在电机设计过程中,削弱齿槽转矩,减少转矩脉动,以精确计算电机的电磁转矩。本文的研究工作主要体现在以下两个方面:一、考虑齿槽影响下的永磁电机磁场的解析建模。本文以表贴式永磁同步电机为研究对象,利用精确子区域方法,对电机的磁场和电磁转矩进行了解析建模。该精确子域模型在二维平面将电机划分为永磁体、气隙、槽口和定子槽4个区域,在各个区域结合边界条件求解拉普拉斯或柏松方程,得到气隙磁密,进而根据麦克斯韦应力法,求解空载和负载情况下的齿槽转矩和电磁转矩。然后,本文以一台14极12槽永磁同步电机为样机模型,利用Ansoft Maxwell软件进行了仿真分析,通过比较解析法和仿真结果,验证了解析模型的准确性。同时,研究齿槽转矩和电磁转矩的仿真结果发现,造成转矩波动的主因是齿槽转矩。二、削弱齿槽转矩方法研究。详细阐述了齿槽转矩的成因,利用能量法和傅里叶级数法推导了计算齿槽转矩的公式,并从解析公式出发,发现影响齿槽转矩的主要因素为气隙磁密谐波以及定子齿与永磁体相互位置关系。同时,通过理论推导,从改变永磁体磁极参数和电枢参数的角度分析了如何优化电机参数以削弱齿槽转矩。最后,利用Ansoft Maxwell软件针对不同槽口宽度的选择、改变电机极弧系数、齿靴深度以及定子是否斜槽四个方面对样机模型进行有限元分析,验证了合理选取电机参数可以减小齿槽转矩。削弱齿槽转矩,可以减少转矩波动,并有利于电磁转矩的精确计算。
【图文】：

剖面图,永磁同步电机,外转子,内转子

可以分为内转子结构式永磁电机和外转子结构式永磁电机，图 1.1 为两机的对比图。外转子永磁同步电机的电枢铁芯的直径可以设计的很大，而动惯量比其他结构的电机大，提高了电动机的效率和输出功率，适合应用梯驱动[8-11]；按永磁电机是否装有起动绕组，，可以分为异步起动永磁同步电有起动绕组）和调速永磁同步电机（无起动绕组）；按电枢绕组电流波形的，可以分为正弦波永磁同步电机和矩形波永磁同步电机。按照永磁体在转定子位置的不同，可以分为旋转磁极式永磁电机（永磁体在转子上）和旋枢式永磁电机。一般情况下，永磁同步电机会采用旋转磁极式永磁同步电不做说明的情况下，本文亦采用这种结构的永磁电机，这种电机的电枢在上，保持静止。按照永磁体不同安装的位置，可以分为内置式永磁同步电表贴式永磁同步电机；按照一种或者多种永磁体磁极材料，可以分为单一磁同步电机和混合式永磁同步电机,混合式的结构可以取长补短，结合各种的优势提高电机的性能。按照永磁体磁极形状的不同，可以分为瓦片型、和爪极式等结构的永磁同步电机。其中，瓦片型永磁同步电机由于气隙磁其他结构的电机较高得到了广泛的应用。

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(a)外转子永磁同步电机剖面图 (b)内转子永磁同步电机剖面图图 1.1 内转子和外转子永磁同步电机剖面图1.2.2 永磁同步电机的基本结构如图 1.2 为一台内转子结构永磁同步电机的横截面示意图，从该示意图可以发现永磁电机的组成部分主要有定子、转子和电机端盖。永磁同步电机的定子铁芯结构与感应电机非常相似，可以通过采用 0.5mm 的硅钢片叠压结构来降低电动机运行时产生的铁耗。转子铁芯既可以选择使用叠片结构，也可以使用实心的结构。电机的定子槽采用半开口槽，当采用斜槽时，可以有效的消除齿槽转矩和齿谐波感应电动势。根据每极每相的槽数，电枢绕组可以分为整数槽和
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM341

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