一种串联磁路混合永磁记忆电机性能分析与结构优化

发布时间：2020-05-28 13:49

【摘要】：永磁同步电机以其高功率密度、高效率的特点在船舶、航空航天、新能源汽车等诸多领域都得到了广泛的应用。然而,传统永磁同步电机的永磁磁场不易调节,需要注入负值的直轴电流进行弱磁控制以抵消增长的反电势。但是由于铜耗与电流的平方成正比,额外的弱磁电流将导致大量的铜耗,降低驱动系统的控制精度。受电力电子逆变器电流容量的限制,弱磁电流的增加势必会减少输出转矩电流的大小,从而降低电机的转矩输出能力。本文研究了一种串联磁路混合永磁记忆电机(Series Magnetic Circuit Hybrid Permanent Magnet Memory Motor,SMC-HPM-MM),高矫顽力永磁体保证了电机具有较强的气隙磁密,可通过控制脉冲电流改变低矫顽力永磁体的磁化水平,从而调节气隙磁密。该电机在高速区间对低矫顽力永磁体进行退磁操作,消除持续的弱磁电流,拓展调速范围的同时提高电机的综合效率,具体研究内容包括以下几个方面:首先,研究了磁性材料的Preisach磁滞模型,通过设计分布函数建立了一个可解析的Preisach磁滞模型,可以模拟任何形状的磁滞回线,有利于实现记忆电机的精准调速。然后给出了SMC-HPM-MM的拓扑结构,根据电机的等效磁路,分析了电机内部铝镍钴永磁体的磁化过程。最后建立了SMC-HPM-MM的数学模型,分析了电机的基本工作原理。其次,根据SMC-HPM-MM主要性能指标,确定了电机的主要尺寸。通过理论分析确定了SMC-HPM-MM定子结构,包括极槽比、定子槽和定子绕组。同时研究了高矫顽力永磁体端部漏磁现象,指出两种永磁体的截面面积比是影响高矫顽力永磁体端部漏磁现象的重要因素。然后,建立了SMC-HPM-MM有限元仿真模型,对铝镍钴永磁体正反两种磁化状态下电机的性能进行了分析。同时通过对齿槽转矩产生机理的分析,提出了定子齿开反槽与转子开孔结合的方法来抑制SMC-HPM-MM的齿槽转矩,并通过有限元仿真计算验证了上述方法的有效性。接着根据铝镍钴永磁体不同磁化状态下电机的电感特性,通过添加内置磁障减小交轴电感,使电机在铝镍钴永磁体正向磁化时,获得了直轴电感大于交轴电感的特殊电感特性。在电机低速运行时采用大于零的直轴电流,获得正值磁阻转矩的同时提高了铝镍钴永磁体的工作点,因此优化了电机低速时转矩性能,提高了电机工作的可靠性。最后,根据添加内置磁障后SMC-HPM-MM的电感特性,选择合适的控制策略,利用有限元仿真计算了电机在铝镍钴永磁体不同磁化状态下的转矩—转速关系、电机效率,验证了SMC-HPM-MM的宽调速范围运行性能。
【图文】：

了真正意义上的磁通可调。国内外研究现状许多学者致力于记忆电机的研究，提出取得了巨大的进步。型记忆电机在提出记忆电机的概念后，研究制造了图 1.1 所示。该记忆电机的定子结构采“三明治”结构，，材料由内向外依次是 AAlNiCo 具有较高的剩磁密度但是矫顽可以使它退磁，记忆永磁电机利用这一[17]。另外，韩国 Hanbat 大学的 Jung Ho 磁滞曲线的非线性，建立了 Preisach 模线，使得电机的气隙磁通控制更加精确

a）6 极转子结构 b）8 极转子结构图 1.2 两种永磁体切向式磁化记忆电机转子结构美国威斯康星——麦迪逊大学教授 Natee Limsuwan 联合日本学者 Takato 对内置式永磁同步电机进行了深入研究，在交轴磁路上增加 AlNiCo 永磁变交轴电感，提出了一种交轴磁阻增强型记忆电机，利用有限元仿真软件分及实验的验证，表明了该电机具有较宽的调速范围和高的运行效率[21]。两种磁阻增强型记忆电机拓扑结构如图 1.3 所示。a）AlNiCo 径向磁化 b）AlNiCo 轴向磁化图 1.3 两种磁化方向磁阻增强型记忆电机结构
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM341

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本文编号：2685330