变频器供电下永磁同步电机电磁场与温度场的研究

发布时间：2020-06-07 19:48

【摘要】：永磁同步电机具有效率高、功率因数高、功率密度高等优势而被广泛应用。在实际应用中,永磁同步电机与其相匹配的控制系统高度耦合。控制系统和永磁同步电机的准确计算对系统性能、动态响应能力和过载能力具有较大的影响,关系到整个电机控制系统的效率。因此,本文围绕电机与控制器的强耦合电磁场、驱动器主控参数和逆变器故障及电机相关物理量对永磁同步电机运行性能和电磁场及温度场的影响、电机热问题等开展了研究,主要研究内容如下:(1)针对控制器对电机影响计算精度不够准确的问题,建立了电机与控制器的强耦合二维电磁场计算模型,研究了两种典型驱动方式下电机电磁场的变化。通过建立三维稳态温度场计算模型,对比分析了两种典型驱动方式下电机内部温度的变化规律,为控制系统驱动方式的选择及电机应用场合的选择提供参考。本文以变频器供电下一台12.5kW永磁同步电机为研究对象,建立了电机与控制器的强耦合二维电磁场计算模型,研究了方波驱动和正弦波驱动下电机内电磁场的变化。通过三维稳态温度场计算模型,研究了两种典型驱动方式下电机温度的变化规律,研究结果表明:在相同的冷却条件下,相比方波驱动,正弦波驱动下定子绕组和永磁体最高温度分别降低了 7.1%和9.1%。最后,搭建了正弦波驱动下永磁同步电机与控制器实验平台,与实验测量值相比,计算出的电机相电压、相电流、定子绕组及机壳最高温度误差分别为4.29%、3.05%、3.84%、3.63%,均在5%以内,满足工程计算精度要求,验证了电机与控制器的强耦合二维电磁场计算模型的准确性,为变频器供电下电机电磁场、温度场及运行性能分析提供有效的理论工具。(2)针对控制器给电机带来的一系列复杂问题,采用数值方法研究了正弦波驱动下时间谐波电流、载波比、调制波频率、逆变器故障对电机电磁场和温度场的影响规律,为驱动器参数的优化及实现逆变器的故障检测、诊断与容错提供有效理论指导。提出了热传导能力比概念,为分析电机热传递规律提供了有效途径。通过研究基波电流对转子是否带有护套电机内电磁场和温度场的影响,提出了热传导能力比概念,并计算了不同工况下电机的热传导比,进一步推导出热传导比与谐波电流、护套尺寸、护套电导率及护套轴向长度成正比的关系式。利用建立的正弦波驱动下电机与控制器的强耦合二维电磁场计算模型,研究了载波比和调制波频率对电机的电磁场和温度场的影响机理,为了确保电机和控制系统能够长期安全工作,控制器的载波比应选择5Nzb≤80范围内。通过建立典型三种逆变器故障下电机与控制器的强耦合二维电磁场计算模型,研究了逆变器第一桥臂上功率管发生断路故障、两个功率管同时发生断路故障及上功率管发生短路故障下永磁同步电机电磁场的变化规律。另外,研究了前两种故障下永磁同步电机温度的分布规律,研究结果表明在这两种故障下转子温度已高于电机最大工作允许温度,电机在很短时间内被烧坏。最后搭建了逆变器健康和前两种故障下正弦波驱动电机控制试验平台,试验测量结果与计算结果高度吻合,验证了所建立的逆变器故障下电机与控制器的强耦合电磁计算模型及方法的准确性。(3)针对电机定转子结构设计问题,建立了电机相关物理量与转子护套涡流损耗之间的关系式,研究了正弦波驱动下电机相关物理量对电机温度的影响机理。推导了电机相关物理量永磁体厚度、护套厚度、护套间隔宽度、槽口宽度与转子护套涡流损耗之间的数学关系式,且研究了这些物理量及磁桥宽度和高度对电机运行性能、电磁场及温度场的影响机理。研究结果表明:当永磁体厚度为1.5mm时,转子最高温度已超过电机最大允许温度,随着永磁体厚度增加,电机转子温度呈降低趋势,且增大到3mm时电机温度的降低程度已达到饱和;护套厚度与永磁体温度呈非线性变化关系;分段式护套间隔宽度大于5mm时,电机损耗和温度的降低程度已达到饱和;磁桥高度和槽口宽度的增加会直接影响到电机的安全运行。(4)针对电机转子高温问题,研究了正弦波驱动下转子护套结构及材料对永磁同步电机的电磁场和温度场的影响,推导了护套轴向分段数、护套结构参数与护套涡流损耗之间关系,揭示了转子护套结构及材料对转子温度的影响机理。基于切断护套涡流路径的思想,提出了直线式及交错式网孔护套结构、轴向不均匀八分段护套结构、鼠笼式护套结构,同时推导了护套轴向分段数、护套结构参数与护套涡流损耗之间关系,并研究了护套结构及护套分段数对电机电磁场和温度场的影响。基于保温杯真空热阻隔的原理,提出一种新型绝热筒护套结构,对比分析了不同护套结构对电机涡流损耗和温度的影响程度。与样机转子最高温度相比,鼠笼式护套结构、绝热筒护套结构、轴向不均匀八分段护套结构分别降低了11.6%、6.6%、2.1%。直线式和交错式正方形网孔护套分别类似三分段和六分段护套的作用效果,但网孔式护套更有利于节省材料。此外,研究了轴-径向多种复合材料护套结构对电机内电磁场和温度场的影响规律,研究结果表明:不管碳纤维位于不锈钢内或外表面,当碳纤维与不锈钢的厚度比例为9:1时,转子总涡流损耗及温度达到最小值,且与样机温度计算结果相比,永磁体最高温度分别降低了 3.1%和4%;提出抑制永磁体局部最高温度方法后,永磁体最高温度降低了 8.6%,对防止永磁同步电机热退磁具有重要的意义。
【图文】：

实验装置,涡流损耗,转子

明：与方波驱动方法相比，该驱动方法能使转子涡流损耗以及绕组铜耗明显减小，逡逑并以一个功率为８２Ｗ的无刷直流电机为研究对象，搭建了测试电路和转子涡流损逡逑耗模型，对所提出的方法进行验证，如图１－２所示。逡逑ｂｌｄｃｍ逦／７；？ｇＳ邋＾逡逑＇邋ｉｒ邋ｉ邋／１逡逑功率分析仪逡逑图１－２实验装置逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ逡逑针对减小分数槽集中绕组电机转子损耗己经提出了若干种方法，可以大大削弱逡逑单层分数槽集中绕组的低次谐波磁场，如文献［１１３］提出的多相控制方法和文献逡逑［１１４］提出的多层绕组。在不改变单层集中绕组结构的前提下，文献［１１５］提出通过逡逑在定子电枢齿中轴线上放置不导磁材料可以有效阻隔低次谐波电枢磁场穿越定子逡逑轭部。文献［１１６］在定子轭部设置隔磁材料，改变交流绕组磁场的谐波成分，减小其逡逑低次谐波的幅值。逡逑文献［１１７，１１８］从降低转子离心力的角度将永磁同步电机的转子永磁体安置在空逡逑心轴上，这种结构虽然消除了转子离心力带来的影响，但会增加转子涡流损耗。转逡逑子涡流损耗是引起电机高温最直接的原因，国内外很多学者从降低转子涡流损耗逡逑方面达到降低电机温度的目的。浙江大学周凤争从电机设计的角度研宄了定子槽逡逑结构和气隙长度对电机转子涡流损耗方面的影响机理［１１９］。文献［１２０］研宄了永磁体逡逑１０逡逑

护套,形状,转子

研究了永磁体不均匀分块对电机转子涡流损耗的影响，并通过实验验证永磁体不逡逑均匀分块能降低电机转子涡流损耗。文献［１２２］通过从切断转子护蠢表面涡流路径逡逑的角度提出一种新的护套结构，，如图１－３所示，所提出的护套结构能够降低转子涡逡逑流损耗，提商电机效率。逡逑图１－３护套形状逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｈａｐｅ邋ｏｆ邋ｒｅｔａｉｎｉｎｇ邋ｓｌｅｅｖｅ逡逑文献［１２３］研宄了铜屏蔽护套对电机损耗的影响及护套轴向分段减小损耗的作逡逑用，对转子同时采用铜屏蔽套和护套轴向分段这两种方法发现转子涡流损耗呈增逡逑加趋势的结论。文献［１２４］从电机设计的角度，采用解析计算和有限元仿真的方法逡逑研宄了优化定子结构、槽开口大小以及气隙长度可降低高速永磁无刷直流电机转逡逑子损耗。文献［１２５，１２６］提出在转子表面开槽降低转子涡流损耗，同时还可以增加散逡逑热面积，有利于降低转子温升。文献［１２７］提出改变转子上永磁体的位置方法降低逡逑转子涡流损耗。文献［１２８］提出在转子中沿ｄ轴方向安装阻磁片方法降低转子涡流逡逑损耗。文献［１２９］提出了一种单层分数槽集中绕组表贴式永磁同步容错电机的转子逡逑模块化结构，分析了转子模块化结构减小转子损耗的原理，并以１２槽５对极永磁逡逑同步电机为研究对象，研究结果表明采用转子模块化结构后永磁同步电机转子损逡逑耗降低了大约３６％
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM341

【参考文献】