轻质化高速大功率永磁同步电机关键技术研究
发布时间：2022-02-14 13:34
高速电机具有功率密度高、效率高、体积小等优点,在很多领域中得到了广泛的应用。然而,在某些特殊的应用场合要求电机在短时间内输出极限功率,这类电机在设计方法和思路上与传统的电机不同,在损耗、温升方面也与普通高速电机有着明显的差异。本课题以两台泵用电机作为研究背景,研究轻质化、高速、大功率永磁同步电机的关键技术。首先,本文研究了电机的负载运行矢量图,分析永磁同步电机极限功率无法提高的原因,研究限制电机极限输出功率的主要因素;基于课题应用需求,完成了高速永磁同步电机极限输出功率的计算,并得到极限输出功率状态下的电机设计方法;建立电机全尺寸参数化模型,分析电机主要参数对功率密度的影响,最终得出了电机的设计方案,利用有限元仿真软件对其进行验证。其次,针对驱动器中PWM变流装置产生的高频时间谐波,研究其对电机电磁、损耗及温升的影响规律,并着重对各部分损耗进行分析。对于铜损,针对高频谐波引起的集肤效应,研究其对电机相电阻的影响;对于铁损,引入谐波系数对传统的Bertotti公式进行了修正,可以快速计算考虑时间谐波下的电机铁损;对于转子涡流损耗,建立电机直角坐标系下的计算模型,计算考虑时间、空间谐波下的...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省211工程院校985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电机高温
标，近年来高速、高功率密度电机已经成为了研究热点。日本北海道大学的YuFu和MasatsuguTakemoto等人设计出一台转速为60000rpm的无轴承高速电机[17]。为降低电机的转子损耗，气隙长度设计为6mm，气隙磁密为0.8T。该电机的驱动器使用了3kHz的开关频率，同时在额定输入电密6A/mm2的情况下输出功率约为50kW，体积功率密度达到了15kW/L，同时效率可以保持在96%以上。韩国的三星公司设计的高速电机如图8所示[18]。传统的高速电机大多数采用表贴式结构，而该电机为了省去掉护套结构以及节约磁钢用量，采用了多层内置式结构，如图1-5所示。相比表贴式结构，在不影响其他性能的情况下该电机约节约了53%的磁钢用量，此外还减少了永磁体涡流损耗。电机额定转速40000rpm，母线电压240V，采用2极18槽结构。由于转子损耗较小，气隙长度可以适当减小以提升磁负荷，最终该电机气隙长度为2mm，额定输出功率8kW。图1-5多层内置式高速电机转子结构英国诺丁汉大学的AhmedAl-Timimy等人设计出一台使用分数槽的高速高功率密度永磁同步电机[19]。该电机采用8极9槽结构，为达到最大转速，在电机超过8700rpm时使用了弱磁控制，而在最大转速点电机效率不高，为86.5%。在最高转速19000rpm时最高输出转矩可达5Nm，整机质量不超过2.5kg，峰值功率密度超过了4kW/kg。国内方面，哈尔滨工业大学的曹海川等人研制出了一台电感集成式高速无槽电机如图1-6所示[20,21]。该电机的转子部分由采用一种新型双层Halbach阵列结构，如图1-6(a)所示，2对磁极每个磁极分两段，采用平行充磁，具有结构简单、易于加工等优点，适用于高速电机。定子部分采用了环形绕组，使用
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-固定在定子内壁上的骨架对内层绕组进行隔离。这种新型高速无槽电机可以有效抑制永磁体部分的温升，适用于高功率密度场合。a)双层Halbach阵列转子b)环形绕组结构图1-6电感集成式高速无槽永磁电机沈阳工业大学的FenggeZhang等人提出一台100kW、50000rpm高速永磁同步电机的设计方案[22]。电机采用2极36槽结构，最大功率密度可达3.3kW/kg，并对电机的结构强度、转子应力等问题进行了研究和验证。文献[23]中对比了高速电机常用的2极结构中三种不同的充磁方式，如图1-7。采用平行充磁气隙磁密正弦度最好，且基波幅值最大。采用径向充磁时，空载磁密波形接近方波，基波幅值最校而Halbach充磁虽然气隙磁密峰值最大，且波形接近正弦波，但在槽开口处畸变较大，基波幅值略小于平行充磁。(a)平行充磁(b)径向充磁(c)Halbach充磁图1-72极电机不同充磁方式1.2.4高速电机损耗、温度场计算研究现状高速电机虽然有着较高的功率密度，但其较高的主频率也会带来很多损耗、温升方面的问题。随着电力电子技术的快速发展，PWM技术被广泛的应用于电机驱动系统中，而PWM变流器不可避免地在电机相电流中输入一定量的高次时间谐波，这些谐波的幅值、频率与电机相电流基波以及调制比有关。对于本课题所研究的高速大功率电机来说，由于相电流的幅值、频率较高，时间谐波的幅值、频率也会较高，这会在实际运行中很大程度地提高电机的损耗、温升，给电机的安全性、稳定性带来负面影响。因此，尽可能精确计算高速电机的损耗和温升是具有十分重要意义的，国内外研究者针对高速电机损耗、温度场的计算在不同方面展开了研究。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高速电机绕组交流铜耗的计算与测量[J]. 夏雪,黄允凯,彭飞,祝子冲,张津栋. 微电机. 2019(12)
[2]基于等效热网络法的永磁同步电机温升计算[J]. 周晓燕,孙立翔,王金平. 微电机. 2019(11)
[3]基于修正Bertotti模型的变压器铁心谐波磁损耗计算与验证[J]. 赵志刚,魏乐,郭莹,刘佳,杨凯,尹赛宁. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2019(12)
[4]非正弦励磁环境磁性材料改进损耗模型的研究[J]. 赵志刚,刘佳,郭莹,尹赛宁,杨凯. 电工技术学报. 2019(13)
[5]永磁轮毂电机过载状态下的温升计算[J]. 陈蕾,孙跃,方金龙,鲍晓华. 电气工程学报. 2019(01)
[6]考虑集肤效应和邻近效应的变压器绕组谐波损耗计算及实验研究[J]. 尹忠东,魏文思,王萍,王斌. 电力系统保护与控制. 2019(04)
[7]电动泵压式液体火箭发动机系统建模与仿真[J]. 刘洋,付本帅,杨建刚,何国强,何渊博,刘佩进. 载人航天. 2019(01)
[8]电动汽车用永磁同步电机温升计算不同方法对比分析[J]. 李伟业,吴江权,王春燕,冯江华. 防爆电机. 2019(01)
[9]磁钢充磁方式对高速永磁电机性能的影响研究[J]. 张炳义,蒋鑫,冯桂宏. 机电工程. 2018(07)
[10]液氧煤油高压补燃循环发动机深度变推力系统方案研究[J]. 谭永华,杜飞平,陈建华,张淼. 推进技术. 2018(06)
博士论文
[1]高空飞行器用高效率高功率密度永磁同步电机研究[D]. 张江鹏.哈尔滨工业大学 2018
[2]高速永磁同步电机的损耗分析与温度场计算[D]. 江善林.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]永磁同步电机高温环境下性能及温升特性研究[D]. 孙曌续.哈尔滨工业大学 2017
[2]关节电机过载温度场及线性传感磁场优化的研究[D]. 陈影.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：3624655
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省211工程院校985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电机高温
标，近年来高速、高功率密度电机已经成为了研究热点。日本北海道大学的YuFu和MasatsuguTakemoto等人设计出一台转速为60000rpm的无轴承高速电机[17]。为降低电机的转子损耗，气隙长度设计为6mm，气隙磁密为0.8T。该电机的驱动器使用了3kHz的开关频率，同时在额定输入电密6A/mm2的情况下输出功率约为50kW，体积功率密度达到了15kW/L，同时效率可以保持在96%以上。韩国的三星公司设计的高速电机如图8所示[18]。传统的高速电机大多数采用表贴式结构，而该电机为了省去掉护套结构以及节约磁钢用量，采用了多层内置式结构，如图1-5所示。相比表贴式结构，在不影响其他性能的情况下该电机约节约了53%的磁钢用量，此外还减少了永磁体涡流损耗。电机额定转速40000rpm，母线电压240V，采用2极18槽结构。由于转子损耗较小，气隙长度可以适当减小以提升磁负荷，最终该电机气隙长度为2mm，额定输出功率8kW。图1-5多层内置式高速电机转子结构英国诺丁汉大学的AhmedAl-Timimy等人设计出一台使用分数槽的高速高功率密度永磁同步电机[19]。该电机采用8极9槽结构，为达到最大转速，在电机超过8700rpm时使用了弱磁控制，而在最大转速点电机效率不高，为86.5%。在最高转速19000rpm时最高输出转矩可达5Nm，整机质量不超过2.5kg，峰值功率密度超过了4kW/kg。国内方面，哈尔滨工业大学的曹海川等人研制出了一台电感集成式高速无槽电机如图1-6所示[20,21]。该电机的转子部分由采用一种新型双层Halbach阵列结构，如图1-6(a)所示，2对磁极每个磁极分两段，采用平行充磁，具有结构简单、易于加工等优点，适用于高速电机。定子部分采用了环形绕组，使用
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-固定在定子内壁上的骨架对内层绕组进行隔离。这种新型高速无槽电机可以有效抑制永磁体部分的温升，适用于高功率密度场合。a)双层Halbach阵列转子b)环形绕组结构图1-6电感集成式高速无槽永磁电机沈阳工业大学的FenggeZhang等人提出一台100kW、50000rpm高速永磁同步电机的设计方案[22]。电机采用2极36槽结构，最大功率密度可达3.3kW/kg，并对电机的结构强度、转子应力等问题进行了研究和验证。文献[23]中对比了高速电机常用的2极结构中三种不同的充磁方式，如图1-7。采用平行充磁气隙磁密正弦度最好，且基波幅值最大。采用径向充磁时，空载磁密波形接近方波，基波幅值最校而Halbach充磁虽然气隙磁密峰值最大，且波形接近正弦波，但在槽开口处畸变较大，基波幅值略小于平行充磁。(a)平行充磁(b)径向充磁(c)Halbach充磁图1-72极电机不同充磁方式1.2.4高速电机损耗、温度场计算研究现状高速电机虽然有着较高的功率密度，但其较高的主频率也会带来很多损耗、温升方面的问题。随着电力电子技术的快速发展，PWM技术被广泛的应用于电机驱动系统中，而PWM变流器不可避免地在电机相电流中输入一定量的高次时间谐波，这些谐波的幅值、频率与电机相电流基波以及调制比有关。对于本课题所研究的高速大功率电机来说，由于相电流的幅值、频率较高，时间谐波的幅值、频率也会较高，这会在实际运行中很大程度地提高电机的损耗、温升，给电机的安全性、稳定性带来负面影响。因此，尽可能精确计算高速电机的损耗和温升是具有十分重要意义的，国内外研究者针对高速电机损耗、温度场的计算在不同方面展开了研究。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高速电机绕组交流铜耗的计算与测量[J]. 夏雪,黄允凯,彭飞,祝子冲,张津栋. 微电机. 2019(12)
[2]基于等效热网络法的永磁同步电机温升计算[J]. 周晓燕,孙立翔,王金平. 微电机. 2019(11)
[3]基于修正Bertotti模型的变压器铁心谐波磁损耗计算与验证[J]. 赵志刚,魏乐,郭莹,刘佳,杨凯,尹赛宁. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2019(12)
[4]非正弦励磁环境磁性材料改进损耗模型的研究[J]. 赵志刚,刘佳,郭莹,尹赛宁,杨凯. 电工技术学报. 2019(13)
[5]永磁轮毂电机过载状态下的温升计算[J]. 陈蕾,孙跃,方金龙,鲍晓华. 电气工程学报. 2019(01)
[6]考虑集肤效应和邻近效应的变压器绕组谐波损耗计算及实验研究[J]. 尹忠东,魏文思,王萍,王斌. 电力系统保护与控制. 2019(04)
[7]电动泵压式液体火箭发动机系统建模与仿真[J]. 刘洋,付本帅,杨建刚,何国强,何渊博,刘佩进. 载人航天. 2019(01)
[8]电动汽车用永磁同步电机温升计算不同方法对比分析[J]. 李伟业,吴江权,王春燕,冯江华. 防爆电机. 2019(01)
[9]磁钢充磁方式对高速永磁电机性能的影响研究[J]. 张炳义,蒋鑫,冯桂宏. 机电工程. 2018(07)
[10]液氧煤油高压补燃循环发动机深度变推力系统方案研究[J]. 谭永华,杜飞平,陈建华,张淼. 推进技术. 2018(06)
博士论文
[1]高空飞行器用高效率高功率密度永磁同步电机研究[D]. 张江鹏.哈尔滨工业大学 2018
[2]高速永磁同步电机的损耗分析与温度场计算[D]. 江善林.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]永磁同步电机高温环境下性能及温升特性研究[D]. 孙曌续.哈尔滨工业大学 2017
[2]关节电机过载温度场及线性传感磁场优化的研究[D]. 陈影.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：3624655
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/3624655.html
