永磁同步电机优化设计及性能测试的研究

发布时间：2017-07-25 23:17

  本文关键词：永磁同步电机优化设计及性能测试的研究

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【摘要】：永磁同步电机作为机器人的关键零部件,其设计的好坏关系到机器人的动态响应、精度、可靠性和效率等诸多性能。我国对于永磁同步电机的研发与制造能力还比较薄弱、产品性能质量低。传统的基于等效磁路计算后根据经验系数修正的方法已无法满足高精度、高效率和高复杂度的电机优化设计。研究基于平台的永磁同步电机优化设计,精确的分析电机性能参数,得到更加优化的设计方案,对提高自主品牌电机的性能和推动我国机器人行业的发展具有重大的现实意义。本文对影响永磁同步电机的定位精度、性价比、效率和可靠性的关键因素,包括转矩波动、永磁体设计和校核、绕组铜损和铁芯损耗及温度场分布进行了有限元分析。首先,通过对转矩波动的仿真分析发现,不同极槽配合的电机转矩波动的周期与齿槽转矩的周期有所不同,基于齿槽转矩周期设计的永磁体分段斜极角对电机转矩波动的削弱效果十分有限。提出了基于转矩波动周期设计永磁体分段斜极角的方法。对6种极槽配合电机转矩波动的削弱效果进行了仿真分析,表明提出方法设计的分段斜极角可大大削弱转矩波动。其次,分析了不同表贴式永磁体形状和充磁方向对电机性能和参数的影响,优化了永磁体的形状及充磁方向,对优化的永磁体进行了样机实验,证明样机反电动势基波幅值有所提高且谐波含量较低。为校核永磁体设计的合理性,避免产生不可逆退磁,采用有限元分析电机的磁路参数,计算永磁体空载工作点,并分析了设计的电机在额定运行状态和3倍电流起动状态下永磁体在120℃时不发生不可逆退磁。最后,推导了约束条件下绕组铜损的解析表达式,建立了定子槽坐标模型,分析了定子外径、定子磁密且输出转矩为约束条件时使绕组铜损最小的定子内径。根据实际控制算法,采用Simplorer建立了控制系统的模型,采用有限元方法分析了电机在实际控制系统下内部磁场和铁损的变化,分析结果表明变频器供电条件下电机内部磁场谐波含量和铁芯损耗大大增加,铁芯损耗约为正弦波供电时的2倍。根据仿真分析得到的绕组铜损和铁芯损耗,采用热路网络法分析得到等效热阻和各节点温度。与实验对比验证了分析结果的正确性。
【关键词】：永磁同步电机 转矩波动 永磁体 损耗分析 温度场分布
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM341;TP242
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 绪论7-13
• 1.1 课题背景及研究意义7
• 1.2 永磁同步电机研究现状7-11
• 1.2.1 转矩波动7-9
• 1.2.2 永磁体的优化及校核9-10
• 1.2.3 损耗及温升10-11
• 1.3 本文的主要研究内容11-13
• 第二章 永磁同步电机的基本理论13-17
• 2.1 永磁材料的热稳定性分析13
• 2.2 永磁同步电机矢量控制系统数学模型13-16
• 2.3 本章小结16-17
• 第三章 基于永磁体分段斜极的转矩波动削弱方法17-33
• 3.1 齿槽转矩解析分析17-19
• 3.2 齿槽转矩削弱措施研究19-27
• 3.2.1 齿顶开辅助槽削弱齿槽转矩20-25
• 3.2.2 永磁体分段斜极削弱齿槽转矩25-27
• 3.3 分数槽集中绕组电机转矩波动规律研究27-29
• 3.4 永磁体分段斜极削弱转矩波动的设计29-32
• 3.4.1 基于转矩波动周期的永磁体分段斜极角设计29-30
• 3.4.2 仿真验证30-32
• 3.5 本章小结32-33
• 第四章 永磁体的优化设计及其工作点的有限元分析33-47
• 4.1 永磁体形状与充磁方式的优化设计33-38
• 4.1.1 永磁体形状与充磁方式对谐波含量的影响35-36
• 4.1.2 永磁体形状与充磁方式对齿槽转矩和转矩波动影响36-37
• 4.1.3 永磁体形状与充磁方式对损耗的影响37-38
• 4.2 永磁体形状的工艺可行性分析38-39
• 4.2.1 永磁体形状与永磁材料利用率的关系38-39
• 4.2.2 不同形状永磁体的加工与装配39
• 4.3 永磁体的优化设计及样机实验39-40
• 4.4 永磁体空载工作点分析与退磁校核40-46
• 4.4.1 永磁体空载工作点分析40-44
• 4.4.2 永磁体局部退磁校核44-46
• 4.5 本章小结46-47
• 第五章 永磁同步电机损耗及温度场分析47-63
• 5.1 约束条件下定子内径的设计对铜损的影响47-52
• 5.1.1 约束条件下的绕组铜损解析分析47-48
• 5.1.2 基于坐标表示的定子槽建模48-50
• 5.1.3 最优定子内径解析分析50-52
• 5.1.4 实验验证52
• 5.2 变频器供电条件下铁芯损耗的仿真分析52-58
• 5.2.1 基于Simplorer电机控制系统的仿真53-55
• 5.2.2 不同供电条件下定子磁场分析55-57
• 5.2.3 铁芯损耗仿真与实验对比57-58
• 5.3 永磁同步电机温度场分析58-61
• 5.3.1 热分析中电机模型的建立及材料热系数和热源的确定58-61
• 5.3.2 基于Motor CAD的温度场分析与实验61
• 5.4 本章小节61-63
• 第六章 永磁同步电机性能测试63-69
• 6.1 永磁体分段斜极削弱齿槽转矩和转矩波动的实验63-65
• 6.1.1 齿槽转矩测试63-64
• 6.1.2 转矩波动实验64-65
• 6.2 不同永磁体形状和充磁方式对电机性能的影响实验65-67
• 6.2.1 齿槽转矩实验65-66
• 6.2.2 空载反电势实验66-67
• 6.2.3 空载损耗实验67
• 6.3 本章小节67-69
• 第七章 主要结论与展望69-71
• 7.1 主要结论69
• 7.2 展望69-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-75
• 附录: 作者在攻读硕士学位期间发表的论文75

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本文编号：573756