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内置式永磁同步电机的建模、分析与设计

郭丽艳  
【摘要】:内置式永磁同步电机具有运行转速范围宽,功率密度高以及过载能力强的优势,因此适合用作城轨列车及电动汽车中的牵引电机。本文以牵引用内置式永磁同步电机为研究对象,针对内置式永磁同步电机建模困难、电枢反应磁场易使永磁体不可逆退磁及电机高速运行时铁耗较高等问题,围绕电机的建模、分析与设计展开研究。针对内置式永磁同步电机因边界形状不规则且铁心中存在明显磁饱和导致磁场建模困难的问题,本文将每极下的各块永磁体分段,细化转子极靴部分的磁网络单元,并考虑极靴中d、q轴磁场的流通路径为极靴部分每个细化的网格既设置径向磁导单元也设置切向磁导单元,建立了内置式永磁同步电机的改进等效磁网络模型。基于该模型,准确计算了电机的磁场分布、各项电磁性能及永磁体工作点。并利用建立的模型分析了电机中关键参数对电机磁场、电磁性能及永磁体工作点的影响。针对内置式永磁同步电机负载运行时,电枢电流超前反电势,产生退磁磁场,容易造成永磁体不可逆退磁的问题,本文建立永磁体的指数退磁模型,并推导了永磁体上各点沿永磁体磁化方向的磁密分量表达式,基于此建立起一个用于分析永磁体退磁的计算模型。利用该模型详细分析了电枢电流对永磁体不可逆退磁的影响及相关影响机理,并提出几种对转子中空气隔磁槽结构的改进措施来增强永磁体抗退磁能力,详细分析了各改进措施中相关变量对永磁体不可逆退磁及电机额定电磁转矩的影响,最终,兼顾永磁体抗退磁能力及额定电磁转矩,得到一种较优的空气隔磁槽改进结构。针对内置式永磁同步电机运行转速较高时,电机中气隙磁场基波及其谐波分量的交变频率较高,引起较大电机铁耗的问题,本文提出了一种新型空气隔磁槽结构对电机的转子结构进行改进,通过改进转子结构,有效削弱了电机中的铁耗。进一步,在电机的多个典型运行点处基于Taguchi法对提出的转子改进结构进行优化设计使其在电机的各个运行阶段均能很好的发挥作用。电动汽车的运行工况要求其牵引电机有较宽的运行转速范围及较强的过载能力,针对电动汽车牵引电机的性能要求,本文设计并制造了一台内置式永磁同步电机,该电机具有较正弦的气隙磁场分布、较低的铁耗及较小的电磁转矩波动,通过有限元仿真及实验验证了所设计样机的合理性。


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