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高速永磁同步电机电磁分析与转子动力学研究

于吉坤  
【摘要】:高速永磁同步电机(High Speed Permanent Magnet Synchronous Motor,HSPMSM)具有功率密度大、响应速度快和效率高等显著优点,广泛应用在机床主轴、空气压缩机、真空泵、分布式发电、飞轮储能和摩擦焊接等领域。由于工作频率较高,有限的功率器件开关频率导致变频器载波比较低,较少的电枢绕组匝数和较低永磁体磁导率导致高速永磁电机电感值较小,造成电枢绕组电流中出现丰富的高频谐波成分,增加电机高频电磁损耗,加重电机发热,降低电机效率和可靠性。另外旋转速度越快,转子系统涡动越强,两者越接近,振动和噪声越大,严重时会造成电机结构故障。本文以机床主轴用永磁同步电机为研究对象,以建立高速永磁同步电机电磁性能和机械性能分析方法、揭示磁场、损耗、电磁力和振动的产生机理、计算方法和影响规律为研究目标,开展电源谐波的分析、电磁损耗的计算、开槽电机磁场的解析和机电耦合转子动力学特性的研究。首先,分别建立理想和非理想的正弦和非正弦PWM逆变电路输出电压分析模型,结合HSPMSM数学模型,推导出HSPMSM相电压和相电流傅里叶级数表达式,归纳相电压和相电流的频谱分布规律,模型适用于分析计及采样规则、死区效应、延迟效应、脉宽限值和非整数载波比等复杂情况,并得到仿真和实验验证。将模型应用于PWM逆变电路控制策略的优化,开展谐波注入PWM调制方式对电流纹波抑制的研究,抑制效果通过实验验证。其次,建立计及PWM激励电源高频谐波的HSPMSM电磁损耗分析模型,具体包括线材绕组损耗分析模型、片材铁心损耗分析模型和分块导体涡流损耗模型,并详细推导准确计算各种电磁损耗公式。基于HSPMSM高频电磁损耗计算模型,对脉宽调制电压源、脉宽调制电流源、正弦电压源和正弦电流源供电条件下,HSPMSM的各电磁损耗进行比较,进一步揭示电机及控制系统参数对HSPMSM各电磁损耗影响规律,并通过电磁损耗和机械损耗的分离实验进行验证。再次,载流线圈采用代数化和集合化的处理方法,模拟电枢绕组和永磁体,推导无槽HSPMSM电枢反应磁场和永磁体励磁磁场的解析表达式。使用气隙比磁导描述HSPMSM开槽效应,利用镜像和保角变换,将S平面内有槽结构气隙域,经Z平面和W平面的映射,得到T平面内的等效无槽结构气隙域,并得到整个有槽HSPMSM的气隙比磁导表达式。无槽HSPMSM磁场和有槽HSPMSM气隙比磁导相乘,可以获得开槽HSPMSM磁场的解析表达式,进而解析计算电枢反应电感、反电动势、电磁力和齿槽转矩等HSPMSM的主要性能参数,解析结果利用有限元仿真结果验证。最后,高速电机转子系统等效为弹性轴、集中质量和弹簧单元的组合,将等效单元的动能和势能代入拉格朗日方程,得到单元自由运动模型,合成得到系统机电耦合自由运动模型,为研究转子系统涡动、临界转速和振型奠定了理论基础,总结高速转子系统结构参数对临界转速影响规律和敏感性。采用质量偏心激振源、阶跃激振源模拟高速转子系统受迫运行特性,分别推导离心力和驱动力作用时转子系统受迫运动方程,进而研究转子系统稳态响应和瞬态响应行为,指导高速电机转子系统的优化设计。


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