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大功率永磁无刷直流电机及其系统研究

陶桂林  
【摘要】:大功率永磁无刷直流电机驱动系统由于运行效率高、调速性能好、可靠性高等优 点,在国外已成功应用于对系统效率、可靠性有特殊要求的推进领域中。然而,国际 上关于大功率永磁无刷电机及其驱动系统的成套技术一直对我实行封锁;在国内,永 磁无刷电机的研究主要集中在中小功率方面,大功率永磁无刷直流电机及其驱动系统 的研究尚处在起步阶段,在大功率永磁无刷电机的设计和驱动系统的研制方面都存在 大量值得研究的问题。 本课题为研究大功率永磁无刷直流电机及其驱动系统而设计了一台 50kW多相永 磁无刷直流电机,该电机的设计最大限度地模拟了某大功率多相永磁无刷直流电机的 基本结构,驱动系统也基本采用了某大功率永磁无刷直流电机的主电路结构。本文以 该电机为分析和研究对象,对大功率永磁无刷直流电机及其驱动系统的工作原理、参 数选取和电机工作情况进行了分析、总结和预测,为大功率永磁无刷直流电机及其驱 动系统的研制提供了宝贵的经验。全文内容如下: 首先,介绍了一种以晶闸管为主要功率元件的大功率永磁无刷直流电机驱动系 统。该系统采用电容强迫换流技术,与普通无刷直流电机的换流原理和控制逻辑不同。 本文通过对电机各运行的状态的分类分析,总结了这种驱动系统的触发逻辑控制规 律,优化了逻辑控制程序,为永磁无刷直流电机驱动系统的仿真和实际系统的开发提 供了依据。 其次,本文通过对驱动系统换流过程的详细分析,总结了有关参数如电机电感、 换相电容等对电机换流过程的影响程度、趋势和规律。给出了驱动系统主要参数选取 的依据和选择方法,并通过样机进行了实验验证,为大功率永磁无刷直流电机驱动系 统的主电路设计提供理论支持。 为准确预测大功率永磁无刷直流电机驱动系统的运行性能,建立了永磁无刷直流 电机的电路模型和 S 函数模型,并阐述了其在 Matlab/Simulink 平台下的建模原理和实 现方法。本文提出的两种电机模型,相互补充,准确预知了永磁无刷电机驱动系统的 运行特性,大大加速驱动系统研制过程。其中,电路模型具有仿真效率高,便于研究 驱动系统主电路参数对系统性能的影响,从而对主电路参数进行优化;S 函数模型便 I WP=5 于对电机内部细节进行分析,为揭示电机内部变量的变化规律提供了有力的手段。 以样机为主要研究对象,对切向磁化结构永磁无刷直流电机的电枢反应情况进行 了实测、分析和总结。分析结果表明等效磁路法在计算永磁无刷电机的空载工作点是 准确的、可行的;但对负载情况的电枢反应计算则存在较大误差,应采用磁场分析进 行补充。结合其它两台同结构电机的比较分析,对永磁无刷直流电机的设计要点进行 了总结,指出切向磁化结构的永磁无刷直流电机的定子轭和定子齿的磁路不宜设计得 过高,否则电枢反应较严重,影响电机出力。 本文最后对由电压型逆变器驱动的无刷直流电机的运行特性进行了分析,推导了 电机机械特性的计算公式,为无刷直流电机的设计提供了计算依据,指出电压型无刷 直流电机的机械特性不能直接套用有刷直流电机的公式进行计算。 通过对这台 50kW 多相永磁无刷直流电机样机的研究,我们基本掌握了大功率永 磁无刷电机本体设计的要点和驱动系统主电路参数选取的依据,为大功率永磁无刷直 流电机驱动系统设计积累了宝贵的经验。


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