新型永磁電機(jī)的設(shè)計、分析與應(yīng)用研究.pdf

1、永磁電機(jī)是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ母咝Ч?jié)能動力裝置，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的諸多領(lǐng)域中正日益得到廣泛的應(yīng)用。在我國大力提倡節(jié)能減排的宏觀背景下，開發(fā)和研究新型的高效節(jié)能永磁同步電動機(jī)，降低用電設(shè)備的耗電量，不僅符合國家的宏觀政策導(dǎo)向，而且具有良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。復(fù)式永磁同步電機(jī)和直驅(qū)式抽油機(jī)就是針對油田中耗電量最大且為數(shù)眾多的傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)提出的。直驅(qū)式抽油機(jī)改變了復(fù)雜笨重的機(jī)械傳動方式，利用復(fù)式永磁同步電機(jī)低轉(zhuǎn)速、大輸出轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，直接驅(qū)

2、動抽油機(jī)負(fù)載，提高了抽油機(jī)的系統(tǒng)效率和功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)了良好的節(jié)電效果。復(fù)式永磁電機(jī)是將雙盤式電機(jī)與圓筒形外轉(zhuǎn)子電機(jī)在三維空間上組合而成的，提高了電機(jī)單位體積內(nèi)的輸出轉(zhuǎn)矩。本論文從復(fù)式永磁同步電機(jī)的設(shè)計計算方法、電機(jī)內(nèi)電磁場的分析、電機(jī)參數(shù)的優(yōu)化、齒槽轉(zhuǎn)矩的抑制、電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究，到復(fù)式永磁電機(jī)的測試試驗(yàn)及其在直驅(qū)式抽油機(jī)中應(yīng)用和系列化的討論，對這一新型結(jié)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行了全面的理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證工作。 本論文所研究的另一種永磁

3、電機(jī)是針對磁浮交通系統(tǒng)中的長定子直線同步電機(jī)提出的改進(jìn)型電機(jī)結(jié)構(gòu)，即內(nèi)置永磁體式永磁電勵混合勵磁直線同步電機(jī)。研究這一新型結(jié)構(gòu)的出發(fā)點(diǎn)是為了減少懸浮勵磁次級的耗電量，達(dá)到節(jié)省車載電源能耗的目的。這對減小磁浮列車上勵磁次級的體積和重量，降低車載電源容量，提高整車性能都有一定的實(shí)際意義。 本論文的研究工作主要集中在以下幾個方面： 1．在復(fù)式永磁同步電機(jī)這一新型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有的調(diào)速永磁同步電機(jī)的設(shè)計方法和解析計算公式進(jìn)行

4、歸納、總結(jié)及推演，形成了適用于復(fù)式永磁電機(jī)的電磁參數(shù)設(shè)計計算方法。對復(fù)式永磁電機(jī)工作特性的研究表明，定子直流電阻值對電機(jī)特性的影響很大，它使最大電磁功率對應(yīng)的功角小于90°，使定子銅耗在電機(jī)總損耗中占據(jù)絕大部分，使電機(jī)效率隨負(fù)載率的增加呈逐步下降的走勢。 2．針對復(fù)式永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，先使用三維CAD軟件構(gòu)建立體模型，直接在三維圖形中進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改工作，再用工程制圖軟件AutoCAD繪制二維工程圖。為保證電機(jī)結(jié)構(gòu)的可靠性，應(yīng)用

5、材料力學(xué)的相關(guān)知識，對以電機(jī)主軸為代表的主要零部件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度方面的分析校核工作。對于電機(jī)溫升問題，將等效熱路法進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，推?dǎo)出適合于復(fù)式永磁電機(jī)使用的溫升計算公式，對樣機(jī)的溫升進(jìn)行了計算，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，誤差不大于6％。 3．應(yīng)用永磁電機(jī)三維磁場的有限元分析方法，對復(fù)式永磁電機(jī)作適當(dāng)簡化后進(jìn)行建模，使用該模型對電機(jī)內(nèi)空載和負(fù)載磁場的分布情況、空載漏磁以及不同功角時的輸出轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行了分析計算。對于抑制復(fù)式永磁電機(jī)齒

6、槽轉(zhuǎn)矩的問題，采用齒槽轉(zhuǎn)矩的解析分析與有限元計算相互印證的方式，對電機(jī)的筒形和盤形部分分別進(jìn)行討論。通過復(fù)式永磁電機(jī)的解析計算方法，以有限元方法為輔助，針對重要結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機(jī)性能的影響進(jìn)行分析，由此得出這些參數(shù)的最佳取值范圍。 4．根據(jù)復(fù)式永磁電機(jī)直軸和交軸電感近似相等的特點(diǎn)，采用合適的矢量控制策略，并使用EKF算法估計轉(zhuǎn)速以替代機(jī)械傳感器的檢測，實(shí)現(xiàn)復(fù)式永磁電機(jī)的無位置傳感器矢量控制系統(tǒng)。從控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計、系統(tǒng)框圖的建

7、立到軟件流程的制定，對復(fù)式永磁電機(jī)的驅(qū)動控制系統(tǒng)進(jìn)行了前期研究工作。采用MATLAB/Simulink仿真軟件對控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明控制系統(tǒng)對電機(jī)的控制效果理想。 5．在試驗(yàn)塔架上應(yīng)用新型永磁電機(jī)測量系統(tǒng)對復(fù)式永磁電機(jī)進(jìn)行了空載、負(fù)載和溫升試驗(yàn)，并將電機(jī)的理論計算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。 6．根據(jù)游梁式抽油機(jī)的型號標(biāo)準(zhǔn)，從替代游梁式抽油機(jī)的角度對直驅(qū)式抽油機(jī)及復(fù)式永磁電機(jī)的系列化進(jìn)行了討論。說明了直驅(qū)式

8、抽油機(jī)能夠節(jié)電增產(chǎn)的原因，并給出了節(jié)電效果的實(shí)測數(shù)據(jù)。檢測數(shù)據(jù)表明，同型號的直驅(qū)式抽油機(jī)比異步電機(jī)驅(qū)動的游梁式抽油機(jī)節(jié)電50％以上。 7．對現(xiàn)有的永磁電勵混合勵磁直線同步電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)的角度，提出了兩種新型的混合勵磁次級結(jié)構(gòu)——內(nèi)置永磁體半隔磁式和內(nèi)置永磁體全隔磁式混合勵磁結(jié)構(gòu)。對比半隔磁式和全隔磁式結(jié)構(gòu)，由于后者漏磁更少，同等條件下獲得的懸浮力更大，因此對全隔磁式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更為深入細(xì)致的分析。采用二維電磁場的有限元分析方法，