高速電機由于轉(zhuǎn)速高、體積小、功率密度高，在渦輪發(fā)電機、渦輪增壓器、高速加工中心、飛輪儲能、電動工具、空氣壓縮機、分子泵等許多領域得到了廣泛的應用。永磁無刷直流電機由于效率高、氣隙大、轉(zhuǎn)子結構簡單，因此特別適合高速運行。高速永磁無刷直流電機是目前國內(nèi)外研究的熱點，其主要問題在于：（1）轉(zhuǎn)子機械強度和轉(zhuǎn)子動力學；（2）轉(zhuǎn)子損耗和溫升。本文針對高速永磁無刷直流電機主要問題之一的轉(zhuǎn)子渦流損耗進行了深入分析。轉(zhuǎn)子渦流損耗是由定子電流的時間和空間諧波以及定子槽開口引起的氣隙磁導變化所產(chǎn)生的。首先通過優(yōu)化定子結構、槽開口和氣隙長度的大小來降低電流空間諧波和氣隙磁導變化所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子渦流損耗；通過合理地增加繞組電感以及采用銅屏蔽環(huán)的方法來減小電流時間諧波引起的轉(zhuǎn)子渦流損耗。其次對轉(zhuǎn)子充磁方式和轉(zhuǎn)子動力學進行了分析。最后制作了高速永磁無刷直流電機樣機和控制系統(tǒng)，進行了空載和負載實驗研究。論文主要工作包括： 一、采用解析計算和有限元仿真的方法研究了不同的定子結構、槽開口大小、以及氣隙長度對高速永磁無刷直流電機轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響。對于2極3槽集中繞組、2極6槽分布疊繞組和2極6槽集中繞組的三臺電機的定子結構進行了對比，利用傅里葉變換，得到了分布于定子槽開口處的等效電流片的空間諧波分量，然后采用計及轉(zhuǎn)子集膚深度和渦流磁場影響的解析模型計算了轉(zhuǎn)子渦流損耗，通過有限元仿真對解析計算結果加以驗證。結果表明：3槽集中繞組結構的電機中含有2次、4次等偶數(shù)次空間諧波分量，該諧波分量在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生大量的渦流損耗。采用有限元仿真的方法研究了槽開口和氣隙長度對轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響，在空載和負載狀態(tài)下的研究結果均表明：隨著槽開口的增加或者氣隙長度的減小，轉(zhuǎn)子損耗隨之增加。因此從減小高速永磁無刷電機轉(zhuǎn)子渦流損耗的角度考慮，2極6槽的定子結構優(yōu)于2極3槽結構。 二、高速永磁無刷直流電機額定運行時的電流波形中含有大量的時間諧波分量，其中5次和7次時間諧波分量合成的電樞磁場以6倍轉(zhuǎn)子角速度相對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，11次和13次時間諧波分量合成的電樞磁場以12倍轉(zhuǎn)子角速度相對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，這些諧波分量與轉(zhuǎn)子異步，在轉(zhuǎn)子保護環(huán)、永磁體和轉(zhuǎn)軸中產(chǎn)生大量的渦流損耗，是轉(zhuǎn)子渦流損耗的主要部分。首先研究了永磁體分塊對轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響，分析表明：永磁體的分塊數(shù)和透入深度有關，對于本文設計的高速永磁無刷直流電機，當永磁體分塊數(shù)大于12時，永磁體分塊才能有效地減小永磁體中的渦流損耗；反之，永磁體分塊會使永磁體中的渦流損耗增加。為了提高轉(zhuǎn)子的機械強度，在永磁體表面通常包裹一層高強度的非磁性材料如鈦合金或者碳素纖維等。分析了不同電導率的包裹材料對轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響。然后利用渦流磁場的屏蔽作用，在轉(zhuǎn)子保護環(huán)和永磁體之間增加一層電導率高的銅環(huán)。有限元分析表明：盡管銅環(huán)中會產(chǎn)生渦流損耗，但正是由于銅環(huán)良好的導電性，其產(chǎn)生的渦流磁場抵消了氣隙磁場的諧波分量，使永磁體、轉(zhuǎn)軸以及保護環(huán)中的損耗顯著下降，整體上降低了轉(zhuǎn)子渦流損耗。分析了不同的銅環(huán)厚度對轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響，研究表明轉(zhuǎn)子各部分的渦流損耗隨著銅屏蔽環(huán)厚度的增加而減小，當銅環(huán)的厚度達到6次時間諧波的透入深度時，轉(zhuǎn)子損耗減小到最小。 三、對于給定的電機尺寸，設計了兩臺電感值不同的高速永磁無刷直流電機，通過研究表明：電感越大，電流變化越平緩，電流的諧波分量越低，轉(zhuǎn)子渦流損耗越小，因此通過合理地增加繞組電感能有效的降低轉(zhuǎn)子渦流損耗。 四、研究了高速永磁無刷直流電機的電磁設計和轉(zhuǎn)子動力學問題。對比分析了平行充磁和徑向充磁對高速永磁無刷直流電機性能的影響，結果表明：平行充磁優(yōu)于徑向充磁。設計并制作了兩種不同結構的轉(zhuǎn)子：單端式軸承支撐結構和兩端式軸承支撐結構。對兩種結構進行了轉(zhuǎn)子動力學分析，實驗研究表明：由于轉(zhuǎn)子設計不合理，單端式軸承支撐結構的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到40，000rpm以上時，保護環(huán)和定子齒部發(fā)生了摩擦，破壞了轉(zhuǎn)子動平衡，導致電機運行失敗，而兩端式軸承支撐結構的轉(zhuǎn)子成功運行到100，000rpm以上。 五、最后制作了平行充磁的高速永磁無刷直流電機樣機和控制系統(tǒng)，進行了空載和負載實驗研究。對比研究了PWM電流調(diào)制和銅屏蔽環(huán)對轉(zhuǎn)子損耗的影響，研究表明：銅屏蔽環(huán)能有效的降低轉(zhuǎn)子渦流損耗，使轉(zhuǎn)子損耗減小到不加銅屏蔽環(huán)時的1/2；斬波控制會引入高頻電流諧波分量，使得轉(zhuǎn)子渦流損耗增加。通過計算繞組反電勢系數(shù)的方法，得到了不同控制方式下帶銅屏蔽環(huán)和不帶銅屏蔽環(huán)轉(zhuǎn)子永磁體溫度。采用簡化的暫態(tài)溫度場有限元模型分析了轉(zhuǎn)子溫升，有限元分析和實驗計算結果基本吻合，驗證了銅屏蔽環(huán)的有效性。
標簽：
無刷直流
電機轉(zhuǎn)子
渦流損耗
上傳時間：
2013-05-18
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