諧波電流注入式多相永磁電機分析與優(yōu)化.pdf

1、多相永磁電機同時具有多相電機和永磁電機的優(yōu)點，其中，諧波電流注入式多相永磁電機可通過注入諧波電流提高轉矩密度，在艦船推進、電動汽車、風力發(fā)電等對電機體積和重量要求較高的領域有良好的應用前景。為利用諧波電流，諧波電流注入式多相永磁電機可采用整數(shù)槽集中繞組，但其端部相互重疊，相間耦合較強，限制了電機的容錯運行能力；采用分數(shù)槽集中繞組時，繞組端部無重疊、相間耦合較弱，具有較強的容錯運行能力，但由于采用短距線圈，諧波繞組系數(shù)較低，不適合采用諧波

2、電流注入方式進行控制。為此，本文提出一種新型的容錯型諧波電流注入式多相永磁電機，并對其展開研究。
　　本文在分析和總結容錯型諧波電流注入式多相永磁電機繞組需求的基礎上，提出了一種采用整距線圈的多相分數(shù)槽集中繞組結構——多相分數(shù)槽集中整距繞組。該繞組各次諧波繞組系數(shù)均為1，且可實現(xiàn)雙層結構相繞組間的機械和熱隔離。與常規(guī)多相分數(shù)槽集中繞組永磁電機對比，多相分數(shù)槽集中整距繞組電機相間互感更小，正常和開路故障運行狀態(tài)下的平均轉矩更高。由于

3、諧波電流注入量直接影響電機運行性能，在進一步分析多相分數(shù)槽集中整距繞組永磁電機之前，先對諧波電流注入量的確定方法進行了研究。建立了電磁轉矩與諧波電流之間的關系，指出為使平均轉矩最大化，諧波電流的幅值比應等于對應次數(shù)反電動勢諧波的幅值比，且可采用解析法簡化諧波電流注入量的確定。在此基礎上，以多相分數(shù)槽集中整距繞組永磁電機為例，分析了諧波電流注入對電機轉矩、磁動勢、永磁體渦流損耗和徑向力波等性能的影響，并指出電機設計和優(yōu)化的重點。針對多相分

4、數(shù)槽集中整距繞組磁動勢諧波含量較多的問題，研究了采用相移法和磁障法抑制繞組磁動勢次諧波的方法。在分析各磁動勢諧波抑制方法特征的基礎上，確定綜合采用相移法和磁障法抑制繞組磁動勢次諧波。為減少繞組相移電機中偏移齒的總寬度，提出了齒槽混合偏移結構電機，并優(yōu)化相移角度，大幅抑制了次諧波中的齒諧波，得到繞組相移電機。再在該電機定子軛部鐵心中開設磁障，抑制了最低次數(shù)諧波磁動勢。最后利用有限元仿真驗證了各方法的有效性。為提升多相分數(shù)槽集中整距繞組永磁

5、電機的轉矩性能，提出了一種準梯形永磁體轉子結構，并與馬鞍形永磁體結構進行了對比研究。為避免在采用二維磁場解析法優(yōu)化永磁體形狀時，處理永磁體和氣隙之間復雜的邊界條件，提出了等效永磁體的概念。利用等效永磁體優(yōu)化馬鞍形和準梯形永磁體形狀時，以平均轉矩最大化為目標，得到了不同永磁體邊沿厚度對應的可變厚度幅值系數(shù)。在此基礎上，以齒槽轉矩最小化為目標，采用復數(shù)磁導率模型和細分永磁體法計算準梯形永磁體電機的齒槽轉矩，確定了準梯形永磁體的邊沿厚度，最終

6、得到了優(yōu)化的準梯形永磁體形狀。有限元仿真和樣機實驗測試結果驗證了準梯形永磁體結構對轉矩性能的提升作用及其優(yōu)化方法的可行性。研究了諧波電流注入控制的實現(xiàn)方法。分析了多維矢量控制系統(tǒng)中，逆變器死區(qū)、磁鏈高次諧波、電流采樣誤差、電感參數(shù)變化等因素對諧波電流控制的影響，指出了相應的解決措施?；陔姍C相變量數(shù)學模型，采用MATLAB/SIMULINK對控制系統(tǒng)進行了仿真，驗證了電流控制策略的有效性。設計并制造了一臺五相準梯形永磁體電機樣機和五相逆