可控漏磁反凸极永磁同步电机的设计与研究

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针对传统永磁同步电机气隙磁场难以调节,恒功率调速范围窄等问题,本文提出了一种可控漏磁反凸极永磁同步电机(Controllable Leakage Flux Reverse Salient Permanent Magnet Synchronous Machine,CLF-RSPMSM)。该电机在具有高功率密度、低退磁风险和高效率等诸多优势的同时,还能利用交轴电流来控制支路漏磁通的大小,从而间接调节气隙磁通,有效拓宽电机的恒功率调速范围。本文以CLF-RSPMSM为研究对象,探究其结构设计思路和运行原理,深入分析其磁场调节规律和结构优化方法;并借助有限元软件对CLF-RSPMSM的各项电磁性能进行了详细地仿真分析,同时与初始内嵌式永磁(Interior Permanent Magnet,IPM)电机进行了对比和研究。为该类电机应用于新能源电动汽车的高速驱动电机等领域提供了一定的理论支持和技术借鉴。本文的主要研究内容和取得成果如下:(1)CLF-RSPMSM的结构设计思路和运行机理。在初始IPM电机的结构基础上,提出了一种新型可控漏磁反凸极永磁同步电机,阐述了CLF-RSPMSM转子上永磁体和不同类型空气磁障的设计思路;说明了实现漏磁可控的条件,并研究了可控漏磁运行机理;同时分析了反凸极特性对电机永磁体工作点的影响,并给出了CLF-RSPMSM的直交轴电感模型。(2)CLF-RSPMSM结构优化设计。选取一种基于响应面的多目标优化法。其中,采用综合敏感度分析法对CLF-RSPMSM的多个设计变量进行分层处理,筛选出主要变量,从而提高电机整体优化效率。随后,采用响应面法分析主要变量与优化目标之间的关系。最后,采用一种带精英策略的非支配排序遗传算法对CLF-RSPMSM的多个目标进行权衡设计,得到优化后的结构模型。(3)CLF-RSPMSM的调磁特性及电磁性能分析。研究了CLF-RSPMSM的磁链调节特性和不同工况下的磁力线分布;并分析了其基本电磁性能,包括电感、空载特性、转矩、弱磁能力、损耗和效率等;此外还对其不可逆退磁风险进行了评估。同时与初始IPM电机的电磁性能进行综合比较,结果验证了CLF-RSPMSM的设计思路和优化方法的有效性。为了确保CLF-RSPMSM在高速状态下平稳运行,对该电机在最高转速下的机械强度进行了研究和分析。(4)CLF-RSPMSM的电磁振动与噪声研究。研究并搭建了CLF-RSPMSM定子系统的三种模态仿真模型,深入分析各部件对电机模态振型和固有频率的影响特点。同时根据径向电磁力特性,比较了CLF-RSPMSM和初始IPM电机在额定工况下的径向电磁力分布及谐波特性。在此基础上,将径向力耦合到结构场中并开展谐响应分析,探究两台电机在额定工况下的振动特性和噪声强度。
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