新型永磁聚磁式同步磁阻电机研究

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随着对能源与环境重视的增加,国家已明确指出对制造业进行高效能低污染改造。电机作为当今工业的心脏,其性能的提升将直接有利于工业能耗的降低。永磁同步磁阻电机(Permanent Magnet Synchronous Reluctance Motor,PM-SynRM)作为一种新型的内置式永磁同步电机,以其永磁体用量少、功率密度高、调速范围宽等优点而备受青睐。传统PM-SynRM的电磁转矩由永磁转矩和磁阻转矩两部分组成,但两者未能得到充分利用,如果对其转矩特性加以改善,则PM-SynRM的输出转矩可得到进一步提升。
  基于此,本文提出一种新型永磁聚磁式同步磁阻电机,该电机不仅可显著提升气隙磁密及永磁转矩成分,而且还使其永磁转矩和磁阻转矩的最大值在相同电流相位角处叠加,从而提升各转矩成分利用率实现电机转矩密度和效率的提升。根据设计理念和拓扑结构推导了该类电机实现转矩最大化利用的磁链偏移设计方法,并建立了数学模型。然后优化了提出电机模型的结构参数,分析了电机的电磁性能,并在MATLAB中搭建矢量控制系统实现新型永磁聚磁式同步磁阻矢量控制,最后进行样机研制与实验测试。本文具体研究内容如下:
  (1)分析了新型永磁聚磁式同步磁阻电机结构特点,研究了非对称转子结构中永磁体配置和右侧连通隔磁桥对转矩特性和输出转矩的影响,通过建立磁链偏移设计方法阐明了永磁转矩和磁阻转矩在相同电流相位角处取得最大值的机理,并依据磁链偏移设计方法建立了新型永磁聚磁式同步磁阻电机的数学模型。
  (2)结合工程应用,考虑转子安装及机械结构强度,分析了改进转子结构强度、电磁性能及铁耗,确定非对称转子基础结构。
  (3)基于改进后的非对称转子结构,根据目标函数分析了电机的输出转矩,并选取了结构参数优化变量;通过拉丁超立方采样、Kriging建模、响应面校验、遗传算法优化等方法降低优化所需的时间成本和空间成本,实现了转矩脉动降低30.14%,转矩提升7.27%。
  (4)对优化后的新型永磁聚磁式同步磁阻电机的转矩特性、交直轴电感、空负载特性、损耗及不同控制方式下的效率、退磁、不平衡磁拉力和正反转进行了分析。
  5.基于新型永磁聚磁式同步磁阻电机的数学模型,在MATLAB中搭建了电机模型及矢量控制系统,并结合有限元结果验证了矢量控制系统的准确性,最后进行了样机制造及实验测试。
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