不等齿宽永磁同步电动机电磁力波分析和电磁振动抑制研究

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由于永磁同步电机具有效率高、体积小和调速范围广等优势,越来越被广泛的应用,特别是在新能源汽车、医疗器械和石油开采等行业领域,永磁同步电机已经被普遍采用。但是永磁同步电机本身存在一些缺点会限制其使用效果以及运行品质,主要有齿槽转矩和振动噪声较大两个问题,齿槽转矩较大会影响到电机的运行效率,而振动、噪声问题会令人感到不适,甚至会引起人体的神经系统和内分泌系统等方面的疾病。相较于传统的斜槽、斜极结构的永磁同步电机,不等齿宽永磁同步电机在尽量简化生产工艺、降低生产成本的同时最大限度的抑制了齿槽转矩,具有较高的性能。本文基于不等齿宽永磁同步电机的设计原理与设计目标,研究了它在不同的控制策略下、不同运行工况时的电磁力波与电磁振动特性,本文主要的工作如下:(1)研究了不等齿宽永磁同步电机径向气隙磁密与电磁力波的分布特性,并将其总结为具有普适性的表达式。首先,介绍了不等齿宽永磁同步电机的基本拓扑结构、设计原理及其设计目标。然后,根据不等齿宽永磁同步电机的设计原理,推导得到了具有普适性的不等齿宽定子磁导谐波含量的表达式。最后,基于磁动势-磁导法推导了在a)仅考虑永磁体作用、b)考虑负载电流和c)考虑谐波电流三种情况下传统等齿宽永磁同步电机与不等齿宽永磁同步电机的径向气隙磁密分布,进一步推导得到电磁力波分布。根据在情况a)时不等齿宽永磁同步电机的电磁力波的来源以及幅值大小,将其分为了三类。(2)对不同控制方法下等齿宽、不等齿宽永磁同步电机的径向气隙磁密与电磁力波进行了仿真计算,验证了理论研究结果。分别设计了功率为10kW,8极48槽的等齿宽斜槽永磁同步电机与两宽齿、六宽齿永磁同步电机,首先,对等齿宽、不等齿宽永磁同步电机分别在静态场与瞬态场下进行了有限元计算。然后,对经典矢量控制策略下等齿宽、不等齿宽永磁同步电机进行了联合仿真计算。最后,对模型预测控制下等齿宽、不等齿宽永磁同步电机进行了联合仿真计算。仿真结果可以验证关于等齿宽、不等齿宽永磁同步电机径向气隙磁密与电磁力波的理论研究结果。(3)对等齿宽永磁同步电机与不等齿宽永磁同步电机进行了模态分析计算与实验测试。制作了一台等齿宽斜槽永磁同步电机与一台两宽齿永磁同步电机,它们的基本电气参数、几何参数与仿真模型一致。首先对等齿宽、两宽齿永磁同步电机的定子进行了模态的分析计算与测试。然后将等齿宽、两宽齿永磁同步电机的定子与机壳的一体结构进行了模态的分析计算。最后,对等齿宽、两宽齿永磁同步电机的样机整体进行了模态的实验测试。对于模态的分析计算与测试结果将为后续永磁同步电机的振动噪声的实验与分析提供数据支撑。(4)搭建了不同控制策略下等齿宽、不等齿宽永磁同步电机的电驱动与振动噪声测量的实验平台。分别对a)经典矢量控制策略下等齿宽永磁同步电机、b)经典矢量控制策略下不等齿宽永磁同步电机以及c)模型预测控制下不等齿宽永磁同步电机三种电驱动情况进行了实验,并测得了各个情况下的三相电流与振动加速度。通过情况a)与b)的对比,可以分析不等齿宽定子的采用对于振动噪声产生的影响,通过b)与c)实验结果的分析比较,可以得出不同控制方法下不等齿宽永磁同步电机的电磁性能与电磁振动特性的不同。综上,可以验证电磁力波的理论研究与仿真结果,并为削弱电磁力波与抑制电磁振动提供依据。
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