表贴式永磁同步电机三相短路与部分不可逆退磁研究

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随着稀土永磁材料的发展,永磁同步电机相比于传统异步电机展现出更高的转矩密度与效率、更高的控制精度,其中表贴式永磁同步电机结构简单、控制难度较低,因此在风力发电、工业伺服、家用电器等领域得到广泛的应用。但永磁材料的应用也存在风险,其中不可逆退磁是威胁电机可靠性的关键因素之一。三相短路作为永磁同步电机中发生概率较高、短路电流较大的故障类型,是导致部分不可逆退磁的重要原因之一,因此本文对表贴式永磁同步电机的三相短路与部分不可逆退磁展开研究。传统的三相短路电流解析模型只考虑永磁磁链基波,不能解决短路初始转子位置对dq轴短路电流影响的问题,因此本文建立了考虑永磁磁链谐波的三相短路电流解析模型,发现相永磁磁链5、7次谐波使dq轴短路电流随初始转子位置的变化在一个电周期内重复6次,获得最大峰值短路电流的初始转子位置主要取决于5、7次谐波的幅值与相位。此外,研究了转子角频率、谐波幅值、短路初始电流的影响,并进行了有限元与实验验证。基于可以获得最大峰值短路电流的初始转子位置,本文进一步研究了电机本体设计参数与电机外部负载特性对三相短路与退磁的影响。首先,研究了电机本体设计参数对三相短路和退磁的影响。研究发现,对于内转子分数槽结构,d轴峰值短路电流随气隙长度的增加而减小,但退磁程度随之加剧;当极弧系数、槽口宽度、转子轭厚增加或齿尖厚度减小时,峰值短路电流增加、退磁更严重;当裂比、齿宽、定子轭厚增加时,峰值短路电流先增大后减小、退磁程度先增加后降低。同时还发现,径向充磁比平行充磁具有更强的抗退磁能力,相同转速下星形绕组连接方式比三角形连接方式整体上峰值短路电流更大、退磁更严重。此外,比较了不同定、转子结构中结论的异同,并进行了短路与退磁实验验证。随后,研究了电机外部负载特性对三相短路和退磁的影响。对于位能性恒转矩负载,其负载转矩存在一个阈值,当负载转矩小于该阈值时,短路过程中电机转速重新稳定,否则电机在负载转矩的作用下持续反向加速。同时,负载惯量越小,位能性恒转矩负载下的d轴峰值短路电流超过恒转速下峰值电流的可能性越高。对于反抗性恒转矩负载等负载类型,三相短路过程中电机转速降至0、电流降至0。同时,负载转矩越小或负载惯量越大,d轴峰值短路电流越大,但始终小于恒转速下的峰值短路电流。此外,进行了位能性恒转矩负载下的三相短路实验验证。然后,研究了表贴式永磁同步电机三相短路退磁后转子不平衡力的变化规律。当不考虑偏心故障时,对于周向旋转对称绕组结构,退磁分布也是对称的,因此退磁后仍然没有转子不平衡力;对于非对称绕组结构,退磁分布也是不对称的,因此退磁后转子不平衡力中主要增加额外的1次分量。当考虑偏心故障时,退磁倾向于聚集在较长气隙一侧的永磁体上。因此,在静偏心故障下,退磁后转子不平衡力原有的谐波分量减少,同时主要增加额外的1次分量。在动偏心故障下,对于周向旋转对称的绕组结构,在相同的定子电流下退磁后转子不平衡力原有的1次分量幅值增大;对于非对称绕组结构,原有的1次分量幅值减小。此外,进行了转子不平衡力的实验验证。最后,由于双三相绕组结构在表贴式永磁同步电机中得到越来越广泛的应用,本文进一步研究了双三相表贴式永磁同步电机的三相短路和不可逆退磁。针对单套绕组内互感不对称的双三相结构建立了三相短路电流解析模型,发现dq轴峰值短路电流随短路初始转子位置的变化在一个电周期内重复2次,对于单套绕组内Mac、Mbc、Mab较小的结构,获得最大d轴峰值短路电流的初始转子位置分别为π/6+kπ、π/2+kπ、5π/6+kπ(k=0,1,2…),获得最大q轴峰值短路电流的初始转子位置分别为7π/24+kπ、5π/8+kπ、23π/24+kπ。此外,研究了双三相电机的退磁后转子不平衡力,发现当单套绕组为周向旋转对称结构时,退磁后仍然没有不平衡力;当单套绕组不对称时,即使不考虑偏心故障,退磁后也存在不平衡力。考虑偏心故障时,双三相电机中退磁后转子不平衡力的变化规律与周向旋转对称单三相绕组结构中的规律类似。
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