（电力系统及其自动化专业论文）变极永磁同步电动机研究.pdf

山东大学博士学位论文 被饱和切向磁化了，与实际情况有较大误差，没有给出永磁体充磁后磁化状态的 确定方法。由于变极永磁同步电动机以定子绕组为充磁绕组，充磁磁场比较复杂， 本文建立了永磁体的初始磁化模型和重新磁化模型，引入饱和系数，解析法计算 了考虑铁心饱和时的充磁磁场强度，将两者相结合得到了考虑永磁体原磁化状态 的永磁体磁化状态确定方法和饱和充磁电流确定方法。 3 研究了变极永磁同步电动机的性能计算方法。由于变极永磁同步电动机 中永磁体的磁化状态由充磁决定，磁化状态比较复杂，以往气隙磁密的计算方法 不再适用，本文采用有限元法计算得到了气隙磁密，据此得到了空载反电动势， 其他计算步骤与普通永磁同步电动机相同。研究了提高永磁同步电动机效率和功 率因数、扩大经济运行范围的技术措施，研究表明保持空载反电动势小于并接近 于外加电压，可以获得接近于1 的功率因数，空载反电动势满足这一要求还可使 永磁同步电动机在不同的负载下效率最高，获得较宽广的经济运行范围。 4 对永磁电机的共性问题一一齿槽转矩进行了研究，主要工作包括： ( 1 ) 基于能量法得到了表面式永磁电机齿槽转矩的解析表达式，该表达式体 现了电机结构参数对齿槽转矩的影响，为齿槽转矩削弱方法研究提供了依据。 ( 2 ) 分析了永磁体极弧系数对齿槽转矩的影响。现有的极弧系数确定方法得 到的都是近似值，很难在实际中应用。本文分析了平行充磁永磁直流电机极弧系 数对齿槽转矩的影响，得到了极弧系数的确定方法。 ( 3 ) 分析了不等槽口宽配合削弱齿槽转矩的方法。改进了s a n g - m o o nh w a n g 提出的t c c t h p a i r i n g 法，得到了槽口宽度计算方法和该方法的适用范围。 ( 4 ) 分析了磁极偏移削弱齿槽转矩的方法。现有关于磁极偏移削弱齿槽转矩 的文献都是基于削弱永磁体对称时存在的齿槽转矩谐波，但是磁极偏移后会引进 新的齿槽转矩谐波，本文得到了削弱永磁体对称时存在的和磁极偏移后引进谐波 的磁极偏移角度计算方法。 ( 5 ) 分析了永磁体极弧系数组合削弱齿槽转矩的方法，得到了相邻永磁体极 弧系数的计算方法。 ( 6 ) 分析了不等厚永磁磁极削弱齿槽转矩的方法。研究表明：随着偏心距的 增大，有些极数和槽数组合的永磁电机齿槽转矩会减小，但是也有些情况下会增 大。 山东大学博士学位论文 ( 7 ) 研究了定子齿开辅助槽削弱齿槽转矩的方法。现有文献得到的辅助槽数 确定方法对于每极整数槽的情况不适用，本文将辅助槽法和永磁体极弧系数选择 相结合，得到了辅助槽数确定方法。 ( 8 ) 推导了内置式永磁同步电动机齿槽转矩的解析表达式，并对齿槽转矩的 组成分量和斜槽的影响进行了分析。 关键词：变极永磁同步电动机；s a n d w i c h 转子结构；表面式转予结构；初始磁 化模型；重新磁化模型；齿槽转矩 省玺盔兰璺土茎垡笙耋 p o l e c h a n g i n gi n d u c t i o nm o t o r sa r ew i d e l yu s e di nm a n ya p p l i c a t i o n s t h en u m b e r o fp o l e sc a nb ec h a n g e db yc h a n g i n gt h ep o l en u m b e ro fs t a t o rw i n d i n g s b u tt h e p o w e rf a c t o ro fp o l e - c h a n g i n gi n d u c t i o nm o t o ri s l o w t h ep o w e rf a c t o ra n d e f f i c i e n c yo fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ra r eh i g l l ，b u tt h ep o l en u m b e ro f p e r m a n e n tm a g n e tc a nn o tc h a n g ei nc o m m o np e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r , p o l e c h a n g i n gc a nn o ta c h i e v e d i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c et od e v e l o pp o l e - c h a n g i n g p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rw h i c hc a nc o m b i n et h ec h a r a c t e r i s t i co f p o l e - c h a n g i n ga n dh i g l lp o w e rf a c t o ra n dh i g he f f i c i e n c y v l a d oo s t o v i cf i r s tp r o p o s e dp o l e - c h a n g i n gp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r i nh i sp a p e r t h er o t o ri sb u i l tf o l l o w i n gt h es a n d w i c ho fp e r m a n e n tm a g n e t s ，s o f ti r o n ，a l lo ft h e m b e i n gm e c h a n i c a l l yf i x e dt oao o n - m a g n e t i cs h a f t , a n dt h es t a t o ri st h es a m ea st h a to f p o l e - c h a n g i n gi n d u c t i o nm o t o r m a g n e t i ce q u i v a l e n tc i r c u i ti su s e dt og e tt h ec u r r e n t t om a g n e t i z et h ep ma n dt h ef l u xp e rp o l e ap r o t o t y p ei sd e s i g n e da n dt e s t e da tl a s t t h et e s tr e s u l t sv e r i f yt h ea u t h o r sd e s i g n t h ee f f i c i e n c ya n dp o w e rf a c t o ro f p o l e c h a n g i n gp e r m a n e n tm a g n e tm o t o ri sh i g h e r t h a nt h a to fi n d u c t i o nm o t o r b u tt h e c o n f i g u r a t i o no ft h er o t o ri sc o m p l i c a t e d ，a n dc o n s t r u c t i o ns u e n g t hi sl o w w h e nt h e p e r m a n e n tm a g n e ti sm a g n e t i z e d ，t h ep o s i t i o nb e t w e e ns t a t o ra n dr o t o rh a se f f e c to n t h em a g n e t i z e ds t a t eo fp e r m a n e n tm a g n e t b a s e do nv l a d oo s t o v i c sr e s e a r c h ，t h e m a i ns t u d yw o r k so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s 1 i no r d e rt os o l v et h es h o r t c o m i n g so fs a n d w i c hc o n f i g u r a t i o nr o t o r t h e s u r f a c e d - m o u n t e d p e r m a n e n tm a g n e t r o t o ri s a p p l i e d t h ec o n f i g u r a t i o n o f s u r f a c e m o u n t e dp e r m a n e n tm a g n e tr o t o ri sw i d e l yu s e di np e r m a n e n tm a g n e td i r e c t c u r r e n tm a c h i n e ，b m s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm a c h i n ea n dp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o lt h ec o n f i g u r a t i o ni sv e r ys i m p l e ，a n dm e c h a n i c a ls t r e n g t hi sg o o d w h e nt h e p e r m a n e n tm a g n e ti sm a g n e t i z i n g , t h ep o s i t i o nb e t w e e nr o t o ra n ds t a t o rw i n d i n gh a s n oe f f e c to nt h em a g n e t i z a t i o no fp e r m a n e n tm a g n e t 2 t h ei n i t i a lm a g n e t i z a t i o nm o d e la n dr e m a g n e t i z a t i o nm o d e lo fp e r m a n e n t m a g n e ta r es u g g e s t e d i nv l a d oo s t o v i c sr e s e a r c h ，m a g n e t i ce q u i v a l e n tc i r c u i ti su s e d t og e tt h ec u r r e n tt om a g n e t i z et h ep ma n dt h ef l u xp e rp o l eo nt h ea s s u m p t i o nt h a ta l l t h ep e r m a n e n tm a g n e t si nt h er o t o ra r es a t u r a t i o nm a g n e t i z e d b u ti nf a c t , i ti s i m p o s s i b l et om a k ea i lt h ep e r m a n e n tm a g n e t sb es a t u r a t i o nm a g n e t i z e d i nt h i sp a p e r , t h em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t hi np e r m a n e n tm a g n e ti sc a l c u l a t e db ya n a l y t i c a lm e t h o d 山东大学博士学位论文 a n df i n 沁e l e m e n tm e t h o d t h cm a g n e t i z e ds t a t eo fp e r m a n e n tm a g n e ti sg o tb y c o m b i n i n gm a g n e t i z a t i o nm o d e l a n dm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t hr e s u l t 3 t h cp e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o no fp o l e - c h a n g i n gp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o ri ss t u d i e d 1 1 l et e c h n i c a lm e a s u r e st oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dp o w e rf a c t o r , t ob r o a d e nt h ee c o n o m i c a lo p e r a t i o no fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ra r e s t u d i e d 4 c o g g i n gt o r q u eo fp e r m a n e n tm a g n e tm o t o ri ss t u d i e d 1 1 l cr e s e a r c hw o r ki s s h o w na sf o l l o w s ( 1 ) n ca n a l y t i c a le x p r e s s i o n so fc o g g i n gt o r q u eo fs u r f a c e - m o u n t e dp e r m a n e n t m a g n e tm o t o ra n ds e l fs t a r t i n gp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ra r eg o tb y e n e r g ym e t h o d t l l i sa n a l y t i c a le x p r e s s i o nc a nb eu s e dt os t u d yt h er e d u c t i o nm e t h o d o f c o g g i n gt o r q u e ( 2 ) 1 1 l er e d u c t i o nm e t h o do fc o g g i n gt o r q u eb yp o l ea r cc o e f f i c i e n to fp e r m a n e n t m a g n e ti ss t u d i e d 1 1 l cp o l ea r cc o e f f i c i e n to fp mg o ti nr e f e r e n c ei sa p p r o x i m a t i o n v a l u e i nt h i sp a p e r , t h em e t h o dt oc a l c u l a t et h ep o l ea r cc o e f f i c i e n ti sg o t ( 3 ) t l i l cr e d u c t i o nm e t h o do fc o g g i n gt o r q u eb yd i f f e r e n ts l o tw i d t hp a i r i n gi s s t u d i e d t i 他r a n g eo fa p p l i c a t i o no ft h i sm e t h o da n dt h ec a l c u l a t i o no fs l o to p e n i n g w i t ha r es t u d i e d ( 4 ) 1 1 1 er e d u c t i o nm e t h o do fc o g g i n gt o r q u eb yp ms h i f t i n gi ss t u d i e d 1 1 1 er e s e a r c h w o r k so fp m s h i f t i n gi nr e f e r e n c e sa r eb a s e do ne l i m i n a t i n gt h eh a r m o n i c so fc o g # n g t o r q u ew i t hp ms y m m e t r y w h e np ms h i f t i n gi sa d o p t e d n e wl o w e rh a r m o n i c so f c o g g i n gt o r q u ea r ei n e v i t a b l yi n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r , t h ep ms h i f t i n gn i l 掣e s c a l c u l a t i o ni ss t u d i e dt or e d u c eb o t ht h el o w e ro r i g i i l a ih a r m o n i c sa n dn e w l y i n t r o d u c e dh a r m o n i c so fc o g g i n gt o r q u e ( 5 ) 1 1 l er e d u c t i o nm e t h o do fc o g g i n gt o r q u eb yp o l ea r cc o m b i n a t i o ni ss t u d i e d ，a n d t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fp o l ea r cc o e f f i c i e n to fp mi sg o t ( 6 ) t h er e d u c t i o nm e t h o do fc o g g i n gt o r q u eb ye c c e n t r i c i t yp m i ss t u d i e d 仍1 1 l cr e d u c t i o nm e t h o do fc o g g i n gt o r q u eb yn o t c h e si ss t u d i e d i ti sv e r y i m p o r t a n tt os e l e c tt h en u m b e ro fn o t c h e si no n e s t a t o rt o o t h i ti sn o te a s yt od e c i d e t h en u m b e rw h e nt h es l o tn u m b e rp e rp o l ei sa ni n t e g e r i nt h i sp a p e r , t h em e t h o do f n o t c ha n dp o l ea r cc o e f f i c i e n ti sc o m b i n e dt or e d u c et h ec o g g i n gt o r q u e ( 8 ) 1 l l ea n a l y t i c a le x p r e s s i o no fc o g # n gt o r q u eo fs e l fs t a r t i n gp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r 1 1 l ei n f l u e n c ef a c t o ro fc o g g i n gt o r q u ei ss t u d i e d 山东大学博士学位论文 k e yw o r d s ：p o l e - c h a n g i n gp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ；s a n d w i c hr o t o r ； s u r f a c e m o u n t e dp mr o t o r ；i n i t i a lm a g n e t i z a t i o nm o d e l ；r e m a g n e t i z a t i o nm o d e l ； c o g g i n gt o r q u e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：- 丛日 期：丝口z 型 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：主歪查! 煎导师签名：日期：呈嘭型 山东大学博七学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 风机、水泵类负载是量大面广的通用设备，其耗能在交流电动机总能耗中占 很大的比重。据统计1 9 9 5 年我国风机、泵类设备总的装机功率达1 6 亿k w ，年耗 电量3 2 0 0 亿k w h 。风机、泵类负载的配套电动机年消耗电能占总发电量的4 0 ， 是高效节能技术推广的重点。 目前，变极调速技术在感应电动机中应用广泛，只需改变定予绕组的极数即 可改变电机转速，但功率因数较低。普通永磁同步电动机具有高效、高功率因数 和经济运行范围宽的特点，但为防止出现不可逆去磁，永磁体用量较多，增加了 电机成本，并且永磁磁极的极性难以改变，电机在制成之后极数是固定的，难以 实现变极。若能将二者的优点相结合，开发变极永磁同步电动机，具有重要的理 论意义和现实意义。本文以山东省中青年科学家科研奖励基金资助项目“新型变 极调速高效节能永磁同步电动机研究”为基础，对变极永磁同步电动机进行了深 入系统的研究，为变极永磁同步电动机的应用打下了良好的基础。 1 2 本领域的研究现状 目前这方面的研究在国外刚刚起步，国内尚属空白。2 0 0 1 年德国v l a d o o s t o v i c 首先提出了变极永磁同步电动机的概念，设计制造了一台样机并进行了 试验研究，试验结果表明，试验样机能够实现变极调速，效率较同一功率等级的 感应电动机高，经济运行范围也较宽。但v l a d oo s t o v m 的研究只是验证了变极 永磁同步电动机的可行性，缺乏系统深入的研究，存在以下亟待解决的问题： ( 1 ) 饱和充磁电流和充磁后永磁体磁化状态的确定。提高变极永磁同步电动 机性能首先必须保证一定的永磁体剩磁，而变极后永磁体剩磁的大小与充磁电 流、永磁体形状以及充磁线圈与永磁体的空间位置等诸多因素有关。目前永磁体 充磁一般采用专用的充磁装置，且充磁一般在电机装配之前进行。v l a d oo s t o v i c 的研究中采用安培环路定律和等效磁路的方法分别计算了充磁电流和每极磁通 的大小，但是分析的前提是所有永磁体都被完全切向充磁了，与实际情况相比存 在较大误差。如果确定的充磁电流偏小，则充磁效果较差，剩磁小，电机性能差； 如果充磁电流过大，永磁体的磁性能增加不多却使得充磁电流产生装置的容量增 山东大学博士学位论文 大，成本增加； ( 2 ) v l a d oo s t o v i c 采用的转予结构为由切向充磁永磁体和软铁叠加而成的 “s a n d w i c h ”结构，结构复杂，加工困难，结构强度低，充磁时定转子位置需满足 一定条件，并且可能造成较大漏磁。 为解决上述问题，必须对变极永磁同步电动机进行更深入的研究。 1 2 1 变极和变磁通永磁同步电动机 文献【1 3 】中，v l a d oo s t o v i c 提出了两种新型电机，变极永磁同步电动机 ( p o l e - c h a n g i n gp e r r a a n e n tm a g n e tm a c h i n e ) 1 1 和变磁通永磁同步电动机( m e m o r y m o t o r ) 2 - 3 1 。 ( 1 ) 变极永磁同步电动机 变极永磁同步电动机既具有变极感应电动机的变极特性，又具有传统永磁同 步电动机的高效、高功率因数特性。其定子结构与普通变极感应电动机相同，转 子采用切向充磁的铝镍钴和软铁叠加而成的s a n d w i c h 结构，如图1 1 所示，图 1 1 ( a ) 和1 1 0 ) 分别为转子8 极和6 极时永磁体的磁化状态。图1 2 为样机的转予 外形图。 2 ( a ) 8 极 图1 18 极与6 极转子示意图 图1 2 样机转于外形图 ( b ) 6 极 山东大学博士学位论文 v l a d oo s t o v i c 采用安培环路定律和等效磁路的方法分别计算了变极充磁电 流和每极磁通的大小。图1 3 和1 4 为文献【1 】中的等效磁路图，利用该等效磁路 和安培环路定律计算得到了每极磁通和变极充磁电流与电机结构尺寸的关系。但 是上述分析的前提是假设变极时转子上所有永磁体都被完全切向磁化了，与永磁 体的实际磁化状态有较大误差。 v l a d oo s t o v i c 设计制造了一台三相4 6 8 极变极永磁同步电动机样机。定子 采用两套分开的绕组，一套为8 4 极绕组，另一套为普通的6 极绕组。通过试验 得到了通过不同的充磁和去磁电流后的空载气隙磁场以及不同极数时的电机效 率和功率因数，并与对应功率等级的笼型感应电动机进行了对比，如图1 5 和1 6 所示。可见，4 极时变极永磁同步电动机的效率高于感应电动机，而6 极时两者 的效率相差不大，试验结果很好的验证了作者的设想，证明了变极永磁同步电动 机的可行性。 ； 图1 3 每极永磁体为3 时的磁通 钆 警q 图1 4 等效磁路 3 山东大学博士学位论文 图1 5 4 极时效率的对比 变极永磁电机6 极时的效率对比 转矩0 ) 图1 6 6 极时效率的对比 伪变磁通永磁同步电动机 变磁通永磁同步电动机【2 3 l 通过施加直轴充( 去) 磁脉冲电流调节转子永磁体 的磁化状态，从而改变气隙磁场。其定子结构与普通永磁同步电动机相同，转子 结构如图1 7 所示，图1 7 ( a ) 为永磁体被完全磁化时的示意图，图1 7 ( b ) 中永磁体 有一小部分被反向磁化了。 永磁体的厚度不同，所需要的充磁电流大小不同，通过脉冲电流后，可以改 变永磁体被充磁磁化部分的大小，从而改变气隙磁通。作者推导了最大气隙磁密 和去磁电流与永磁体性能以及电机结构参数的关系。图1 8 为通过不同充磁电流 后的气隙磁场波形。图1 9 为样机转子，采用铁氧体永磁。图1 1 0 为样机效率与 笼型感应电动机的对比，样机的效率高于感应电动机。 4 山东大学博士学位论文 ( a ) 永磁体被完全磁化 ( b ) 永磁体被部分反向磁化 l 一非磁性材料2 一软铁3 一s 极4 一n 极 图1 7 转子示意图 ( a ) 永磁体被完全磁化( b ) 永磁体被部分退磁 ( c ) 永磁体被完全退磁 图1 8 不同充磁电流时的感应电压( 每图上面的曲线) 和气隙磁密( 每图中间曲线) 图l 9 样机转于 5 山东大学博士学位论文 i 卜 较 o 。9 0 o 。8 5 o 8 0 0 。7 5 吒删蝴 絮芝 l o1 5 2 02 53 03 54 04 5 转矩( n m ) 图1 1 0 样机效率对比 1 2 2w ri t t e n - p o l e 永磁电机 文献r 4 1 2 1 研究了w r i t t e n p o l e 永磁电机。w r i t t e n p o l e 永磁电机实际上是一 种永磁同步电动机，但是结构与普通永磁同步电动机不同。写极电机的定子绕组 与普通交流电机相同，只多了一套集中的励磁绕组，转子与永磁同步电动机不同， 图1 1 l 为内转子式和外转子式写极电机的结构示意图。转子上有笼型绕组，为 了限制起动电流的大小，笼型绕组一般采用电阻率较大的材料，在转子表面还有 一层1 5 3 0 m m 厚的铁氧体永磁材料，永磁体的厚度取决于电机容量。 与普通永磁同步电动机相比，w r i t t e n - p o l e 永磁电机具有以下优点：首先， 起动电流较小。w r i t t e n p o l e 永磁电机的起动过程可分为两个阶段，电机刚起动 时，定子上的励磁绕组并不起作用，电机的起动依靠笼型绕组产生的异步转矩， 由于笼型绕组采用了电阻率较大的材料，转子电阻较大，起动电流较小。由于转 子上采用磁滞作用较强的永磁体，w r i t t e n p o l e 永磁电机还有一个磁滞转矩，因 此起动转矩较大。电机加速到约为同步速的8 0 时，励磁绕组起作用，不断改变 转子永磁材料的极性，拉动转子加速到同步转速。其次，由于起动电流较小， w r i t t e n p o l e 永磁电机的起动时问较传统的同步电机长，但是由于发热量小，特 别适合起动转动惯量大的负载。图1 1 2 为写极电机的转矩特性。 普通感应电动机为了得到一定的起动转矩，起动电流一般达到额定电流的6 倍以上，如此大的起动电流会导致较大的电压降，对其他用电设备产生影响，因 此在农村地区不宜使用功率较大的单相电机。单相写极电机起动电流小，并且能 够起动大转动惯量负载，特别适合农村地区使用。与传统的单相电机相比，写极 6 山东大学博七学位论文 电机的另一个优点是效率高，满载时单位功率因数的情况下，其效率能够达到 9 6 。 ( a ) 内转子结构( b ) 外转子结构 图1 1 1 转子结构示意图 速度 阿步转速 图1 1 2 写极电机的转矩特性 1 2 3 永磁电机的齿槽转矩 永磁电机中，永磁体和有槽电枢铁心相互作用，产生齿槽转矩，进而产生振 动和噪声，影响系统的控制精度。齿槽转矩是永磁电机的共有问题，是高性能永 磁电机中需要考虑的重要问题之一，有关文献对其计算方法和消除方法进行了大 量的研究。 文献【1 3 】中z q z h u 等利用许一克变换，构造了考虑齿槽效应的等效气隙磁 导函数，结合微分方程的解析算法，计算了等效气隙内任意半径上的气隙磁通密 度的分布。文献【1 4 】中利用解析分析得到气隙中的磁通密度，计算得到了齿槽转 矩的表达式，并与有限元的计算结果进行了对比。但是上述计算齿槽转矩的方法， 虽然结果比较准确，却难以得到有指导意义的结论。文献 1 5 1 6 0 ，作者基于能量 法和傅立叶变换推导了永磁电机齿槽转矩的解析表达式，该表达式体现了齿槽转 山东大学博士学位论文 矩的影响因素，对齿槽转矩的削弱措施的研究有很好的指导作用。 对齿槽转矩的削弱方法的研究已经存在大量文献1 6 2 7 ，提出了许多齿槽转 矩的削弱方法，包括选择合适的永磁体极弧系数、永磁体不对称放置、对永磁体 形状进行优化设计、选择合适的极数与槽数配合、斜槽或者斜极、定予齿上开辅 助槽、定子槽口宽度优化设计、采用不同极弧系数的永磁体配合、不同槽口宽配 合以及铁心形状优化设计等。 文献f 1 6 1 8 】研究了永磁体极弧系数对齿槽转矩的影响，研究表明永磁体的极 弧系数对齿槽转矩有较大的影响，当极弧系数和槽距满足一定关系时，可以减小 齿槽转矩。文献 1 6 1 的研究表明，极弧系数的选择还与永磁体的充磁方式有关， 对于采用平行充磁和径向充磁的永磁电机，合适的极弧系数是不同的。径向充磁 的永磁体，合适的宽度为伽+ 0 1 7 h ，a 为齿距，厅为整数，而平行充磁时，永磁 体宽度要略大于该值，但是并不能给出确切的值。文献【1 7 】中，作者给出的合适 的永磁体宽度为0 + 0 1 4 ) 2 。文献f 1 8 】给出的永磁体宽度约为0 + o 1 7 m 或者 0 + o 1 4 h ，作者进一步指出，准确的极弧系数很难得到，因为合适的极弧系数与 永磁体充磁方式、气隙的宽度以及槽口的宽度有关系。现有研究还存在以下问题： ( 1 ) 得到的永磁体极弧系数是一个大约的数值，没有一个准确的表达式。而极弧 系数的较小变化，往往导致齿槽转矩较大的变化，因此现有的这些结论很难 在实际中应用； ( 2 ) 极弧系数选择的影响因素很多，包括永磁体的充磁方式、永磁体安装位置、 槽口宽度以及气隙的宽度。但是这些因素对极弧系数选择的影响的研究还比 较少： ( 3 ) 对于每极槽数较少的电机，根据上面的方法得到的合适的极弧系数的数值往 往很小，虽能减小齿槽转矩，也不可能在实际中得到应用。 文献 1 6 2 0 1 研究了永磁体不对称放置( 磁极偏移) 的方法来削弱齿槽转矩，图 1 1 3 ( a ) 和1 1 3 ( b ) 分别为磁极对称和偏移的示意图。文献 1 6 1 7 】中提出通过偏移一 对极来减小齿槽转矩，而文献 1 8 2 0 1 中，提出了永磁体完全不对称的方法，即通 过偏移所有的永磁体来削弱齿槽转矩，文献 1 9 2 0 1 q b ，作者用解析法推导了永磁 体的偏移角度。文献 1 6 d p 作者研究了通过偏移一对极半个槽距来减小齿槽转矩 的方法，但是对于每极槽数较少且永磁体极弧系数较大的情况，可能导致相邻永 磁体重叠。此外，通过偏移半个齿距，可将齿槽转矩与脉动转矩的基波消除，却 8 山东大学博士学位论文 会使脉动转矩的二次谐波变大。文献 1 7 1 中，作者以4 极和6 极电机为例说明了 偏移一对极对齿槽转矩的影响，对于4 极电机，通过把一对极偏移四分之一槽距 消除齿槽转矩的二次谐波，而对于6 极电机，一对极偏移六分之一槽距，而另一 对极反向偏移六分之一槽距可以减小齿槽转矩，但是作者并没有给出通用的磁极 偏移角度计算方法。文献 1 8 1 9 冲，作者采用解析法推导得到了永磁磁极的偏移 角度计算公式，采用该偏移角度之后，齿槽转矩原先的谐波除极数的倍数次之外 基本被消除了。文献 2 0 l e o ，作者指出正是由于电机的定转子都是对称结构，齿 槽转矩由于“相加效应”而增大了，永磁体不对称是消除这种相加效应的好方法， 只要消除了齿槽转矩的低次谐波，齿槽转矩就可以减小。作者通过求解齿槽转矩 的低次谐波的解析表达式，得到了永磁体的偏转角度。 ( a ) 永磁体对称 ( b ) 磁极偏移 图1 1 3 磁极偏移 丛丛 n n 21 熬丛 n n 2 2 图1 1 4 辅助槽示意图 上述消除方法都是立足于消除齿槽转矩原先的( 永磁体对称) 谐波分量，但是 永磁磁极偏移之后，会引入新的齿槽转矩谐波分量，对于这一部分新引进的谐波， 上述文献没有考虑。文献中提出的方法对于每极整数槽电机非常有效( 对于每极 整数槽电机，永磁体不对称之后没有引入新的谐波1 ，而对于每极非整数槽电机 9 山东大学博士学位论文 效果不是很好( 对于每极非整数槽电机，永磁体不对称之后引入了新的谐波) 。 文献 1 9 ，2 0 ，2 3 ，2 6 q b 研究了采用定子齿开辅助槽减小齿槽转矩的方法，如图 1 1 4 所示。辅助槽的宽度和深度与定子槽口相同，均匀排列。辅助槽对齿槽转矩 的影响与定子槽基本相同，效果相当于增加了定子槽数。文献【1 9 】的研究表明， 增加的辅助槽会引起新的齿槽转矩成分，这些新引进的齿槽转矩的成分与定子槽 引起的齿槽转矩成分大小相同，只是相位上有所变化。文中推导了这些齿槽转矩 的成分的表达式，新引进的齿槽转矩与原先的成分相加后发现，只有m + 1 ( 帆为 定子每个齿上辅助槽数) 的倍数次齿槽转矩的谐波没有被消掉，导致了齿槽转矩 的周期减小，幅值减小。文中同时指出开辅助槽并不一定会减小齿槽转矩，有些 情况下辅助槽甚至会增大齿槽转矩，文章给出了辅助槽的个数与电机极数和槽数 的关系。但是对于每极整数槽的情况没有说明辅助槽的选择，而这种情况下辅助 槽并不能很好的削弱齿槽转矩。文献【2 0 】指出，齿槽转矩的基波是极数和槽数的 最小公倍数，加开辅助槽之后，相当于定子槽数增加，导致极数和槽数的最小公 倍数减小，也就是说齿槽转矩基波的次数增加使得齿槽转矩减小。文中只是强调 辅助槽会使得齿槽转矩的基波对应的傅立叶分解次数增加，而没有说明，加开辅 助槽之后还会导致这些傅立叶分解的幅值的增大。这就导致了对于加开辅助槽之 后最小公倍数不变的情况，齿槽转矩会增加，而对于一些最小公倍数增加的情况， 齿槽转矩也未必会减小，或者减小较少。文献 2 3 1 以4 极6 槽电机为例研究了辅 助槽数目对齿槽转矩的影响。文章只是验证了辅助槽的数目不同，对齿槽转矩的 影响差别很大，但是并没有给出普遍适用的结论。文献【2 6 】介绍了辅助槽之外还 介绍了辅助齿的概念。然而，上述文献对每极整数槽的情况下辅助槽对齿槽转矩 的影响缺乏研究，并且缺乏一套系统的研究辅助槽对齿槽转矩的影响的方法。 文f 吠 2 2 ，2 8 1 q = 提出通过不同齿宽配合( t c e t hp a i r i n g ) 的方法减小齿槽转矩，图 1 1 5 为不同齿宽配合的示意图。文献 2 2 1 推导了齿槽转矩的解析表达式，根据该 表达式判断出槽口和齿的宽度对齿槽转矩有很大的影响，据此作者提出了通过改 变相邻齿宽的方法减小齿槽转矩，试验表明该方法能显著的减小齿槽转矩。但是， 该方法只是适用于偶数槽电机，并且考虑到槽口的宽度有一定的限制，不能过大， 该法只是适用于极数和槽数的最小公倍数较大的电机。进一步研究表明，并不是 所有的偶数槽电机都适用，对有些极数和槽数配合，该方法会增大齿槽转矩。 1 0 山东大学博士学位论文 图1 1 5 不同齿宽配合的示意图 文献 1 9 ，2 1 ，2 3 ，2 6 1 研究了采用斜极或者斜槽的方法来减小齿槽转矩。文献 【1 9 】研究表明，定子斜槽和转子斜极有相同得效果，采用斜极或者斜槽基本上可 以完全消除齿槽转矩，并利用解析法得到了斜极和斜槽的角度。但是，采用斜极 或者斜槽带来很多制造上的不便，采用斜槽后，自动嵌线非常困难，采用斜极之 后，磁极形状复杂，加工困难，增加了生产成本。为了便于生产，文章介绍了另 一种斜极方法，将永磁体分成多段，采用逐渐斜极的方法，如图1 1 6 所示，试 验表明，这种斜极方法也能较好的削弱齿槽转矩。总之，斜极或者斜槽对于减小 齿槽转矩来讲效果很好，但是会使生产工艺更复杂，成本增加，这些限制了在实 际中的应用。 图1 1 6 斜极 1 2 4 变极感应电动机 变极感应电动机是一种交流有级调速电动机，具有简单、可靠的优点，在对 调速范围要求不高的许多生产机械中有着广泛的应用1 6 7 l 。三相变极感应电动机有 双速、三速及四速多种。从绕组上区分，有单绕组、双绕组两种。单绕组变极感 应电动机是利用一套定子绕组，通过外部接线变换获得多种转速的电动机。双绕 组多速电动机是在定子铁心内嵌放两套相互独立、具有不同极对数的绕组而获得 多种转速的电动机：两个绕组本身可以是单速的，也可以是多速的。 山东大学博十学位论文 当电源的电流频率不变时，改变定子旋转磁场的磁极对数，便可以改变定子 旋转磁场的转速，从而改变转子的转速。但极对数只能按整数改变，所以变极调 速只能是分级调速。电动机的极对数与绕组节距和电流方向有关，在不改变节距 的情况下，改变每相绕组一部分线圈的电流方向，便可以改变极对数。这种调速 方法一般应用于笼型感应电动机，因为笼型感应电动机转子的磁极数总是和定子 的极数相等的，但由于起动性能差，变速比窄等问题，一般不能满足起重机械的 需要，近年来国内外有些研究机构设计制造了6 极集电环的绕线型变极感应电动 机【6 8 j 。 1 3 本文的研究工作 本文在v l a d oo s t o v i c 研究的基础上，对变极永磁同步电动机进行了进一步 的研究，主要工作如下： 1 提出了变极永磁同步电动机的表面式转子结构，采用环形永磁体。v l a d o o s t o v i c 样机采用的“s a n d w i c h ”转子结构复杂，加工困难，结构强度较低，充磁 时充磁绕组与转子相对位置对充磁结果有较大影响。为此，本文提出了表面式转 子结构，采用环形永磁体。表面式转子结构在永磁直流电机和无刷直流电机中得 到了广泛的应用，生产和加工工艺已经非常成熟，具有结构简单可靠、机械强度 高、充磁与定转予相对位置无关等优点。 2 研究了变极充磁时永磁体磁化状态确定方法。v l a d oo s t o v i e 推导了每极 磁通和充磁电流与电机结构参数的关系，但是其前提是永磁体都被饱和切向磁 化，这与实际情况有较大误差。由于变极永磁同步电动机以定子绕组为充磁绕组， 充磁磁场比较复杂，本文建立了永磁体的初始磁化模型和重新磁化模型，引入饱 和系数，解析法计算了考虑铁心饱和时的充磁磁场强度，将两者相结合得到了考 虑永磁体原磁化状态的永磁体磁化状态确定方法。 3 研究了变极永磁同步电动机的性能计算方法。由于变极永磁同步电动机 中永磁体的磁化状态由充磁决定，磁化状态比较复杂，以往气隙磁密的计算方法 不再适用，本文采用有限元法计算得到了气隙磁密，据此得到了空载反电动势， 其他计算步骤与普通永磁同步电动机相同。研究了提高永磁同步电动机效率和功 率因数、扩大经济运行范围的技术措施，研究表明保持空载反电动势岛小于并 接近于u 矗可以获得接近于1 的功率因