（电力系统及其自动化专业论文）永磁无刷牵引电机电磁性能研究.pdf

北京交通大学博士学位论文 正确性。 研究了无刷电机直槽、斜槽转矩以及齿槽波动转矩，提出了定子 磁场跳动也是引起转矩波动的重要原因，给出抑制定子磁场跳动引起 转矩波动的脉宽调制算法。 研究了转子箍紧套对气隙电磁参数、电磁性能的影响；讨论了箍 紧套及永磁体的损耗计算方法，提出利用分步静态有限元法计算箍紧 套及永磁体的损耗的方法；建立了箍紧套阻尼作用的状态方程。 建立了考虑i g b t 和反并二极管特性的无刷电机数学模型，并与 理想元件模型进行了性能仿真对比，考虑i g b t 和反并二极管特性的 模型可使仿真结果更准确；建立了永磁无刷电机的故障模型，在对绕 组的局部短路建模时将短路部分作为新的一相的方法，基于建立的故 障模型可进行无刷电机的故障预测。 分析了提前角恒功率调速机理、提前角对电机特性影响以及传统 无刷电机逆变器的局限性，对采用双模逆变器提前相位角恒功率调速 在不同的调速比时进行了研究。 关键词：无刷直流电机，铁路牵引，有限元法，转矩波动，转子箍紧 套，恒功率调速 a b s t r a c t a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e tb m s h l e s sd cm o t o r sh a v ef e a t u r e so fs a v i n g e n e r g y , h i g he n e r g yd e n s i t y , w e l ld y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c a n dc o n t r o l s i m p l e n e s s ，t h e yh a v eb e e na p p l i e dt os h i p sp r o p u l s i o n ，a v i a t i o na c t u a t o r s ， i n d u s t r i a ld r i v e sa n dc o n t r o l s ，h o u s e h o l da p p l i c a t i o n sa n dn o wt h e ya r e b e i n gs t u d i e da p p l i e dt or a i l w a yt r a c t i o n t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c ht h e e l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r s ，e l e c t r o m a g n e t i cp e r f o r m a n c e a n d e l e c t r o m a g n e t i cd e s i g no fp e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s st r a c t i o nm o t o r s ， a n ds t u d yt h ee f f e c t so fd i f f e r e n tm a t e r i a la n ds t r u c t u r eo fp e r m a n e n t m a g n e tr o t o r so nm o t o r sp a r a m e t e r s t h em a t h e m a t i c sm o d e lc o n s i d e r i n g i g b tc h a r a c t e r i s t i c sa n df a u l t sm o d e lo fp e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s s t r a c t i o nm o t o ra r ee s t a b l i s h e d ap r o t o t y p eo f3 0 k wp e r m a n e n tm a g n e t b r u s h l e s sd cm o t o ra n dc o n t r o ls y s t e mw a sf u l f i l l e d ，a n de x p e r i m e n t sa r e c a r r i e do u t t h ed i s s e r t a t i o ns t u d yt h ea r m a t u r er e a c t i o no fb u r s h l e s sd cm o t o r s e q u i p p e d w i t hs 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 t s ，a n d g a i n t h e d i s c i p l i n eo fa r m a t u r er e a c t i o na td i f f e r e n tr o t o rp o s i t i o n t h er e s e a r c ho f e f f e c t so f p e r m a n e n tm a g n e tm a g n e t i z a t i o nd i r e c t i o no na i r - g a pm a g n e t i c f i e l ds h o wt h a tt h ea m p l i t u d eo fa i r - g a pm a g n e t i cf i e l do fb r u s h l e s sd c m o t o rw i t hp e r m a n e n tm a g n e t sm a g n e t i z e dr a d i c a l l yi sg r e a t e rt h a nt h a t i l l 北京交通大学博士学位论文 w i t hp e r m a n e n tm a g n e t sm a g n e t i z e dp a r a l l e la n dt h ea i r g a pm a g n e t i c f i e l dw a v e f o r mi sm o r ea p p r o a c ht ot r a p e z o i d a lw a v e f o r m t h eb r u s h l e s s d cm o t o r sw i t hp e r m a n e n tm a g n e tm a g n e t i z e dr a d i c a l l yh a v et h e a d v a n t a g eo fh i g h e re n e r g yd e n s i t y t h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f d e s i g n e df i x t u r ef o rp e r m a n e n tm a g n e tm a g n e t i z e dr a d i c a l l yp r o v e st h a t t h em a g n e t i z a t i o nd i r e c t i o no fp e r m a n e n tm a g n e t si sr a d i a l f o rl a r g e r a t i n gp e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r s ，t h ep e r m a n e n tm a g n e t s e g m e n t i n gi s u n a v o i d a b l e t h es t u d yo fi m p a c to fp e r m a n e n tm a g n e t s e g m e n t i n go nt h ea i r - g a pm a g n e t i cf i e l di sd o n e ，w h i c ht u r nu pt h a tt h e p e r m a n e n tm a g n e ts e g m e n t i n gr e s u l t si na i r - g a pm a g n e t i cf i e l dd e n t e d a n dm a k em a g n e t i cl e a k a g ef l u xi n c r e a s e t h ee m fo fb r u s h l e s sd c m o t o r sw i t hs t r a i g h ts l o t sa n ds k e ws l o t sa r ec o m p u t e dr e s p e c t i v e l y , t h e s k e ws l o t sc a nr e d u c ee m fh a r m o n i ce f f e c t i v e l y t h ee f f e c t so fi n d u c t a n c e so nt h ep e r f o r m a n c eo fp e r m a n e n tm a g n e t b r u s h l e s sd cm o t o r sa r ea n a l y z e d t h ec o m p u t a t i o nm e t h o da n d n o n l i n e a r i t yo fi n c r e m e n ti n d u c t a n c eo fb r u s h l e s sd cm o t o r s ，a n dt h e m a g n e t i z a t i o nc n r v eo fb r u s h l e s sd cm o t o r sa r ei n v e s t i g a t e d a2 - d f i n i t ee l e m e n tm o d e li ss e tu pf o rc o m p u t i n ge n dw i n d i n gl e a k a g e i n d u c t a n c e t h em e a s u r e dr e s u l t sv a l i d a t et h ei n d u c t a n c ec o m p u t a t i o n s t h ed i s s e r t a t i o nc o m p u t e st h et o r q u e so fb r u s h l e s sd cm o t o r sw i t h s t r a i g h ts l o t sa n ds k e ws l o t sr e s p e c t i v e l y , a n dt h er i p p l et o r q u e sc a u s e db y c o g g i n ge f f e c t t h ea u t h o r sp r o p o s et h a tt h es t a t o rf i e l dj u m pa l s ob ea a b s t r a c t m a i nr e a s o no ft o r q u ep u l s a t i o ni np e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd c m o t o r s ，ap w m a r i t h m e t i ci sp r e s e n t e dt oe l i m i n a t et h et o r q u ep u l s a t i o n f r o mt h es t a t o rf i e l dj u m p t h ei m p a c t so fr o t o rr e t a i n i n gc a no na i r - g a pa n de l e c t r o m a g n e t i c p e r f o r m a n c ea r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s e sa n dn u m e r i c a l c o m p u t a t i o n t h ec o m p u t a t i o nm e t h o do fr o t o rl o s s e s o fp e r m a n e n t m a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r si sd i s c u s s e d ，am e t h o df o rc o m p u t i n gr o t o r l o s s e su s i n gs t e ps m i l ef i n i t ee l e m e n ti ss u g g e s t e d t h es t a t ee q u a t i o n s i n c l u d i n gt h ed a m p i n g e f f e c to f r o t o rr e t a i n i n gc a na r eg i v e n t h em o d e lo fb r u s h l e s sd cm o t o r si se s t a b l i s h e dt a k i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e ro fi g b ta n da n t i p a r a l l e ld i o d ei n t oa c c o u n t ，a s i m u l a t i o nc o m p a r i s o nw i t ht r a d i t i o n a li d e a ld e v i c em o d e ls h o w st h a t t h e n e wm o d e lm a k e ss i m u l a t i o nr e s u l t sm o r ea c c u r a t e t h ef a u l t sm o d e l s a l s oa r ec o n s t i t u t e d t h ei n t e r t u r ns h o r tc i r c u i ti sr e c k o n e da san e wp h a s e w h e nm o d e l i n gi n t e r t u ms h o r tc i r c u i tf a u l t f a u l t sp r e d i c t i o n sc a nb e d o n ew i t ht h ef a u l t sm o d e l s t h em e c h a n i s mo fa d v a n c ea n g l ec o n s t a n tp o w e rs p e e d a d j u s t ，t h e e f f e c to fa d v a n c ea n g l eo nt h ep e r f o r m a n c eo fm o t o r sa n dt h el i m i t so f t r a d i t i o n a li n v e r t e ra r ea n a l y z e db yf i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o n s a s i m u l a t i o ns t u d yf o rt h ea d v a n c ea n g l ec o n s t a n tp o w e rs p e e d a d j u s t m e n t u s i n gd u a l m o d ei n v e r t e ri sp r o c e s s e d v 北京交通大学博士学位论文 k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r s ，r a i l w a y t r a c t i o n ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t o r q u er i p p l e ，r o t o rr e t a i n i n gc a n ， c o n s t a n tp o w e rs p e e d a d j u s t m e n t v i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 永磁电机的发展 永磁电机是以永磁体为励磁源的电机，其发展是随永磁材料及功率电子元件 的突破而不断发展的。 十九世纪三十年代世界上出现的第一台电机就是永磁电机，其材料为天然永 磁体矿石，由于材料的性能很差，制造的电机体积庞大、实用性差，很快即被电 励磁电机取代。 直n - 十世纪三十年代出现了铝镍钴永磁材料，由于材料性能的提高，制成 的电机体积和效率大大改善，永磁电机的发展进入了新的时期。铝镍钴特点是剩 余磁感应强度高，可达1 3 5 1 ，剩磁温度系数小，仅为一0 0 2 k 1 ，但缺点是矫顽 力很低，仅为1 6 0 k h m ，价格高，退磁曲线为非线性，使用时需经稳磁处理。主 要用于对温度稳定性要求高的永磁电机中。 二十世纪五十年代出现了铁氧体永磁材料。铁氧体永磁材料矫顽力较大，可 达3 2 0 k h m ，退磁曲线的主要部分是直线，不用进行稳磁处理。其缺点是剩余磁 感应低，仅为0 4 4 t ，温度系数较高，为- 0 2 k 一，但由于价格低廉，在车用电 机等微型电机中获得了大量应用。 二十世纪六十年代中期研制成功高性能的钐钴永磁材料，其剩余磁感应强度 可达1 1 t ，矫顽力达7 2 0 k h m ，剩磁温度系数很低，一0 0 3 k ，退磁益线为直线。 稀土钴永磁材料的性能高、稳定性好，适合做电机的永磁材料，但由于价格昂贵， 一般只用于要求高的场合，例如用于航空中的执行器等。 1 9 8 3 年日本住友特种金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁硼永 磁体。钕铁硼永磁体剩余磁感应强度高达1 4 7 t ，矫顽力高达1 1 0 0 k h m ，其不足 之处是，居里温度较低，一般为3 1 0 。c 一4 1 0 。c ；剩磁温度系数较低，在一0 2 k 1 左右。由于钕铁硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，价格又低于稀土钴永磁 材料，在稀土矿中钕的含量是钐的十几倍，而且不含战略物质钴，因而引起 了国内外磁学界和电机界的极大关注，纷纷投入大量人力物力进行研究开发。尤 其是近年来对该材料的不断完善，提高了使用温度和降低了材料的成本，将稀土 永磁材料应用于各种电机的开发上可以明显的减轻电机的重量，可以使电机的外 型尺寸减小，又可以获得高效的节能效果和提高电机的性能，再结合电力电子新 北京交通大学博士学位论文 技术，使得稀土永磁材料在电机中的应用可实现产品机电一体化，可以预言稀土 永磁材料将在本世纪，对电机的应用与发展起着重大的作用，各种用途的新型稀 土永磁电机将进入了一个崭新的发展阶段。 永磁电机应用范围不断扩大。永磁电机已广泛用于舰船的推进、风力发电、 电动汽车、航空执行器、纺织机械、数控机床、油田抽油泵、汽车摩托车起动、 电动自行车、电梯拖动、计算机光驱、家用电器等，应用遍及航空航天、国防、 工农业生产和日常生活的各个领域。目前已开始永磁无刷电机在机车牵引领域的 应用研究。 永磁电机的单机容量不断增大。德国西门子公司于1 9 8 7 年研制成功1 0 9 5 k w 的船舶推进永磁电机，转速为2 3 0 转分，采用钐钻永磁体励磁；1 9 9 7 年又为德 国海军研制成功1 7 6 0 k w 永磁电机作为潜艇的推进动力。1 9 9 5 年法国的热蒙一 施奈德公司设计制造了3 m w 、5 0 0 转分的永磁推进电机。1 9 9 8 年美国的卡曼公 司、纽波特纽斯船厂研制成功9 2 m w 、1 5 0 转分、轴向气隙钕铁硼永磁推进电 机，1 9 9 9 年又完成1 8 4 m w 永磁推进电机的研制【2 , 3 1 。 1 2 永磁无刷电机的特点 永磁无刷电机按照反电势波形的不同分为正弦波无刷电机和梯形波( 或方 波) 无刷电机。正弦波无刷电机反电势波形梯形波接近正弦波，一般称为永磁同 步电机( p e r m a n e n tm a g m e ts y b c h r o n o u sm o t o r s ，缩写为p s m s ) ，也称为无刷交 流电机( b r u s h l e s sa cm o t o r s ) ；梯形波无刷电机反电势波形接近梯形波，一般 称为无刷直流电机( b r u s h l e s sd cm o t o r s ，缩写为b l d c m ) 。 永磁无刷电机采用钕铁硼永磁材料作为励磁源，与直流电机相比具有以下特 点： ( 1 ) 无需电源励磁，不存在励磁损耗，效率高。在额定功率和额定电压下， 采用永磁无刷电机的船舶推进电动机比直流电动机能耗降低2 0 左右“。 ( 2 ) 体积小，重量轻，节省铜铁材料。采用永磁无刷电机船舶推进电动机比 直流电动机体积减小4 0 左右”3 。 ( 3 ) 无换向器，减少了换向器和碳刷引起的故障，可靠性好。 ( 4 ) 结构简单，动态性能好。 2 第一章绪论 与异步电机相比，相比具有以下特点： ( 1 ) 提高了效率。永磁无刷电机运行时转子转速与旋转磁场转速保持一致， 气隙主磁场不会引起转子铁耗，转子铁耗是由齿槽谐波引起的，因此转子铁耗大 大降低。由于稀土电机转子是以永磁体励磁，不存在转子铜耗，也减小了定子绕 组的励磁电流，使效率得以提高。 ( 2 ) 气隙磁通密度更高，可节省铜、铁材料。 ( 3 ) 更容易实现调速和控制。 ( 4 ) 体积更小、重量更轻。 无刷直流电机与永磁同步电机相比具有以下特点： ( 1 ) 无刷直流电机的转矩高于永磁同步电机，因此能量密度更大、体积更小， 有利于节约材料，降低成本。 ( 2 ) 无刷直流电机的控制比永磁同步电机简单，控制系统成本低。永磁同步 电机采用矢量控制或直接转矩控制进行调速，两种方法都需要进行坐标变换，而 无刷直流电机只须按直流电机的控制方式进行控制。 ( 3 ) 正弦波无刷电机转动平稳，转矩脉动小。无刷直流电机转矩脉动较大( 特 别是在低速时) 。 ( 4 ) 正弦波无刷电机主要应用在功率较小、对转动的平稳性要求高的场合， 例如伺服驱动系统。方波无刷电机主要应用在大功率、对转动的平稳性要求一般 的场合。 永磁无刷电机效率高，在电力拖动系统中广泛应用，不仅可以节约大量的电 力资源，还可以节约大量的铜铁有色金属。 永磁无刷电机不仅效率高，而且能量密度高，特别适合作为交通运输动力。 国外船舰永磁推进电机的发展已经证明，永磁推进电机可以提高效率，减轻船载 重量，节约船舱空间。同样，在电动汽车使用永磁无刷电机作动力可减轻车身重 量，节约有效空间，增加每次充电行驶的里程。在机车牵引中使用永磁无刷电机 作为牵引电机，可使牵引电机本身的重量大大减轻，从而可以增加运力、减轻转 向架中轴的负担，提高可靠性和运输的经济性。 我国具有丰富的钕资源，钕的矿藏量大约占世界储存量的8 0 ，所以在我国 研究、推广永磁无刷电机不仅可以节约能源和有色金属，又具有资源优势。 1 3 永磁无刷直流电机的国内外研究现状 无刷具有效率高、能量密度高以及动态特性好等优点，应用领域包括船舰推 北京交通大学博士学位论文 进、电动汽车驱动、航空执行器、一般工业拖动及控制、家用电器等，目前已开 始应用于机车牵引的研究。国内外对无刷电机进行了大量研究，以下从无刷电机 的磁场分析、转矩波动抑制、转子损耗计算、恒功调速等方面的介绍其研究的现 状。 1 3 1 磁场分析 磁场分析方法同其他电机一样，包括解析方法和数值方法。其中解析方法包 括等效磁路法、等效网络法、镜象法和泊松方程的解析求解法。 一、解析方法 i 等效磁路法 等效磁路法是最传统、最简单的方法，在求得磁势和磁路的直接求解气隙磁 通密度。此方法概念清楚、计算简单，但计算精度受磁路的等效影响较大。有限 元方法出现后，利用有限元法计算参数，在进行磁场的分析，使精度提高。文献 4 采用了等效磁路法对无刷电机的特性进行了预测，文献 5 则在使用等效磁路 法时利用了有限元计算结果。 2 等效磁网络法 等效磁网络是根据磁通管原理形成的，把细分的思想应用于永磁体模拟，建 立了永磁体较为精确的网络模型。通常是以节点法建立电机等效磁网络节点磁位 方程组，得出了电机气隙磁场波形曲线。等效磁网络法是一种介于等效磁路法和 有限元法之间的分析方法，原理简单，实现方便，计算精度高于等效磁路法、低 于有限元法，计算时间少于有限元法，磁网络中各单元的划分可以形成规范化， 前后处理工作量小。文献 6 8 采用了等效磁网络法对无刷电机的磁场进行分 析。 3 镜像法 镜象法包括电流镜像和磁荷镜像。 在载流导体所产生磁场的作用下，铁磁边界将被磁化并对原先的磁场分布产 生影响。在分析计算区域磁场时，可以利用处于均匀介质、位于边界面后面的等 效虚拟电流代替实际边界的影响，这种方法为电流镜像法。文献 2 0 对电流镜象 法进行了详细论述。 在磁荷镜象法中，磁荷是假想的概念，类似静电场中的电荷。在静电场中电 介质边晃对静电场的影响可以用均匀电解质的镜像电荷代替。在永磁电机中，永 4 第一章绪论 磁体的作用等效成表面磁荷，磁边界对磁场的影响用镜像磁荷来代替。 由于永磁电机结构的复杂性，使用镜象法使问题的求解十分烦琐，目前已很 少使用。 4 拉普拉斯方程的解析求解法 在磁场的计算区域建立中间变量的拉普拉斯方程，中间变量可以是标量磁位 或矢量磁位，通过边界条件确定中间变量，然后再由中间变量确定磁场分布。齿 槽影响在将齿槽近似成规则形状后用比磁导函数加以考虑。文献 1 0 - - 1 4 通过极 坐标形式的标量磁位拉普拉斯方程的解析求解研究了气隙的磁场分布，文献 1 5 采用了矢量磁位拉普拉斯方程对气隙的磁场进行了计算。 二、数值方法 数值方法包括有限差分法和有限元法。 有限差分法就是用差分来近似代替微分把求解区域的偏微分方程和边界条 件化成区域内部和边界上各个节点的差分方程组，然后利用数值法求解差分方程 组获得求解区域的磁场分布。有限差分法的优点是：网格剖分简单，并能给出离 散逼近的误差估计；但由于差分法的网格剖分灵活性小，只有在求解区域形状比 较规则时使用方便，当区域的边界线和内部媒质分界线形状复杂以及场域内场的 分布变化较大时，使用并不方便。 有限元法是从变分原理或加权余量法出发，结合单元剖分、分片插值，用以 求解偏微分方程的数值方法。由于它具有单元剖分灵活，收敛性好，适用计算机 求解，近年来在无刷电机的研究中得到了广泛应用。有限元法包括二维有限元和 三维有限元。有限元法比有限差分法剖分更加灵活，对于不规则的边界线和内部 没值得分界线都能做到较好的逼近和处理，对于精度要求较高的区域可以局部加 密剖分。有限元法经离散后的代数方程组的系数矩阵是对称、正定、稀疏的，这 对方程组的求解十分方便，且算法统一，便于程序的标准化，目前已有多种商用 有限元软件可用，例如，a n s y s 、a n s o f t 等，有限元法的优点和实用化软件 使有限元法在无刷电机的分析中应用十分广泛，其缺点是求解时间较长啪2 1 1 ”。 文献 3 2 ，3 3 ，4 8 等利用有限元法对永磁电机磁场进行了分析计算；文献 5 1 利用有限元法对盘形永磁电机的电枢反应进行了研究；文献 6 2 ，6 3 ，6 8 采用有限 元法对无刷直流电机的反电势进行了分析，文献 6 8 利用数值微分通过转子两个 位置的有限元求解结果计算反电势，其结果精度受转子位置旋转角度的影响，文 献 6 2 采用一次有限元求解反电势，但需另外计算刚度系数矩阵的微分项，对三 北京交通大学博士学位论文 角形单元、线性磁路比较方便，但对其它单元类型及非线性系统也将十分复杂， 文献 6 3 通过不同的有限元方法计算获得的反电势计算结果与实验结果相吻合； 文献 6 1 ，6 4 ，6 9 研究了斜槽对反电势的影响。 有限元方法是迄今为止最为有效的电机分析方法，既可以考虑磁路非线性、 齿槽的影响，又可方便地研究电枢反应的影响。 1 3 2 转矩计算及转矩波动的抑制 一、转矩计算 转矩计算方法包括罗仑兹法( l o r e n t z ) 、麦克斯韦应力张量法( m a x w e l ls t r e s s t e n s o r ) 和虚位移法( v i r t u a ld i s p l a c e m e n t ) 。 文献 1 0 6 利用麦克斯韦应力张量的解析算法计算了无刷直流电机的电磁力 和转矩，文献 1 0 8 ，1 1 1 则采用虚位移法的解析求解对齿槽转矩和换相转矩进行 了计算。文献 1 0 7 通过磁链一磁动势图建立了包括交流电机、直流电机及开关 磁阻电机转矩产生的统一理论，图形包围的面积代表转矩大小，形状代表激励性 质，即正弦或方波，偏离理想曲线的大小表示转矩波动的大小。文献 1 1 4 研究 了利用虚位移法计算电磁力和电磁转矩的有限元实现，文献 1 1 0 ，1 1 6 同时利用 麦克斯韦应力张量法、虚位移法的有限元求解对无刷电机的电磁转矩进行了计 算，获得了一致的计算结果。文献 1 1 2 3 研究了麦克斯韦应力张量法最佳积分路 经，并且证明了沿最佳积分路经的麦克斯韦应力张量法与虚位移法完全等同。文 献 1 1 3 ，1 1 5 对麦克斯韦应力张量法、虚位移法的有限元求解进行了改进，文献 1 1 3 麦克斯韦应力张量法的有限元计算中每个单元的磁通密度由解析式获得， 降低了有限元参数对计算结果的敏感性，提高了计算精度，在虚位移法计算转矩 中对平均转矩和脉动转矩进行了分离；文献 1 1 5 利用麦克斯韦应力张量法计算 转矩时用面积分代替线积分，使计算结果不依赖于路径，改进的虚位移计算转矩 的方法只需一次有限元求解便可求出该位值的转矩。 二、转矩波动的抑制 目前对于无刷电机转矩波动的研究主要限于齿槽引起的转矩波动“”1 ”1 和换 相引起的转矩波动“”- 1 “3 及反电势的非理想梯形波引起的转矩波动o ”- 1 。 文献 1 2 8 研究了斜槽对齿槽转矩波动的抑制作用，给出了最佳的斜槽数； 文献 1 3 0 一1 3 2 采用永磁体倾斜抑制齿槽转矩波动，并给出了倾斜角度公式；文 第一章绪论 献 1 3 3 研究了通过辅助槽和辅助齿减小齿槽转矩；文献 1 2 8 ，1 3 5 提出通过合 理的槽数与极数配合减小齿槽转矩；文献 1 2 7 ，1 3 0 研究了减小齿槽转矩的最佳 极弧宽度方法；文献 1 3 4 提出采用永磁体磁极不对称安装的办法减小齿槽转矩。 文献 1 3 7 通过解析方法研究了换相转矩波动的原因，提出通过每相绕组单 独进行检测，控制连续导通电流不变，减小低速换相转矩波动；文献 1 3 8 提出 在换相的开始切断速度环，让电流上升率最高，以降低换相转矩波动；文献 1 4 0 提出采用延迟换相的办法减小换相波动；文献 1 4 5 则采用提前相位角的方法减 小转矩波动。 文献 1 4 6 1 4 8 研究了通过谐波电流注入的方法改善反电势的非理想梯形 波引起的转矩波动。 通过转矩反馈控制可以减小各种原因引起的转矩波动。文献 1 4 9 通过转矩 传感器实现转矩反馈，文献 1 5 0 通过转矩观测器实现转矩波动的自动补偿。 1 3 3 箍紧套对电机性能的影响及转子损耗的计算 转子箍紧套是永磁电机磁路的重要组成部分，因此箍紧套的材料对气隙磁通 密度、漏磁通有较大影响，从而影响到输出转矩。国内尚未见到这方面的研究报 道。国外的研究报道中，文献 1 5 1 通过计算表明内置式转子采用铁磁箍紧套时 气隙磁通的的基波值高出采用不锈钢箍紧套时的1 1 ；文献 1 5 3 通过有限元计 算表明箍紧套材料为软铁、中碳钢、钢基非晶合金、铜时气隙磁通密度的数值依 次降低；文献 1 5 4 ，1 5 5 对永磁体内置式微型无刷电机转子箍紧套采用铁磁材料 时厚度对气隙磁场的影响进行了研究，当箍紧套厚度增加时气隙磁通密度减小， 说明厚度增加导致漏磁增加的数值高于铁磁箍紧套使磁路磁阻减小引起主磁通 增加的数值。 转子箍紧套不仅会影响气隙磁通密度分布、产生涡流损耗，而且对无刷电机 的动态性能存在影响。当无刷电机电压突变、突然加载、突然减载、突然起停等 动态过程时，转子箍紧套会起到阻尼作用，影响动态过程。目前国外只有美国克 拉克森( c l a r k s o n ) 大学的d e r n e r d a s hna 教授带领的课题组对无刷电机箍紧套 阻尼作用进行了研究“7 “1 7 7 j ，国内尚未见到这方面的研究报道。 永磁电机转子涡流损耗引起的温度升高及效率降低对设计永磁电机有着重 要影响，设计者在电机的设计阶段应当对转子涡流损耗进行精确的预测。文献 1 7 0 通过b u l l a r d 方程的解析求解和坡印亭向量计算转子箍紧套的涡流损耗； 文献 1 7 1 通过磁势分布导出了气隙磁场、永磁体磁场分布的解析表达式，确定 7 北京交通大学博士学位论文 了转子箍紧套及永磁体的涡流及损耗解析表达式，从而计算出转子涡流损耗；文 献 1 7 2 通过对考虑涡流的偏微分方程的解析求解，获得磁场分布，计算出涡流 的分布；文献 1 6 6 ，1 6 7 利用有限元的一般最小留数的求解考虑涡流的二阶偏微 分方程，计算转子涡流损耗；文献 1 7 3 通过对m m f 的分析和有限元方法计算高 速发电机的转子损耗。作者采用分步静态有限元计算，首先计算出不同转子位置 角的静态磁场参数，然后利用相邻转子位置的静态磁场参数及转子转动时间计算 出转子各部件的涡流及涡流损耗。 1 3 4 恒功率调速 在永磁同步电机弱磁调速中，弱磁能力为电枢反应磁通与永磁体产生的磁通 之比，即增加直轴电感可以提高弱磁能力，永磁同步电机的弱磁调速是通过矢量 控制实现的【2 0 4 2 0 7 1 。 在永磁体表面凸装式无刷直流电机中，永磁体安装在转子表面，增加了气隙 长度，使得电感较小，弱磁能力较弱。文献 2 0 9 讨论了四种绕组结构电感及弱 磁能力，并采用双星逆变器实现恒功调速。文献 2 1 0 采用分数槽整距绕组增加 电感提高弱磁能力。文献 2 1 1 采用多绕组的不同连接组合实现恒功调速。 香港大学陈清泉院士带领的课题组在电动汽车的研究中设计了五相独立绕 组电机，并采用提前相位角调速。 美国t e n n e s s e e 大学的l a w l e rjs 教授带领的课题组分析了传统逆变器用 于基速以上调速时的局限性，于2 0 0 2 年提出了适合无刷电机恒功率调速的双模 逆变器拓扑模型。”- 2 2 “。 1 ，4 课题的研究背景及意义 本课题是北京交通大学重点基金资助的永磁牵引电机的预研课题。 目前国外电力机车牵引主要是使用异步电动机的交流传动系统，国内正推广 使用异步电动机的交流传动系统，与交直传动相比有很大的优越性。但异步电机 有控制复杂、功率因数低以及能量密度低等缺点。而永磁无刷电动机能量密度高、 效率和功率因数高、控制方便，结构简单，而且正在向大功率、高转速、高转矩 等方向发展，兆瓦级的无刷电机传动系统已经成功应用在船舰的推进中。目前德 第一章绪论 国、日本已经开始永磁牵引电机的实验研究。德国试制了两种永磁无刷牵引电机， s t a r n b e n g 磁性电机公司研制了2 5 0 k w 与轴集成一体外传子永磁牵引电机，不伦 瑞克科技大学研制了直接驱动的轴向磁场永磁无刷牵引电机“”；日本研制了与列 车机轴一体结构的8 0 k w 永磁无刷牵引电机，日本把它称为下一代牵引电机“”1 。 永磁牵引电机功率密度高、体积小、转矩大，减轻了转向架重量，节约电能，在 我国永磁无刷电机作为牵引动力的研究却基本是空白，在永磁牵引电机的实验研 究阶段已经落后世界先进国家。我国又是稀土大国，钕蕴藏量占世界的8 0 以上， 应该积极利用这一资源。所以，及早开发研制永磁无刷直流牵引电机，将使我国 在机车电传动领域采用新技术、新材料、实现技术跨越，走在世界前列。 采用永磁无刷电机可实现机车牵引的直接传动，直接传动具有以下优点：( 1 ) 永磁电机能量密度高，可减少电机的体积和重量，减轻转向架负担；( 2 ) 转子无 损耗，有助于降低电机内部温升，电机可采用全封闭机构；( 3 ) 省去了变速传动 装置，可降低噪声，节省安装空间，提高运输效率和动车组的可靠性。( 4 ) 效率 高，可节省运行费用。 1 5 本文研究的主要内容 本文的研究以北京交通大学重点基金项目大功率永磁无刷直流牵引电机 ( 编号：d q j o l 0 0 2 ) 为背景，在完成项目要求的3 0 k w 永磁直流电机的设计、试 制以及基于d s p 的控制器的设计、调试的基础上，研究的主要内容为： ( 1 ) 利用有限元方法对永磁体表面安装式无刷电机的电枢反应进行了研究， 获得了不同定、转子位置电枢反应规律。 ( 2 ) 研究了永磁体充磁方向对气隙磁场的影响。通过有限元分析证明了对于 梯形波无刷电机永磁体径向充磁比平行充磁气隙磁通密度幅值更高、波形更接近 梯形波，对设计永磁体径向充磁的专用装置的有限元分析说明磁瓦的磁化方向是 径向的。 ( 3 ) 在大型的永磁无刷电机中永磁体的分片是难免的，研究了永磁体分片对 气隙磁场的影响。通过有限元分析，永磁体分片会造成气隙磁场波形下陷、漏磁 增加。 ( 4 ) 研究了直槽、斜槽时对反电势的影响。通过有限元计算，斜槽时反电势 9 北京交通大学博士学位论文 的齿槽谐波分量明显降低。 ( 5 ) 利用能量摄动法和有限元分析对永磁体表面安装式无刷电机的增量电 感计算、非线性、绕组端部漏感的计算进行了研究，电感测量结果与计算结果是 一致的。 ( 6 ) 通过有限元计算研究了无刷电机直槽、斜槽转矩以及齿槽波动转矩，提 出转子磁场跳动是引起转矩波动的重要原因，给出抑制转子磁场跳动引起转矩波 动的脉宽调制算法。 ( 7 ) 研究了转子箍紧套对气隙磁场的影响、箍紧套及永磁体的损耗计算方 法、箍紧套的阻尼作用。利用分步静态有限元法计算箍紧套及永磁体的损耗的方 法。 ( 8 ) 建立了考虑i g b t 和反并二极管特性的无刷电机数学模型，可使仿真结 果更精确；建立了无刷电机的故障模型，基于故障模型可进行无刷电机的故障预 测。 ( 9 ) 分析了提前角恒功率调速机理、提前角对电机特性影响以及传统无刷电 机逆变器的局限性，对采用双模逆变器提前相位角恒功率调速在不同的调速比时 进行了研究。 第二章永磁无刷直流电机的设计及有限元分析 第二章永磁无刷直流电机的设计及有限元分析 2 1 永磁无刷直流电机的电磁设计 2 1 1 设计原则 作为机车永磁牵引电机，提高无刷电机的能量密度、降低电机的自身重量是 主要设计目标，气隙磁场应尽可能设计成梯形波。转子结构为永磁体凸装式结构 时，气隙磁场波形接近梯形波，如图2 1 所示。永磁体采用n 3 5 s h ，由于钕铁硼永 磁材料的磁导率与空气接近，d 轴与q 轴的磁阻基本相等，可以消除由于d 轴与q 轴的磁阻不相等引起的磁阻转矩的波动。 为减少无刷电机样机制造中的模具、工装的投资，缩短研制周期，作者在 3 0 k w 无刷电机的研制中套用已有的y 系列异步电机的定子铁心和机壳。样机与 相同功率、极数和额定转速的异步电机相比降低一个机座号，重量减轻3 0 以上。 2 1 2 气隙磁场与极弧系数 理想的气隙磁通密度波形应为梯形波，由于永磁体的磁阻大，部分磁通会从 边缘进入定子，另有部分磁通与相邻的磁极构成漏磁通，在不考虑齿槽效应时， 气隙磁通密度波形如图2 2 所示，b 为极弧宽度，7 为极距，b 。为气隙磁通密度 幅值。 图2 - 1 无刷直流电机转子结构图 f i g 2 1c o n f i g u r a t i o nd i a g r a r a o f b l d c mr o t o r 图2 - 2 不考虑齿槽效应时气隙磁通密度的分布 f i g 2 - 2d i s t r i b u t i o no f a 矗g a p r a a g n e i i c f i e l di g n o r i n gt h ec o g g i n ge f f e c t 北京交通大学博士学位论文 在0 x ，、五一0 5 r 、0 5 r x ：、而r 各段磁通密度可用以下解析表达式来 近似，0 x 段为 酬： - 型a 工0 5 r 段为 b ( 工) = 乓( 1 一= 1p _ ! z a 5 ) 0 5 r 五段为 b ( 工) ：乓( 1 一三e 一等) 五f 段为 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ) = 易e 4 其中，a 是代表边缘区域过渡大小的常数。 a 与磁钢的厚度、气隙的大小和相邻磁钢间隔的大小有关。磁钢厚度越大， 气隙越大，边缘磁通区域越大，a 越大；漏磁越大，边缘磁通区域越大，a 越大。 a 按下式取值“” 胪划醐n 等) ( 2 _ 5 ) 其中，k 。为漏磁系数： 6 为气隙长度； k 为永磁体的厚度。 无刷电机每极的磁通 或= 嘶岛以 ( 2 6 ) 其中，a ：为永磁体的计算极弧系数， a 。永磁体的截面积。 计算极弧系数为 1 2 第二章永磁无刷直流电机的设计及有限元分析 ；r 口