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低速永磁电动机转矩特性的三维有限元分析及实验研究

作　者: 李军
导　师: 罗应立
学　校: 华北电力大学
专　业: 电机与电器
关键词: 低速驱动永磁电机三维有限元转矩计算
分类号: TM351
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 9次
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内容摘要

在某些具有低速直接驱动的场所,要求电动机能在很小的直径(100mm左右)下输出数百牛米的力矩,为了满足这类需求,本文研究了电磁减速式低速轴向永磁同步电动机(以下简称低速永磁电动机或Ls-A-Pmsm)的转矩产生机理,建立了三维磁场及转矩计算模型,并研究了转矩的影响因素。主要工作及创新性成果如下：1.针对该电机的磁场轴向和径向复杂分布的特点,建立了三维磁场有限元分析模型及相应的转矩计算模型。将理论分析与数值计算相结合,揭示了其电磁转矩与定转子相对位置及转矩角之间的基本关系。2.系统地研究了在进行三维磁场及转矩计算时人为选择的计算参数(剖分单元形状和轴向径向密度、麦克斯韦应力法计算路径、等效的硅钢片绝缘间隙等)对仿真计算准确度的影响,提出了合理的取值范围。3.研究分析了低速永磁电动机的主要设计参数对电机转矩特性的影响。揭示了在考虑饱和、谐波、漏磁等多种因素影响的条件下电磁转矩与气隙长度、永磁体厚度及电枢电流等设计参数之间的基本关系,为开展低速小直径大扭矩直接驱动电机的设计研究提供了技术支持。4.将转矩变化特性曲线作为起动过程仿真计算的转矩变化依据,采用这种称之为简化的三维磁场有限元计算方法实现对起动过程的仿真分析。仿真和实验研究发现,虽然该类电机的堵转转矩随电流相位的变化正负波动,但仍然具有很高的起动能力。5.实测研究采用了两种方法进行测试：一种是在高处用实验电机通过定滑轮吊重物,虽不够精确却能快捷地直观地判断基本的起动能力；另一种是额定力矩为20Nm的同轴小机组实验台,该综合小实验台能得到起动过程转矩与转速随时间变化的曲线。最后实测结果与通过仿真计算相对比,验证了仿真计算的准确性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-13
第一章绪论  13-21
  1.1 选题背景及其实际意义  13-14
  1.2 国内外低速电机方面的研究进展  14-18
    1.2.1 电磁减速式低速永磁电动机的发展状况  14
    1.2.2 低速永磁电动机的自起动能力  14-15
    1.2.3 低速电机磁场的有限元分析及转矩的计算  15-16
    1.2.4 电机及调速系统低速运行的研究  16
    1.2.5 石油开采领域对低速电机的要求及相关研究进展  16-18
    1.2.6 课题的前期工作  18
  1.3 研究课题的提出及主要工作内容  18-21
    1.3.1 研究课题的提出  18
    1.3.2 本文的主要工作  18-21
第二章低速永磁电动机基本工作原理及磁场与转矩的计算分析  21-47
  2.1 引言  21-22
  2.2 低速永磁电动机的基本结构及减速比  22-23
  2.3 低速永磁电动机的转矩产生机理  23-35
    2.3.1 低速永磁电动机的传统分析方法  23-25
    2.3.2 转矩产生机理的理论分析  25-35
  2.4 磁场的三维有限元分析  35-38
    2.4.1 电流区域标量磁位的处理  35-36
    2.4.2 三维静态磁场分析  36-37
    2.4.3 气隙层区域的剖分  37-38
    2.4.4 气隙单元磁密B的计算结果  38
  2.5 基于三维磁场计算的转矩特性分析  38-46
    2.5.1 电磁转矩的计算方法  38-41
    2.5.2 转矩影响因素及转矩特性  41-44
    2.5.3 转矩随电流相位及转子位置变化的规律  44-45
    2.5.4 堵转转矩变化规律的分析  45
    2.5.5 转矩与转子位置的关系  45-46
  2.6 本章小结  46-47
第三章三维磁场及转矩计算参数对计算结果的影响  47-57
  3.1 引言  47
  3.2 转矩影响因素的理论分析  47-49
    3.2.1 计算对象  47
    3.2.2 转矩影响因素的分析  47-48
    3.2.3 轴向截面上单元磁密沿园周向展开  48-49
  3.3 计算参数的选择对转矩计算结果的影响  49-55
    3.3.1 对计算参数的总体描述  49
    3.3.2 轴向剖分单元类型及密度  49-50
    3.3.3 转矩分段计算的轴向分段数  50-51
    3.3.4 磁力线穿越铁心叠片间的绝缘层  51-52
    3.3.5 气隙区域径向及切向剖分参数  52-55
  3.4 麦克斯韦应力法不同计算路径对转矩计算结果的影响  55-56
    3.4.1 计算路径及计算点  55
    3.4.2 不同计算路径的计算结果对比分析  55-56
  3.5 本章小结  56-57
第四章低速永磁电动机设计参数对转矩影响的研究  57-64
  4.1 引言  57
  4.2 典型结构及磁场分布特点  57-58
    4.2.1 典型结构  57
    4.2.2 磁场分布特点  57-58
  4.3 主要设计参数对转矩的影响  58-62
    4.3.1 气隙大小对转矩的影响  58-59
    4.3.2 永磁体厚度对转矩的影响  59-62
  4.4 电枢电流对转矩的影响  62
  4.5 改变永磁体矫顽力  62-63
  4.6 本章小结  63-64
第五章基于三维磁场计算的永磁电动机的动态分析  64-71
  5.1 引言  64
  5.2 起动过程仿真对象与步骤  64-65
    5.2.1 仿真计算的对象  64
    5.2.2 仿真计算步骤  64-65
    5.2.3 转矩特性曲线数据处理  65
  5.3 基于三维磁场计算的动态仿真分析  65-68
    5.3.1 常用的动态仿真计算法简介  65-67
    5.3.2 简化的三维磁场有限元起动过程仿真计算法  67-68
  5.4 起动过程的影响因素和自起动的条件  68-69
    5.4.1 起动过程的影响因素  68-69
    5.4.2 牵入同步并自起动的条件和机理  69
  5.5 本章小结  69-71
第六章低速永磁电动机的实验研究  71-75
  6.1 实测研究  71-73
    6.1.1 实测手段  71-72
    6.1.2 实测结果及其分析  72-73
  6.2 本章小结  73-75
第七章结论与展望  75-76
  7.1 结论  75
  7.2 进一步研究工作展望  75-76
参考文献  76-81
附录一电磁减速式永磁低速同步电动机实验参数  81-85
  附1.1 绕组接法布置图  81
  附1.2 电机模型一  81-82
    附1.2.1 主要参数的设计、测绘值  81-82
    附1.2.2 实测结果数据表  82
  附1.3 电机模型二  82-84
    附1.3.1 主要参数设计值  82-83
    附1.3.2 电机实测温度-电阻曲线图  83-84
  附1.4 测量仪器  84-85
附录二基于节点的3D-FEM标量磁位法基本原理  85-87
  附2.1 矢量磁位法和标量磁位法  85
  附2.2 电流区域标量磁位的处理  85-87
攻读博士学位期间发表的学术论文  87-88
攻读博士学位期间参加的科研工作  88-89
致谢  89-90
作者简介  90

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