電感集成式高速無(wú)槽永磁同步電機(jī)的研究

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1、博士學(xué)位論文電感集成式高速無(wú)槽永磁同步電機(jī)的研究RESEARCHONHIGHSPEEDSLOTLESSPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTORWITHINTEGRATEDINDUCTANCE曹海川哈爾濱工業(yè)大學(xué)2015年6月國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類號(hào)：TM355學(xué)校代碼：10213國(guó)際圖書(shū)分類號(hào)：621.3密級(jí)：公開(kāi)工學(xué)博士學(xué)位論文電感集成式高速無(wú)槽永磁同步電機(jī)的研究博士研究生：曹海川導(dǎo)師：寇寶泉教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：電機(jī)與電器所在單位：電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院答辯日期：2015年6月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)Classif

2、iedIndex:TM355U.D.C:621.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONHIGHSPEEDSLOTLESSPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTORWITHINTEGRATEDINDUCTANCECandidate：CaoHaichuanSupervisor：Prof.KouBaoquanAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：ElectricalMachinea

3、ndApparatusAffiliation：Dept.ofElectricalEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要高速電機(jī)具有體積小、功率密度大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為電機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，在微型燃?xì)廨啓C(jī)、電主軸、飛輪儲(chǔ)能、高速離心機(jī)、高速壓縮機(jī)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本課題以飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)為應(yīng)用背景，提出了一種集成電感結(jié)構(gòu)的高速無(wú)槽永磁同步電機(jī)（Permanen

4、tMagnetSynchronousMotor,PMSM）方案，對(duì)該電機(jī)的轉(zhuǎn)子Halbach永磁陣列、具有集成的附加電感的定子結(jié)構(gòu)、電機(jī)損耗的計(jì)算方法以及冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面開(kāi)展了相應(yīng)的研究工作。首先，本文將無(wú)槽電機(jī)與環(huán)形繞組相結(jié)合，提出了一種電感集成式新型無(wú)槽電機(jī)，該電機(jī)由具有新型雙層Halbach永磁陣列的轉(zhuǎn)子和集成附加電感的新型無(wú)槽定子兩部分組成。文中詳細(xì)介紹了新型雙層Halbach永磁陣列的結(jié)構(gòu)和特性，分析了雙層Halbach永磁陣列的優(yōu)點(diǎn)。建立了Halbach永磁陣列的磁場(chǎng)分析模型，使用標(biāo)量磁位對(duì)Halbach磁場(chǎng)模型進(jìn)行了分析，

5、求出了Halbach磁場(chǎng)在空間中徑向和切向的表達(dá)式，進(jìn)一步得到了繞組中的反電勢(shì)。利用有限元法和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)磁場(chǎng)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)比結(jié)果得知，三種方法得到的氣隙磁密分布曲線和反電勢(shì)曲線相吻合，驗(yàn)證了雙層Halbach永磁陣列可以提高氣隙磁密正弦度。其次，詳細(xì)介紹了集成附加電感的新型無(wú)槽定子的結(jié)構(gòu)，闡明了在定子中增加附加電感的機(jī)理。應(yīng)用矢量磁位法計(jì)算了電機(jī)自感，應(yīng)用磁路法分析了附加電感與定子外側(cè)槽型尺寸的關(guān)系，得到了準(zhǔn)確的附加電感的數(shù)值。在Simulink中對(duì)電感集成式結(jié)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行了仿真分析，并與普通結(jié)構(gòu)的高速無(wú)槽電機(jī)進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)

6、實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到了電機(jī)中附加電感的值，以及電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的繞組電流波形，并與解析和仿真得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明了電感集成式結(jié)構(gòu)可以有效減小繞組電流諧波。再次，研究了新型結(jié)構(gòu)高速無(wú)槽PMSM的損耗。綜合考慮集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響，分析了高頻電流引起的繞組等效電阻的變化。分析了電機(jī)中渦流損耗與定子繞組空間分布的規(guī)律。為了減小轉(zhuǎn)子中的渦流損耗，在無(wú)槽電機(jī)的前提下，提出一種新型準(zhǔn)正弦分布繞組，對(duì)其繞組線負(fù)荷的空間諧波，以及在轉(zhuǎn)子中引起的渦流損耗進(jìn)行了分析，并與傳統(tǒng)的12槽單層整距繞組和24槽雙層短距繞組進(jìn)行對(duì)比，得出渦流損耗與繞組空間分布的關(guān)系。

7、考慮電流諧波的影響，對(duì)電機(jī)中的鐵耗進(jìn)行了計(jì)算，并指出定子內(nèi)側(cè)磁軛與外側(cè)齒的鐵耗的獨(dú)立性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)電機(jī)的損耗進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了解析結(jié)果的正確性。與普-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文通無(wú)槽電機(jī)相比，新型結(jié)構(gòu)高速無(wú)槽PMSM可以有效減小轉(zhuǎn)子渦流損耗。最后，研究了電機(jī)的溫度場(chǎng)及冷卻結(jié)構(gòu)。依據(jù)傳熱學(xué)基本理論，建立了電機(jī)的三維溫度場(chǎng)模型。對(duì)電機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，得到風(fēng)冷結(jié)構(gòu)下的電機(jī)溫度分布，并與實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了保證電機(jī)更穩(wěn)定的運(yùn)行，為電機(jī)設(shè)計(jì)了機(jī)殼水冷結(jié)構(gòu)，并與普通無(wú)槽電機(jī)進(jìn)行對(duì)比，證明了新型結(jié)構(gòu)高速無(wú)槽P

8、MSM可以有效降低轉(zhuǎn)子溫度。進(jìn)一步針對(duì)本文中電機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出了一種繞組直接冷卻的水冷結(jié)構(gòu)。兩種水冷結(jié)構(gòu)的三維溫度場(chǎng)分析結(jié)果表明，與機(jī)殼水冷結(jié)構(gòu)相比，繞組直接冷卻結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步降低電機(jī)各部分