新型磁場調制式永磁直線同步電機的特性研究.pdf

1、永磁直線同步電機(PMLSM)具有推力大、響應速度快、結構簡單、維護方便等優(yōu)點，在直線運動場合具有廣闊的應用前景。隨著科技發(fā)展，對PMLSM理論研究越來越深入，PMLSM主要存在以下三個缺點:(1)在工頻電源條件下，電機速度比較高，在低頻下運行時性能變差;(2)在恒頻情況下，降低電機速度需增加電機的極對數(shù);(3) PMLSM磁阻力較大，引起推力波動，低速運行時此現(xiàn)象更加明顯，影響電機伺服性能。為克服以上缺點，在不增加體積和質量的前提下，

2、對傳統(tǒng)PMLSM結構加以改進，本文提出研究一種新型磁場調制式永磁直線同步電機(LPMVM)，能在工頻或較高的頻率下低速運行，且推力波動小，電機性能提高。本文的主要研究內容如下:
　　對LPMVM的磁路理論進行研究。與傳統(tǒng)PMLSM結構和原理不同，采用氣隙比磁導波法得到電樞開槽后永磁磁密的基波磁場、諧波磁場，推出產生穩(wěn)定推力時電樞繞組極對數(shù)、永磁體極對數(shù)、電樞槽數(shù)之間的結構關系式及速度大小關系式。通過對比動子移動前后磁場分布圖進一步

3、闡明LPMVM運行機理。指出電樞磁密與永磁磁密的基波和G，次諧波幅值較大，為電機工作磁場，且永磁磁密Gr次諧波幅值大于其基波幅值。采用繞組函數(shù)得出空載反電勢和推力與基波和諧波磁場的磁路關系式，并與傳統(tǒng)PMLSM的電磁性能進行了對比分析。
　　采用二維氣隙相對磁導函數(shù)方法考慮齒槽效應的影響，建立了LPMVM磁場分層解析模型。將氣隙磁場等效為無槽氣隙磁場與有槽時氣隙相對磁導函數(shù)共同作用產生的磁場。以矢量磁位為求解變量，根據(jù)各層區(qū)域交界

4、面邊界條件，推導出永磁磁場、電樞磁場無槽分層解析模型各區(qū)域磁密解析式。用許-克變換法建立考慮齒槽效應時氣隙相對磁導函數(shù)解析模型。解析法和有限元法結果表明，無槽氣隙磁密在切向分量和法向分量計算正確，計及齒槽效應后法向磁密擬合較好，而切向磁密誤差較大，因此氣隙相對磁導函數(shù)未能考慮齒槽效應在切向方向上對磁場的影響。
　　鑒于氣隙相對磁導函數(shù)模型求解存在一定局限性，提出了LPMVM精確子域解析模型。計及永磁體相對磁導率、電機槽深、所有槽與

5、槽之間對磁場分布的相互影響，提出了更加接近電機實際情況的LPMVM精確子域模型，將求解區(qū)域分為永磁體、氣隙、槽三個子域，建立各個子域的標量磁位拉普拉斯方程。根據(jù)各子域邊界連續(xù)條件，采用傅里葉級數(shù)法，列出各個邊界條件矩陣方程組，得出精確子域模型交界處磁位、磁密解析式。用有限元法驗證了所提出的精確子域解析模型的可行性和精確性。
　　根據(jù)推導出的LPMVM精確子域模型氣隙磁密解析式，計算出電機各個電磁參數(shù)，研究了電機力角特性及運行特性。

6、忽略端部效應，采用麥克斯韋應力張量法推導出用氣隙磁密各次諧波幅值表示的電機齒槽力和垂直力解析式，對氣隙網格合理細化，用有限元法證明了解析法的正確性。推導出電機空載反電動勢、恒流源下的靜態(tài)推力、穩(wěn)態(tài)推力解析式，結果表明電機推力大且波動很小，解析解和有限元解吻合。建立了LPMVM等效電路，分析了電機的電磁性能及穩(wěn)態(tài)運行特性。令電樞電流單獨作用，通過磁鏈法求解電機相繞組自感和互感，經dq坐標變換，計算出同步電感、漏感和電樞反應電感。給出電樞電

7、流、功率、推力、效率、功率因數(shù)等電磁性能計算式，用解析法和有限元法詳絀分析了計及電阻時的力角特性曲線、電流隨力角變化曲線，兩種方法結果擬合較好。分析了電壓和頻率變化對最大電磁功率和推力的影響。采用時步有限元法分析電機瞬態(tài)特性，結果表明該電機運行速度低，推力、速度波動很小，在不同力角下電機穩(wěn)定后的推力、速度、電流與理論結果一致。
　　采用優(yōu)化端齒寬度方法對LPMVM最小磁阻力進行了研究。以短初級長次級LPMVM為研究模型，用端部等效