新型混合励磁同步电机特性研究

题名:新型混合励磁同步电机特性研究
作者:张卓然
学位授予单位:南京航空航天大学
关键词:混合励磁;;同步电机;;三维有限元;;等效磁路;;静磁场;;瞬态场分析;;空载特性;;电枢反应;;整流;;无刷直流发电机
摘要:

 混合励磁是永磁励磁与电励磁两种励磁方式的有机结合。混合励磁同步电机(HESM)力求继承永磁同步电机的优点,同时使其具有气隙磁场调节能力,在航空航天、新能源发电与驱动等领域具有重要的潜在应用前景。探索Neodymium Magnets合理的HESM结构型式是推动混合励磁电机技术发展和应用的重要环节。本文致力于新型HESM本体结构拓扑研究,在电机的磁路计算、三维有限元分析、结构优化、建模方法等方面开展深入的研究,并进行实验验证与分析。

 论述了混合励磁电机励磁方式的特点,并总结其共性的基本要求。针对两种典型结构永磁同步电机,提出转子磁分路径向磁钢HESM与切向磁钢HESM结构型式,详细阐述了两种电机的结构特点与运行原理,在分析电机内径/轴向磁路分布特点的基础上,论述其气隙磁场调节原理和工作特性。

 建立了转子磁分路HESM不同励磁状态下的等效磁路模型,完成等效磁路计算程序,计算得到电机内磁路状态和空载特性。推导出影响该新型电机磁分路作用的基本约束关系,系统研究了转子长径比、极对数、永磁体结构参数、主气隙/附加气隙长度以及转子导磁体延伸段截面积等关键结构参数对电机调磁特性的影响规律。研究了基于电枢反应计算确定电机励磁磁势的基本方法,得到电机不同性质负载下的调节特性曲线。

 在MAXWELL3D中建立新型转子磁分路HESM的三维有限元模型,通过全面的静磁场分析验证了电机具有良好的气隙磁场调节能力,得到双向励磁磁势作用下电机内部磁场分布的变化情况和规律,并给出导磁桥、转子导磁体等结构的优化方法和原则。针对转子导磁体间漏磁问题,提出了增设补偿磁钢的方法,研究结果表明补偿磁钢能够有效提升气隙磁密,且对磁场调节范围影响很小。建立了切向磁钢HESM三维瞬态场路耦合分析模型,完成了电机空载特性、外特性和短路特性的仿真分析,并进行了实验验证。研究了基于瞬态场分析计算电机同步电抗的方法,结合静磁场计算结果,根据电机电压方程,建立了切向磁钢HESM的MATLAB/SIMULINK数学模型,为该新型电机的闭环系统仿真分析、快速计算提供了重要的分析手段。

 提出新型并列结构HESM结构,通过三维有限元计算得到电机内磁场分布特点,并对比分析出铁心长度的设计原则。指出并列结构HESM中存在轴向漏磁现象的特殊问题,并通过三维静磁场分析揭示了双向励磁作http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets用下轴向漏磁通的变化规律,为电机内永磁及电励磁部分之间的轴向距离选择提供了理论依据。

 提出同步发电机采用共阳极12相零式整流输出以构成无刷直流发电机的结构方案。系统地对比研究了6相双Y整流输出和12相零式整流输出结构下的发电机损耗、整流二极管电流应力和容错能力等特性,验证了12相零式整流输出无刷直流发电机在低压直流电源系统中的应用优势。并完成并列结构混合励磁无刷直流发电机的三维场路耦合分析和实验验证,表明该电机继承了永磁电机电压调整率较低的优点,且励磁电流能实现良好的辅助调节功能。指出并列结构HESM中转子磁极应轴向完全对齐,以避免相电势波形畸变影响输出电压质量。
学位年度:2009