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新型永磁电机损耗计算与多物理场分析.pdf
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上传时间: 2019-06-16
详细说明： 本文主要以近年来出现的包括定子永磁电机和聚磁式场调制永磁电机在内的新型永磁电机为研究对象，主要针对直流偏磁对电机铁耗的影响、磁性材料的精确模拟、逆变器供电对电机损耗的影响以及电机热分析中的关键问题进行研究。 论文的研究成果主要包括以下几个方面： 1. 通过在爱泼斯坦方圈励磁侧引入直流电流的方法，在所测的硅钢片中引入直流偏磁。以这样的装置为基础，研究了直流偏磁对硅钢片铁耗的影响。结果发现直流偏磁主要引起磁滞损耗的增加，并根据测量数据总结出描述直流偏磁对磁滞损耗影响的经验公式。根据总结的经验公式，提出了考虑直流偏磁影响的铁耗计算修正模型，以一台双凸极永磁电机为例研究了在损耗计算中考虑直流偏磁效应对铁耗计算结果的影响，最后通过实验验证了所提出的修正模型的正确性，有效 提高了定子永磁型电机铁耗计算的精度。 2. 针对新型永磁电机硅钢片中存在的局部过饱和现象，给出了硅钢片在过饱和区域内B-H曲线的推算方法，研究了硅钢片的饱和磁密对永磁磁通切换电机性能的影响。针对永磁电机中广泛存在的不可逆退磁风险，将一种考虑温度影响的永磁体分段线性不可逆退磁模型和有限元计算相结合，对永磁磁通切换电机的不可逆退磁风险进行了动态评估。结果发现在这种电机中局部不可逆退磁非常容易发生，但永磁体内大部分区域的不可逆退磁受电枢电流影响较小，它主要由温度决定。根据计算的结果，对永磁体的位置和尺寸进行了优化设计。最后将矢量Jiles-Atherton(JA)磁滞模型和有限元计算相结合，分析了考虑硅钢片磁滞和涡流特性对有限元计算结果的影响，揭示了双凸极永磁电机在高速运行时会存在空载反电势不对称的原因。 3. 研究了PWM电压源型逆变器供电对电机永磁体涡流损耗和铁耗的影响。在永磁涡流损耗计算中，提出了一种电压源供电情况下永磁体涡流损耗的计算模型，并通过二维有限元法和解析法相结合的混合法研究了永磁轴向分段对涡流损耗的影响。所提出的混合法经三维有限元法的对比验证，最大计算误差在13%以内，但计算速度大大提高。在铁耗计算中通过一维有限元法直接求解硅钢片内涡流场分布，充分考虑了硅钢片内涡流反应的影响。 4. 深入探讨了目前广泛使用的基于圆筒单元T型等效热路的集总参数热路模型的原理，揭示了其在瞬态计算中存在的理论误差，提出了修正措施。以聚磁式场调制永磁电机为例，建立了其等效热路模型并进行了实验验证。 5. 在温度场有限元计算中，重点解决了各向异性导热材料的模拟、接触热阻的模拟和温度场-热路耦合等难点问题。为解决温度场-热路耦合问题，提出了直接耦合和间接耦合两种方法，通过对比发现直接耦合法的计算速度和精度均优于间接耦合法，值得推广应用。最后提出了一种以定、转子不同比例的最小对称单元为几何模型的建模方法，有效地简化了模型，提高了计算速度。 6. 基于所取得的研究成果和有限元程序自动生成系统FEPG（Finte Element Program Generator），开发了电机多物理场仿真平台。其中电磁场计算模块可实现包括周期与反周期边界条件的施加、转子任意角度旋转、场路耦合和各种类型的损耗计算等二维有限元计算的基本功能。热分析模块可实现材料任意方向各向异性导热设置、接触热阻、场路耦合等功能。三维线弹性力学计算模块可以用于计算电机内的应变-应力分布情况。为电机设计人员提供了一个开放的电机多物理场仿真计算平台。除此以外，还将我们研究的最新成果，如考虑直流偏磁的铁耗计算和以定、转子不同比例的最小对称单元为几何模型的热分析方法等最新研究成果融入到所开发的平台中去。
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