集中式电枢绕组同步磁阻电机分析与设计

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近年来,低成本、高性能、耐用性强的同步磁阻电机(Synchronous Reluctance Motor,简称SynRM)在交流调速领域受到工业界越来越多的关注,为传统的永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,简称 PMSM)和感应电机(Induction Motor,简称IM)应用场景提供了新的思路与替代方案。然而,从电机结构而言,制约SynRM大面积推广应用的主要原因包括:采用传统分布式绕组导致其端部较长,功率密度难以进一步提升;直轴与交轴电感变化引起的电磁转矩脉动。因此,对于无需永磁励磁的SynRM而言,其定子绕组形式的优化、转子结构的设计及其转矩性能的提升逐渐成为研究重点。针对上述关键问题,本文提出一种采用集中式绕组的SynRM,充分利用端部不重叠的单齿绕线方式,在轴向空间有限的情况下,结合定子模块化的加工工艺可获得较高的槽满率,以提升转矩密度。在此基础之上,采用转子斜极结构以降低转矩脉动。论文的主要研究内容与创新点如下:(1)根据现有的研究成果总结SynRM的优势与劣势,从多个角度阐述SynRM的研究现状。(2)分析SynRM的运行原理,建立集中式绕组SynRM的数学模型,同时对SynRM的设计要点进行总结。(3)进一步细化SynRM的尺寸参数设计,并对定转子的关键参数进行分析,设计出12槽/4极集中式绕组SynRM初步模型。(4)建立SynRM的等效磁路模型,计算其电磁性能,可较为准确地计算气隙磁密。(5)对电机初步模型的几何参数进行多目标优化,采用Taguchi方法并结合帕累托前沿对方案进行筛选,获得性能较好的电机优化模型参数组合。(6)对比优化前后及其他绕组形式与槽极配合的SynRM,给出不同长径比下的SynRM绕组选择原则,以一台12槽/4极电机为例验证集中式绕组在特定尺寸下的转矩出力优势。对优化后的电机电感和转矩特性进行分析,提出了考虑交叉耦合的转矩修正公式。进而,利用已有电感数据进行二维拟合,为制定SynRM的控制策略提供参考思路。(7)加工一台三相12槽/4极集中式绕组SynRM,搭建实验平台,对其电磁性能进行测试,实验结果与有限元仿真结果一致,证明了理论分析的正确性。本文研究了集中式绕组SynRM的分析、设计、制造、验证等各个阶段,旨在通过设计和分析新的拓扑结构,更为清晰的认识其局限性,并给出其结构改进和优化建议,促进SynRM的进一步发展与推广。
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