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永磁同步电机具有高效率、高能量密度、高转矩电流比、宽广的调速范围、维护简单等特点,近年来在直驱风力发电、升降机驱动等大功率系统以及数控机床、电动舵机等高性能应用场合得到广泛关注和使用。
本文系统地论述了永磁同步电机,尤其是埋入式永磁同步电机的研究意义、相关领域国内外的研究现状和发展趋势。对埋入式永磁同步电机磁路结构对磁场分布及电机饱和的影响、d、q轴电感参数以及转子永磁体产生的励磁磁链的计算、饱和对电感参数和转子永磁体产生的励磁磁链的影响、永磁同步电机的数学模型及仿真模型、电机控制策略和电压解耦的矢量控制进行了深入的研究。
详细的分析了电机性能与电机参数的关系,指出电机及其性能的准确分析必须以准确的参数为基础,在电机设计中要特别关注转子永磁体产生的励磁磁链以及d、q轴电感参数。
针对埋入式永磁同步电机的特点,借助Ansoft软件进行了静态有限元分析。深入分析了永磁材料性能、永磁体厚度、气隙长度以及磁桥宽度对埋入式永磁同步电机磁场分布、电机的饱和以及空载励磁磁链的影响及相关规律。
提出采用保存磁导率的方法计算埋入式永磁同步电机的参数,得到了电机中考虑饱和影响的转子永磁体产生的励磁磁链、考虑饱和及d、q轴共磁路影响的d、q轴电感参数。深入的分析了磁桥宽度、永磁体厚度以及气隙长度对电机参数的影响及相关规律。与采用传统电感计算方法所获得的电机参数进行了对比,深入的分析了两种方法计算所得结果产生差异的原因。研究发现由于埋入式永磁同步电机结构复杂多变,工作运行点各不相同,电机的磁场分布以及饱和情况都会随之发生改变从而引起参数的变化。要获得准确的电机参数,必须根据电机的实际情况,以准确的磁场分析为基础。
在分析静止坐标轴和d-q旋转坐标轴的的基础上,对磁路饱和以及转子永磁体磁场空间谐波对永磁电机的影响等问题进行分析研究,推导出了考虑饱和及转子磁场空间谐波的永磁同步电机非线性d-q轴数学模型,建立了一种基于M函数的埋入式永磁同步电机的非线性仿真模型。数值仿真、动态有限元计算以及实验的结果对比验证了所建立的模型正确且精度较高。
以考虑饱和及转子磁场空间谐波的永磁同步电机非线性d-q轴模型为基础,建立了基于非线性仿真模型的永磁同步电机矢量控制系统并进行仿真研究。在传统的永磁同步电机反馈解耦矢量控制策略中引入磁链观测器,提出了基于磁链观测的改进矢量控制策略。基于永磁同步电机非线性模型的仿真结果表明,该控制策略实现了更有效的解耦,提高了永磁同步电机矢量控制系统的性能。
本论文所研究的埋入式永磁同步电机的问题,是相关研究未提及或未深入研究的问题,具有一定的理论和实际应用价值。