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近些年来,由于永磁电机具有结构简单、高可靠性、高效率等众多的优点,其在社会各个领域得到了普遍的应用,进而对永磁电机的性能要求愈加严格,其稳定性、可靠性等各方面的性能指标也成为了行业关注和研究的重要对象。轴承作为电机的重要组成环节,对电机的稳定运行起着至关重要的作用,轴承损坏严重时有可能导致整个电机系统失去稳定,因此,对电机轴承的稳定性和可靠性研究是非常有必要的。轴承损坏的原因,最常见的就是自然老化,还有温度过高、安装问题、负载振动、轴电压及轴电流引起的轴承电腐蚀问题等。轴电压造成的轴承电腐蚀是使得轴承损坏的一个非常重要的原因。
目前,对于轴电压的研究不算罕见,但在现有关于轴电压问题的研究中,大多是以异步电机作为研究对象,并且主要是对空载磁场下的轴电压产生机理、从外部采取措施对己产生的轴电压进行削弱等进行研究。然而,缺乏对永磁电机轴电压的研究,缺乏从电机设计本身出发抑制轴电压的产生的方法,缺乏对永磁电机电枢磁场轴电压的研究。
本文对考虑定子斜槽时的永磁电机空载磁场进行了分析,推导出来考虑定子斜槽时的永磁电机空载轴电压的解析模型,给出了空载轴电压与极槽数组合之间的关系,并分析了斜槽对空载轴电压的作用。然后本文主要针对永磁电机在定子绕组通电流时的电枢反应轴电压进行了解析推导与分析,并且对三相电流不对称的情况进行了分析,并结合有限元法进行了验证。最后对整数槽永磁同步电机由转子偏心引起的轴电压进行了分析,并分别采用优化极弧系数法和定子斜槽法对偏心轴电压进行削弱,具体的研究工作如下:
(1)对永磁同步电机空载磁场进行分析,不考虑电机故障,不考虑定子绕组通电流产生的电枢磁场,仅在永磁体作用下,对电机采用定子斜槽结构时的空载磁场进行分析,推导出考虑斜槽时的空载轴电压的解析表达式。根据斜槽空载轴电压表达式及其产生的条件,分析空载轴电压与极槽数组合之间的关系,并建立了7台功率相同、结构相近的永磁电机模型进行了仿真验证,结果与解析推导一致。然后分析了斜槽对轴电压的影响,利用解析法推导出能将空载轴电压主要谐波成分得到有效削弱的最佳斜槽数,然后在Ansoft中建立有限元模型进行验证。
(2)对永磁同步电机电枢磁场进行分析,不考虑电机故障,不考虑永磁体所产生的磁场,仅在电枢绕组中由于通入三相电流而产生的磁场影响下,对不考虑以及考虑定子铁心饱和因素与漏磁因素对电枢磁场影响的情况分别进行分析推导。首先在不考虑电枢铁心磁饱和效应及漏磁因素情况下,由电枢绕组产生电枢磁动势,利用磁动势-磁导法,求解出不考虑磁饱和及漏磁因素时的气隙磁密。然后考虑到电枢铁心饱和及漏磁因素的存在,通过有限元法对磁饱和及漏磁因素对永磁同步电机电枢反应轴电压的影响进行分析。接着提出一个新的分布函数来等效电枢铁心磁饱和因素的影响效果,然后基于磁路原理,将考虑定子铁心饱和因素时的永磁电机电枢反应磁密表达式推导出来,再分析出仅随时间改变而与位置无关的净磁通量,通过法拉第电磁感应定律求得永磁电机电枢反应轴电压,对电枢轴电压的谐波成分进行分析。最后在二维有限元中建立模型进行仿真与验证,将有限元分析得到的轴电压进行傅里叶分解,有限元结果与解析结果一致。
(3)对电机或线路出现故障而造成三相电流不对称情况下的电枢磁场进行分析,不考虑永磁体产生的磁场。首先基于对称分量法,将故障情况下的不对称分量通过该方法分解为3组对称的序分量,然后对分解得到的各序电流产生的磁动势进行分析,在考虑及不考虑磁场饱和情况下推导各序分量产生的气隙磁密,叠加得到合成磁密,从而可以推导出不平衡情况下的电枢轴电压,并与三相对称时的轴电压谐波情况进行比较,得出当出现故障而使得三相不对称时电枢轴电压中的特殊频率特征,并通过Ansoft建立模型进行仿真分析及验证。
(4)对整数槽永磁同步电机存在转子静态及动态偏心时的空载轴电压进行推导与分析,并结合有限元法进行验证。然后针对整数槽偏心轴电压,采用优化极弧系数法对其含量较高的谐波成分进行削减,结合解析法和有限元法得到削弱整数槽偏心轴电压主要谐波成分的最佳极弧系数。采用定子斜槽法对整数槽永磁电机偏心轴电压的主要谐波成分进行削弱,并结合解析法和有限元法得到可使主要谐波成分得到有效削弱的最佳斜槽数。
目前,对于轴电压的研究不算罕见,但在现有关于轴电压问题的研究中,大多是以异步电机作为研究对象,并且主要是对空载磁场下的轴电压产生机理、从外部采取措施对己产生的轴电压进行削弱等进行研究。然而,缺乏对永磁电机轴电压的研究,缺乏从电机设计本身出发抑制轴电压的产生的方法,缺乏对永磁电机电枢磁场轴电压的研究。
本文对考虑定子斜槽时的永磁电机空载磁场进行了分析,推导出来考虑定子斜槽时的永磁电机空载轴电压的解析模型,给出了空载轴电压与极槽数组合之间的关系,并分析了斜槽对空载轴电压的作用。然后本文主要针对永磁电机在定子绕组通电流时的电枢反应轴电压进行了解析推导与分析,并且对三相电流不对称的情况进行了分析,并结合有限元法进行了验证。最后对整数槽永磁同步电机由转子偏心引起的轴电压进行了分析,并分别采用优化极弧系数法和定子斜槽法对偏心轴电压进行削弱,具体的研究工作如下:
(1)对永磁同步电机空载磁场进行分析,不考虑电机故障,不考虑定子绕组通电流产生的电枢磁场,仅在永磁体作用下,对电机采用定子斜槽结构时的空载磁场进行分析,推导出考虑斜槽时的空载轴电压的解析表达式。根据斜槽空载轴电压表达式及其产生的条件,分析空载轴电压与极槽数组合之间的关系,并建立了7台功率相同、结构相近的永磁电机模型进行了仿真验证,结果与解析推导一致。然后分析了斜槽对轴电压的影响,利用解析法推导出能将空载轴电压主要谐波成分得到有效削弱的最佳斜槽数,然后在Ansoft中建立有限元模型进行验证。
(2)对永磁同步电机电枢磁场进行分析,不考虑电机故障,不考虑永磁体所产生的磁场,仅在电枢绕组中由于通入三相电流而产生的磁场影响下,对不考虑以及考虑定子铁心饱和因素与漏磁因素对电枢磁场影响的情况分别进行分析推导。首先在不考虑电枢铁心磁饱和效应及漏磁因素情况下,由电枢绕组产生电枢磁动势,利用磁动势-磁导法,求解出不考虑磁饱和及漏磁因素时的气隙磁密。然后考虑到电枢铁心饱和及漏磁因素的存在,通过有限元法对磁饱和及漏磁因素对永磁同步电机电枢反应轴电压的影响进行分析。接着提出一个新的分布函数来等效电枢铁心磁饱和因素的影响效果,然后基于磁路原理,将考虑定子铁心饱和因素时的永磁电机电枢反应磁密表达式推导出来,再分析出仅随时间改变而与位置无关的净磁通量,通过法拉第电磁感应定律求得永磁电机电枢反应轴电压,对电枢轴电压的谐波成分进行分析。最后在二维有限元中建立模型进行仿真与验证,将有限元分析得到的轴电压进行傅里叶分解,有限元结果与解析结果一致。
(3)对电机或线路出现故障而造成三相电流不对称情况下的电枢磁场进行分析,不考虑永磁体产生的磁场。首先基于对称分量法,将故障情况下的不对称分量通过该方法分解为3组对称的序分量,然后对分解得到的各序电流产生的磁动势进行分析,在考虑及不考虑磁场饱和情况下推导各序分量产生的气隙磁密,叠加得到合成磁密,从而可以推导出不平衡情况下的电枢轴电压,并与三相对称时的轴电压谐波情况进行比较,得出当出现故障而使得三相不对称时电枢轴电压中的特殊频率特征,并通过Ansoft建立模型进行仿真分析及验证。
(4)对整数槽永磁同步电机存在转子静态及动态偏心时的空载轴电压进行推导与分析,并结合有限元法进行验证。然后针对整数槽偏心轴电压,采用优化极弧系数法对其含量较高的谐波成分进行削减,结合解析法和有限元法得到削弱整数槽偏心轴电压主要谐波成分的最佳极弧系数。采用定子斜槽法对整数槽永磁电机偏心轴电压的主要谐波成分进行削弱,并结合解析法和有限元法得到可使主要谐波成分得到有效削弱的最佳斜槽数。