论文部分内容阅读
异步起动永磁同步电动机(Line-StartPermanentMagnetSynchronousMotor,以下简称LSPMSM)是一类转子外表面嵌置鼠笼绕组的永磁同步电动机。定子绕组通电后，该类电机能够凭借感应转矩实现自行起动。稳定运行时，该类电机的工作机制与普通永磁同步电动机基本相同，因而具备较高的工作效率和较高的功率因数。自起动能力的具备与优良的稳定运行性能使得LSPMSM成为多种应用场合中能够替代低效感应电动机，进而实现节能降耗的理想选择对象。
然而，单就起动性能而言，LSPMSM相较于同规格感应电动机往往表现较差。主要原因为:在起动阶段，感应电动机的平均电磁转矩仅包含感应转矩，而LSPMSM的平均电磁转矩除感应转矩外还包含另外一个转矩分量，即发电制动转矩。发电制动转矩一般在转差率接近于1时达到峰值，与感应转矩叠加后，合成平均电磁转矩在电机转速较低时受到显著削弱，这导致LSPMSM难以获得理想的起动能力。
采用实心转子替代传统笼型转子是增强LSPMSM起动性能的一项有效措施。实心转子的铁心部分由具备良好导电、导磁性能的实心铁磁体构成，能够同时为转子磁通与转子涡流提供流通路径。由于集肤效应的作用，实心转子LSPMSM在起动初始阶段呈现较大的转子电阻并相应产生较高的感应转矩，因而具备较强的起动能力。但是，将普通笼型转子替换为实心转子以后，电机在转差率较小时的机械特性曲线斜率变小，牵入同步能力随之变差。
为解决上述问题，有关研究提出了一种在实心转子铁心外表面嵌放鼠笼绕组的组合式转子结构，即复合实心转子结构。装配复合实心转子的LSPMSM既能够继承实心转子LSPMSM原有的良好起动性能，也可以通过鼠笼绕组的合理设计获得较强的牵入同步能力。近年来，已有诸多专家学者将复合实心转子LSPMSM作为研究对象进行讨论分析，但有关该类LSPMSM的一些关键问题仍没有得到深入研究与充分解决，其中有两点较为突出:一是尚未建立完善、准确的电磁参数计算体系，二是对于磁场求解、电磁振动与转子涡流损耗削弱、转子温升抑制等关键问题缺乏深入分析。为此，本文以国家自然科学基金项目“高电压中大功率鼠笼复合实心转子自起动永磁同步电动机系统研究”(51777118)为依托对复合实心转子LSPMSM展开系统研究，研究工作总结如下:
1.电磁参数计算
本文以实现起动过程快速计算、起动性能准确判定为着眼点建立起一套完备、准确的电磁参数计算体系。首先通过引入交-直轴耦合互感与交轴永磁体磁链对电机状态方程组加以修正，从而有效计及电机起动过程中的交叉耦合效应。随后，基于电机起动阶段电磁状态变化远快于机械状态变化这一规律，将电机起动阶段瞬变电磁参数的计算转换为一系列不同转差率下稳态电磁参数的计算。结合状态方程组与有限元仿真结果对不同转差率下的稳态电磁参数进行求解。求解完成后，将所得电磁参数代入状态方程组进而搭建起动阶段电机动态模型。不同负载条件下电机起动阶段转速、转矩响应曲线的动态模型计算结果均与有限元仿真结果良好吻合，动态模型计算耗时相较于有限元法则显著减小。
完成电磁参数计算与动态模型搭建后，本文根据计及交叉耦合效应的状态方程组推导得到电机起动阶段电磁转矩表达式并合理选择起动性能评估指标。根据电磁转矩表达式建立起动性能评估指标与电磁参数之间的函数关系。求解不同电磁参数数值对应的起动性能评估指标从而得到电磁参数数值变化对电机起动能力的具体影响规律。
2.磁场分布计算
2.1同步运行磁场计算
在计算同步运行磁场之前，本文先将电机定子绕组线圈截面、永磁体等关键区域的形状变换为以坐标原点为圆心的径向扇形或者多个圆心同为坐标原点的径向扇形的组合。该变换使得各区域的形状满足了极坐标系下子域法对磁场计算区域的形状要求。采用子域法对区域变形之后的电机同步运行磁场进行计算，将所得计算结果与有限元法计算结果相对比进而验证了区域变形的合理性与磁场计算结果的准确性。
2.2异步运行磁场计算
本文提出一种混合磁场计算方法对稳定异步运行状态下的电机磁场分布进行求解。该方法将子域法与有限差分法相结合，利用前者处理定子、气隙区域的磁场分布，利用后者处理转子区域的磁场分布。子域法与有限差分法的相互组合既可以避免单纯使用子域法无法处理转子区域径向边界条件的问题，又具备相较于单纯使用数值计算方法更快的求解速度。
3.电磁振动分析与削弱
基于本文给出的同步运行磁场求解方法计算电机永磁体磁动势与定、转子开槽影响系数的分布波形与对应余弦级数表达式。采用磁动势-磁导法并结合永磁体磁动势与定、转子开槽影响系数的计算表达式求解电机气隙磁密，进而应用麦克斯韦张量法获得电机稳定运行状态下径向电磁力密度的解析表达式。通过与有限元仿真结果相比较对所得表达式的计算精度加以验证。根据该表达式得到了电机稳定运行阶段径向电磁力密度谐波分量空间阶次与交变频率的数值特征。
在完成径向电磁力密度的解析式推导与谐波特征分析后，本文进一步采用不均匀气隙与永磁体分段斜极这两种措施对径向电磁力密度谐波幅值加以削弱。推导对应两种措施的径向电磁力密度表达式。通过与一般情况下(气隙均匀、永磁体不斜极)径向电磁力密度表达式相比较验证了两种电磁振动削弱措施的有效性。
4.转子涡流损耗削弱与冷却系统改进
4.1转子涡流损耗分析与削弱
采用磁动势-磁导法对产生转子涡流的气隙磁密异步谐波进行定性分析。由分析结果可知定子开槽是导致气隙磁场含有异步谐波进而产生转子涡流的主要原因。为此，本文通过增加气隙长度、采用定子磁性槽楔以及采用非均匀气隙这三种措施降低定子开槽引起的气隙磁场异步谐波幅值从而削弱转子涡流损耗。对气隙长度增加幅度、定子磁性槽楔相对磁导率大小以及气隙不均匀程度改变时对应的电磁损耗、功率因数以及起动性能评估指标进行计算，基于计算结果得到了三种转子涡损削弱措施对电机综合性能的影响规律。随后，本文采用嵌合神经网络的改进非支配排序遗传算法对电机进行优化，以此实现电机综合性能的平衡与改善。
4.2冷却系统改进
采用一般冷却系统时，大功率复合实心转子LSPMSM定子内部含有径向风道，转子内部不含任何风道，转子内部产热无法有效排出，永磁体发生高温退磁进而影响电机运行性能的概率随之增加。为降低转子温升、保证电机安全高效运行，本文对大功率复合实心转子LSPMSM冷却系统加以改进:在保留定子原有径向风道的基础上，转子铁心内部同时添加轴向、径向通风孔，转子径向通风孔与定子原有径向风道的位置一一对应。添加转子通风孔后，电机运行阶段有大量冷却气流在两侧风扇的驱动下进入转子轴向通风孔，之后流经转子径向通风孔、气隙并最终通过定子径向风道排出，转子铁心内部与冷却气流的接触面积显著增加，转子温升得以有效抑制。采用仿真软件对一台355kW,10kV样机在采用一般/改进冷却系统时的温度场进行计算。由计算结果可知，采用改进冷却系统后，样机额定运行状态下转子鼠笼、转子铁心、转子永磁体的平均最高温度均明显下降，从而验证了改进冷却系统对转子温升的抑制效果。
5.样机试验
设计制造一台355kW样机与一台5.5kW样机。测取355kW样机的空载电动势、负载运行性能指标(包括定子绕组电流、功率因数、效率)以及堵转转矩与堵转电流，测取5.5kW样机的起动阶段转速曲线、空载电动势以及堵转转矩。利用两台样机的试验数据对本文理论分析与计算结果进行验证。
然而，单就起动性能而言，LSPMSM相较于同规格感应电动机往往表现较差。主要原因为:在起动阶段，感应电动机的平均电磁转矩仅包含感应转矩，而LSPMSM的平均电磁转矩除感应转矩外还包含另外一个转矩分量，即发电制动转矩。发电制动转矩一般在转差率接近于1时达到峰值，与感应转矩叠加后，合成平均电磁转矩在电机转速较低时受到显著削弱，这导致LSPMSM难以获得理想的起动能力。
采用实心转子替代传统笼型转子是增强LSPMSM起动性能的一项有效措施。实心转子的铁心部分由具备良好导电、导磁性能的实心铁磁体构成，能够同时为转子磁通与转子涡流提供流通路径。由于集肤效应的作用，实心转子LSPMSM在起动初始阶段呈现较大的转子电阻并相应产生较高的感应转矩，因而具备较强的起动能力。但是，将普通笼型转子替换为实心转子以后，电机在转差率较小时的机械特性曲线斜率变小，牵入同步能力随之变差。
为解决上述问题，有关研究提出了一种在实心转子铁心外表面嵌放鼠笼绕组的组合式转子结构，即复合实心转子结构。装配复合实心转子的LSPMSM既能够继承实心转子LSPMSM原有的良好起动性能，也可以通过鼠笼绕组的合理设计获得较强的牵入同步能力。近年来，已有诸多专家学者将复合实心转子LSPMSM作为研究对象进行讨论分析，但有关该类LSPMSM的一些关键问题仍没有得到深入研究与充分解决，其中有两点较为突出:一是尚未建立完善、准确的电磁参数计算体系，二是对于磁场求解、电磁振动与转子涡流损耗削弱、转子温升抑制等关键问题缺乏深入分析。为此，本文以国家自然科学基金项目“高电压中大功率鼠笼复合实心转子自起动永磁同步电动机系统研究”(51777118)为依托对复合实心转子LSPMSM展开系统研究，研究工作总结如下:
1.电磁参数计算
本文以实现起动过程快速计算、起动性能准确判定为着眼点建立起一套完备、准确的电磁参数计算体系。首先通过引入交-直轴耦合互感与交轴永磁体磁链对电机状态方程组加以修正，从而有效计及电机起动过程中的交叉耦合效应。随后，基于电机起动阶段电磁状态变化远快于机械状态变化这一规律，将电机起动阶段瞬变电磁参数的计算转换为一系列不同转差率下稳态电磁参数的计算。结合状态方程组与有限元仿真结果对不同转差率下的稳态电磁参数进行求解。求解完成后，将所得电磁参数代入状态方程组进而搭建起动阶段电机动态模型。不同负载条件下电机起动阶段转速、转矩响应曲线的动态模型计算结果均与有限元仿真结果良好吻合，动态模型计算耗时相较于有限元法则显著减小。
完成电磁参数计算与动态模型搭建后，本文根据计及交叉耦合效应的状态方程组推导得到电机起动阶段电磁转矩表达式并合理选择起动性能评估指标。根据电磁转矩表达式建立起动性能评估指标与电磁参数之间的函数关系。求解不同电磁参数数值对应的起动性能评估指标从而得到电磁参数数值变化对电机起动能力的具体影响规律。
2.磁场分布计算
2.1同步运行磁场计算
在计算同步运行磁场之前，本文先将电机定子绕组线圈截面、永磁体等关键区域的形状变换为以坐标原点为圆心的径向扇形或者多个圆心同为坐标原点的径向扇形的组合。该变换使得各区域的形状满足了极坐标系下子域法对磁场计算区域的形状要求。采用子域法对区域变形之后的电机同步运行磁场进行计算，将所得计算结果与有限元法计算结果相对比进而验证了区域变形的合理性与磁场计算结果的准确性。
2.2异步运行磁场计算
本文提出一种混合磁场计算方法对稳定异步运行状态下的电机磁场分布进行求解。该方法将子域法与有限差分法相结合，利用前者处理定子、气隙区域的磁场分布，利用后者处理转子区域的磁场分布。子域法与有限差分法的相互组合既可以避免单纯使用子域法无法处理转子区域径向边界条件的问题，又具备相较于单纯使用数值计算方法更快的求解速度。
3.电磁振动分析与削弱
基于本文给出的同步运行磁场求解方法计算电机永磁体磁动势与定、转子开槽影响系数的分布波形与对应余弦级数表达式。采用磁动势-磁导法并结合永磁体磁动势与定、转子开槽影响系数的计算表达式求解电机气隙磁密，进而应用麦克斯韦张量法获得电机稳定运行状态下径向电磁力密度的解析表达式。通过与有限元仿真结果相比较对所得表达式的计算精度加以验证。根据该表达式得到了电机稳定运行阶段径向电磁力密度谐波分量空间阶次与交变频率的数值特征。
在完成径向电磁力密度的解析式推导与谐波特征分析后，本文进一步采用不均匀气隙与永磁体分段斜极这两种措施对径向电磁力密度谐波幅值加以削弱。推导对应两种措施的径向电磁力密度表达式。通过与一般情况下(气隙均匀、永磁体不斜极)径向电磁力密度表达式相比较验证了两种电磁振动削弱措施的有效性。
4.转子涡流损耗削弱与冷却系统改进
4.1转子涡流损耗分析与削弱
采用磁动势-磁导法对产生转子涡流的气隙磁密异步谐波进行定性分析。由分析结果可知定子开槽是导致气隙磁场含有异步谐波进而产生转子涡流的主要原因。为此，本文通过增加气隙长度、采用定子磁性槽楔以及采用非均匀气隙这三种措施降低定子开槽引起的气隙磁场异步谐波幅值从而削弱转子涡流损耗。对气隙长度增加幅度、定子磁性槽楔相对磁导率大小以及气隙不均匀程度改变时对应的电磁损耗、功率因数以及起动性能评估指标进行计算，基于计算结果得到了三种转子涡损削弱措施对电机综合性能的影响规律。随后，本文采用嵌合神经网络的改进非支配排序遗传算法对电机进行优化，以此实现电机综合性能的平衡与改善。
4.2冷却系统改进
采用一般冷却系统时，大功率复合实心转子LSPMSM定子内部含有径向风道，转子内部不含任何风道，转子内部产热无法有效排出，永磁体发生高温退磁进而影响电机运行性能的概率随之增加。为降低转子温升、保证电机安全高效运行，本文对大功率复合实心转子LSPMSM冷却系统加以改进:在保留定子原有径向风道的基础上，转子铁心内部同时添加轴向、径向通风孔，转子径向通风孔与定子原有径向风道的位置一一对应。添加转子通风孔后，电机运行阶段有大量冷却气流在两侧风扇的驱动下进入转子轴向通风孔，之后流经转子径向通风孔、气隙并最终通过定子径向风道排出，转子铁心内部与冷却气流的接触面积显著增加，转子温升得以有效抑制。采用仿真软件对一台355kW,10kV样机在采用一般/改进冷却系统时的温度场进行计算。由计算结果可知，采用改进冷却系统后，样机额定运行状态下转子鼠笼、转子铁心、转子永磁体的平均最高温度均明显下降，从而验证了改进冷却系统对转子温升的抑制效果。
5.样机试验
设计制造一台355kW样机与一台5.5kW样机。测取355kW样机的空载电动势、负载运行性能指标(包括定子绕组电流、功率因数、效率)以及堵转转矩与堵转电流，测取5.5kW样机的起动阶段转速曲线、空载电动势以及堵转转矩。利用两台样机的试验数据对本文理论分析与计算结果进行验证。