磁场特性对永磁同步电机特性的影响研究

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1、国内图书分类号：TM351国际图书分类号：470.40工学硕士学位论文磁场特性对永磁同步电机特性的影响研究硕士研究生：史庆夫导师：李勇教授申请学位：工学硕士学科、专业：电机与电器所在单位：电气工程系答辩日期：2009年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学工学硕士学位论文件的高精度、高效率加工。这些都对永磁同步电动机的动、静态控制精度提出了很高的要求。机器人中也广泛应用永磁同步电动机作为其驱动源。采用永磁同步电动机的伺服驱动系统能够准确地跟踪控制命令，获得优良的控制品质。（3）航空航天领域精密离心机是航天领域的重要设备，用于加速度表的标定，其特点是要求驱动功率大，转速平稳，稳速精度为

2、10−6数量级。采用永磁同步电动机可以有效抑制转矩脉动，同时降低损耗提高效率。永磁同步电动机也成功应用于惯性导航测试设备。近年来，小卫星发展受到重视，太空中小卫星的姿态需要经常调整。采用无刷直流电动机与飞轮一体化设计，使得飞轮具有较大的转动惯量，在加速和减速时提供足够的反作用力作用于卫星，使其改变姿态。近年来，哈尔滨工业大学在这一领域取得突破性的进展，使得国内在这一领域达到世界先进水平。（4）其他领域永磁同步电机的的优良特点使其被广泛应用在各个领域中。如在医疗领域，Halbach结构永磁同步电机成功地应用于人工心脏血泵的驱动，充分发挥了该种结构电机力矩脉动小，功耗低等优点，沈阳工业大学在这种

3、磁体结构的电机上的研究较多。在外太空探索领域[3~4]，F·Leonardi等学者研制了一台超大天文望远镜用大转矩低脉动的永磁电机。该电机的额定连续转矩有效值为125000Nm，峰值转矩更是达到250000Nm，额定转速为0.0349rad/s。国内方面，1995年，哈尔滨工业大学研制成功了额定力矩达2000Nm的永磁同步电动机驱动系统ash，后来又研制成功转矩达到12000Nm的交流永磁伺服电机系统。2001年，沈阳工业大学研制了低速大扭矩永磁同步电动机，其额定转矩为700Nm，转速为150r/min。1.2永磁同步电机的磁场结构分类永磁同步电机的磁场结构随着转子磁钢排列方式的不同而有所区

4、别，磁钢的排列方式大致分为三种：SPM结构永磁同步电机和IPM结构永磁同步电机，还有一种较少应用的爪极式。SPM结构永磁同步电机磁钢除了有平行充磁方式、径向充磁方式外，还有一种比较特殊的充磁方式——Halbach结构充磁，本文将该种结构作为研究的对象之一。由于平行充磁方式和径向充磁方式差别不大，本文只进行平行充磁方式和其他磁钢排列方式的比较研究。IPM结构永磁同步电机按磁路结构分为径向式和切向式两种。（1）普通SPM结构永磁同步电机普通SPM结构永磁同步电机磁钢充磁方式有两种：平行充磁和径向充磁，平行充磁由于易于实现。所以，是实际的电机设计中比较常用的一种充磁方式，它的-3-哈尔滨工业大学工

5、学硕士学位论文磁场分布情况如图1-1所示。图1-1磁钢平行充磁磁场结构图（2）Halbach结构永磁同步电机Halbach列是美国学者Mallinson在1973年对永磁体结构进行拼装实验时发现的一种奇特的永磁体结构，当时把它称作“magneticcuriosity”，但并没有察觉到这种结构的应用价值。直到1979年，美国另一名学者KlauseHalbach在利用各种永磁体结构产生的磁场作电子加速实验时，逐步发现并完善了这种特殊的永磁体结构，最终形成了所谓的“Halbach”列。图1-2是两种典型Halbach结构永磁体排列及磁场分布图[5]。a)内转子永磁体排列及磁场分布b)外转子永磁体排

6、列及磁场分布图1-2Halbach结构及磁场分布图1-2所示Halbach列的磁场分布验证了Halbach列的自屏蔽效应。对内转子永磁体排列的Halbach列，磁场分布都在Halbach列的内部，Halbach列外部的磁场几乎为0；而对外转子永磁体列的Halbach列则相反[6]。-4-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文（3）径向式IPM结构永磁同步电机这类结构的优点是在采取隔磁措施后漏磁系数较小、极弧系数易于控制、转子冲片机械强度高、安装永磁体后转子不易变形等[7]。磁场结构如图1-3所示。图1-3径向式IPM结构永磁同步电机磁场分布图中结构增加了必要的隔磁措施后，漏磁较少，这也是这类结构的优

7、点之一，但是当电机极数较多时径向式结构不能提供足够的每极磁通。（4）切向式IPM结构永磁同步电机切向式永磁同步电机由定子、转子等部件组成，转子中嵌入永磁体，有两个永磁体截面对气隙提供每极磁通，可提高气隙磁密。尤其当电机的极数较多时，这种结构的优势显现的更加突出。为避免转轴侧永磁体端部出现短路，用非导磁性衬套把转子同转轴分开。它的磁场分布情况如图1-4所示。图1-4切向式IPM结构永磁同步电机磁场分布从磁场分布