电感集成式高速无槽永磁同步电机的研究

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1、博士学位论文电感集成式高速无槽永磁同步电机的研究RESEARCHONHIGHSPEEDSLOTLESSPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTORWITHINTEGRATEDINDUCTANCE曹海川哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TM355学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学博士学位论文电感集成式高速无槽永磁同步电机的研究博士研究生：曹海川导师：寇宝泉教授申请学位：工学博士学科：电机与电器所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classif

2、iedIndex:TM355U.D.C:621.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONHIGHSPEEDSLOTLESSPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTORWITHINTEGRATEDINDUCTANCECandidate：CaoHaichuanSupervisor：Prof.KouBaoquanAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：ElectricalMachinea

3、ndApparatusAffiliation：Dept.ofElectricalEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要高速电机具有体积小、功率密度大、转动惯量小、动态响应快、效率高等优点，已经成为电机领域的研究热点之一，在微型燃气轮机、电主轴、飞轮储能、高速离心机、高速压缩机等领域得到了广泛应用。本课题以飞轮储能系统为应用背景，提出了一种集成电感结构的高速无槽永磁同步电机（Permanen

4、tMagnetSynchronousMotor,PMSM）方案，对该电机的转子Halbach永磁阵列、具有集成的附加电感的定子结构、电机损耗的计算方法以及冷却结构设计等方面开展了相应的研究工作。首先，本文将无槽电机与环形绕组相结合，提出了一种电感集成式新型无槽电机，该电机由具有新型双层Halbach永磁阵列的转子和集成附加电感的新型无槽定子两部分组成。文中详细介绍了新型双层Halbach永磁阵列的结构和特性，分析了双层Halbach永磁阵列的优点。建立了Halbach永磁阵列的磁场分析模型，使用标量磁位对Halbach磁场模型进行了分析，

5、求出了Halbach磁场在空间中径向和切向的表达式，进一步得到了绕组中的反电势。利用有限元法和实验测试结果对磁场模型进行了验证，通过对比结果得知，三种方法得到的气隙磁密分布曲线和反电势曲线相吻合，验证了双层Halbach永磁阵列可以提高气隙磁密正弦度。其次，详细介绍了集成附加电感的新型无槽定子的结构，阐明了在定子中增加附加电感的机理。应用矢量磁位法计算了电机自感，应用磁路法分析了附加电感与定子外侧槽型尺寸的关系，得到了准确的附加电感的数值。在Simulink中对电感集成式结构的电机进行了仿真分析，并与普通结构的高速无槽电机进行了对比。通过

6、实验测量，得到了电机中附加电感的值，以及电机运行状态下的绕组电流波形，并与解析和仿真得到的结果进行对比，证明了电感集成式结构可以有效减小绕组电流谐波。再次，研究了新型结构高速无槽PMSM的损耗。综合考虑集肤效应和邻近效应的影响，分析了高频电流引起的绕组等效电阻的变化。分析了电机中涡流损耗与定子绕组空间分布的规律。为了减小转子中的涡流损耗，在无槽电机的前提下，提出一种新型准正弦分布绕组，对其绕组线负荷的空间谐波，以及在转子中引起的涡流损耗进行了分析，并与传统的12槽单层整距绕组和24槽双层短距绕组进行对比，得出涡流损耗与绕组空间分布的关系。

7、考虑电流谐波的影响，对电机中的铁耗进行了计算，并指出定子内侧磁轭与外侧齿的铁耗的独立性。通过实验对电机的损耗进行了测试，验证了解析结果的正确性。与普-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文通无槽电机相比，新型结构高速无槽PMSM可以有效减小转子涡流损耗。最后，研究了电机的温度场及冷却结构。依据传热学基本理论，建立了电机的三维温度场模型。对电机的温度场进行了计算，得到风冷结构下的电机温度分布，并与实测温度进行对比，验证了温度场计算结果的准确性。为了保证电机更稳定的运行，为电机设计了机壳水冷结构，并与普通无槽电机进行对比，证明了新型结构高速无槽P

8、MSM可以有效降低转子温度。进一步针对本文中电机结构的特点，提出了一种绕组直接冷却的水冷结构。两种水冷结构的三维温度场分析结果表明，与机壳水冷结构相比，绕组直接冷却结构可以进一步降低电机各部分