永磁同步电机优化设计及性能测试的研究

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1、分类号密级硕士学位论文题目：永磁同步电机优化设计及性能测试的研究英文并列题目：ResearchonOptimizationDesignandPerformanceTestofPMSM研究生：于圣龙专业：控制科学与工程研究方向：控制理论与控制工程导师：白瑞林指导小组成员：学位授予日期：2016.6答辩委员会主席：杨慧中江南大学地址：无锡市蠡湖大道1800号二○一六年六月摘要摘要永磁同步电机作为机器人的关键零部件，其设计的好坏关系到机器人的动态响应、精度、可靠性和效率等诸多性能。我国对于永磁同步电机的研发与制造能力还比较薄弱、产品性能质量低

2、。传统的基于等效磁路计算后根据经验系数修正的方法已无法满足高精度、高效率和高复杂度的电机优化设计。研究基于平台的永磁同步电机优化设计，精确的分析电机性能参数，得到更加优化的设计方案，对提高自主品牌电机的性能和推动我国机器人行业的发展具有重大的现实意义。本文对影响永磁同步电机的定位精度、性价比、效率和可靠性的关键因素，包括转矩波动、永磁体设计和校核、绕组铜损和铁芯损耗及温度场分布进行了有限元分析。首先，通过对转矩波动的仿真分析发现，不同极槽配合的电机转矩波动的周期与齿槽转矩的周期有所不同，基于齿槽转矩周期设计的永磁体分段斜极角对电机转矩波

3、动的削弱效果十分有限。提出了基于转矩波动周期设计永磁体分段斜极角的方法。对6种极槽配合电机转矩波动的削弱效果进行了仿真分析，表明提出方法设计的分段斜极角可大大削弱转矩波动。其次，分析了不同表贴式永磁体形状和充磁方向对电机性能和参数的影响，优化了永磁体的形状及充磁方向，对优化的永磁体进行了样机实验，证明样机反电动势基波幅值有所提高且谐波含量较低。为校核永磁体设计的合理性，避免产生不可逆退磁，采用有限元分析电机的磁路参数，计算永磁体空载工作点，并分析了设计的电机在额定运行状态和3倍电流起动状态下永磁体在120℃时不发生不可逆退磁。最后，推导

4、了约束条件下绕组铜损的解析表达式，建立了定子槽坐标模型，分析了定子外径、定子磁密且输出转矩为约束条件时使绕组铜损最小的定子内径。根据实际控制算法，采用Simplorer建立了控制系统的模型，采用有限元方法分析了电机在实际控制系统下内部磁场和铁损的变化，分析结果表明变频器供电条件下电机内部磁场谐波含量和铁芯损耗大大增加，铁芯损耗约为正弦波供电时的2倍。根据仿真分析得到的绕组铜损和铁芯损耗，采用热路网络法分析得到等效热阻和各节点温度。与实验对比验证了分析结果的正确性。关键词：永磁同步电机；转矩波动；永磁体；损耗分析；温度场分布IAbstra

5、ctAbstractAsthekeycomponents,thedesignofPMSMisrelatedtothedynamicperformance,precision,reliabilityandefficiencyoftherobot,andthedemandishuge.ForPMSMR&Dandmanufacturingcapabilityisrelativelyweak,qualityislowinourcountry.Thetraditionalcalculationmethodbasedonequivalentmagn

6、eticcircuitandempiricalcoefficientcannotmeetthehighprecision,efficiencyandcomplexityfortheoptimaldesignofthemotor.ResearchontheoptimizationdesignofthePMSMbasedontheplatform,moreaccurateanalysisofthemotorperformanceparametersandmoreoptimizeddesignofthemotor,hasgreatpracti

7、calsignificance.Firstly,theanalysisshowedthatperiodofthetorquerippleandthecoggingtorqueisdifferentofPMSMwithdifferentnumberofpolesandslots.Thestepskewinganglebasedoncoggingtorqueperiodicityisweakeningeffectontorqueripple.Thusamethodofcalculationstepskewingangleispresente

8、dbasedontorquerippleperiodicity.Thevalidityoftheproposedmeasureisverifiedbyfiniteelementanalysis.Second