高轉(zhuǎn)矩密度永磁調(diào)速節(jié)能技術(shù)理論研究

永磁調(diào)速是基于電磁滑差調(diào)速原理并利用高性能永磁材料實(shí)現(xiàn)的一種新型電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速節(jié)能技術(shù)，在電力工業(yè)、石油化工、礦山等行業(yè)得到了初步應(yīng)用，獲得了良好的節(jié)能效果，其給出應(yīng)用前景十分廣闊。本項(xiàng)目針對(duì)面貼式和內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、開槽和非開槽式導(dǎo)體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)組合而成的四種典型結(jié)構(gòu)筒式永磁調(diào)速器，建立其解析模型，通過有限元方法驗(yàn)證其基本電磁特性的解析預(yù)測(cè)結(jié)果。通過對(duì)永磁調(diào)速器設(shè)計(jì)理論及其在線調(diào)磁技術(shù)的深入研究，基于交替極結(jié)構(gòu)永磁轉(zhuǎn)子提出了機(jī)械調(diào)磁和混合勵(lì)磁型永磁調(diào)速器，基于內(nèi)置式結(jié)構(gòu)永磁轉(zhuǎn)子提出了平移非旋轉(zhuǎn)調(diào)磁環(huán)型永磁調(diào)速器，解決了傳統(tǒng)永磁調(diào)速節(jié)能技術(shù)中軸向平移高速轉(zhuǎn)子難度較大的問題。提出了高效功率回饋型永磁調(diào)速器，解決了傳統(tǒng)永磁調(diào)速節(jié)能技術(shù)高滑差工況下效率較低的問題，大大改善了泵和風(fēng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能效果?；陔姶艌?chǎng)解析模型，給出了永磁調(diào)速器電磁參數(shù)和電磁特性的快速計(jì)算技術(shù)，掌握了電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。基于等效磁路法建立了新型永磁調(diào)速器的解析模型，可以快速分析其電磁特性及結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感度。另外，本項(xiàng)目還對(duì)聚磁式永磁渦流耦合器、雙層標(biāo)準(zhǔn)鼠籠轉(zhuǎn)子高轉(zhuǎn)矩密度永磁調(diào)速器進(jìn)行了初步研究；鑒于特殊場(chǎng)合的應(yīng)用，也初探了軸向磁通平移非旋轉(zhuǎn)調(diào)磁環(huán)型永磁調(diào)速器的電磁特性。為了提高永磁調(diào)速器的設(shè)計(jì)效率，本項(xiàng)目還針對(duì)其電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行開發(fā)與完善。在現(xiàn)有的研究工作基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組與相關(guān)企業(yè)達(dá)成產(chǎn)學(xué)研合作以研究無刷型永磁調(diào)速節(jié)能技術(shù)，將進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)而促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的工程應(yīng)用。本項(xiàng)目按研究計(jì)劃進(jìn)行實(shí)施，達(dá)到了預(yù)期的研究目標(biāo)，取得了豐碩的成果，已發(fā)表學(xué)術(shù)論文8篇（SCI收錄5篇，EI收錄8篇），授權(quán)發(fā)明專利5項(xiàng)，該研究方向上培養(yǎng)2名博士生和3名碩士生。本項(xiàng)目工作豐富和發(fā)展了永磁調(diào)速器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與電磁分析方法，為新型永磁調(diào)速節(jié)能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和工程應(yīng)用奠定理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

節(jié)能環(huán)保是我國(guó)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不可動(dòng)搖的重大戰(zhàn)略方針。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能潛力巨大，且十分有利于環(huán)境保護(hù)。本項(xiàng)目致力于適用于大功率風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的永磁調(diào)速節(jié)能新技術(shù)的理論與關(guān)鍵技術(shù)研究。深入研究永磁調(diào)速技術(shù)的能量轉(zhuǎn)換機(jī)理，推導(dǎo)直觀反映功率傳遞和及其損耗的等效電路。提出能夠大幅提高轉(zhuǎn)矩密度的盤式和筒式磁路拓?fù)湫陆Y(jié)構(gòu)，創(chuàng)新性地提出旋轉(zhuǎn)永磁渦流場(chǎng)有限元分析的等效旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)新方法，進(jìn)而準(zhǔn)確計(jì)算電氣參數(shù)，掌握機(jī)械特性和調(diào)速特性的快速計(jì)算技術(shù)。對(duì)不同工況的溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元分析，給出先進(jìn)有效風(fēng)冷和水冷冷卻方案。通過多目標(biāo)電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及結(jié)合高剛度、穩(wěn)定性和可靠性的綜合輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高轉(zhuǎn)矩密度，減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，實(shí)現(xiàn)輕量化。完成集成伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出完整機(jī)械特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)試新方法。本項(xiàng)目的開展將為永磁調(diào)速節(jié)能技術(shù)的發(fā)展與推廣應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

人們通常所稱的直流恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速常常是指被廣泛應(yīng)用的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)電樞電壓調(diào)速。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速是用來表征電動(dòng)機(jī)采用這種調(diào)速時(shí)的負(fù)載能力，并不是指電動(dòng)機(jī)的實(shí)際負(fù)載。電動(dòng)機(jī)采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，如果拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行，并使電動(dòng)機(jī)的傾定轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則不論運(yùn)行在什么轉(zhuǎn)速上，電樞電流1.=幾都不變，電動(dòng)機(jī)被合理利用，負(fù)載的恒轉(zhuǎn)矩要求也得到滿足.這種恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速與恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的配合關(guān)系稱為匹配.如果恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒功率負(fù)載，不能做到匹配.因?yàn)檫@時(shí)只能按低速運(yùn)行轉(zhuǎn)速選配合適的電動(dòng)機(jī)，這時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于電動(dòng)機(jī)最大允許輔出轉(zhuǎn)矩或最大允許電磁轉(zhuǎn)矩，I一IN，電動(dòng)機(jī)得到合理利用.但當(dāng)運(yùn)行在高速時(shí)，由于負(fù)載是恒功率性質(zhì)，高速時(shí)轉(zhuǎn)矩小，低于最大允許輸出轉(zhuǎn)矩，而恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)磁通巾(通常為頓定磁通蜘)不變，由T=CTΦI.可知，T減小，I.也必然減小.

轉(zhuǎn)矩密度是指單位體積上電機(jī)軸上輸出的額定轉(zhuǎn)矩。

簡(jiǎn)介

上世紀(jì)80年代,國(guó)外就提出了功率密度的概念。在現(xiàn)代的電機(jī)設(shè)計(jì)中,功率密度已經(jīng)成為一個(gè)極其重要的指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中,人們總希望使用的電動(dòng)機(jī)體積小、重量輕、效率高(省電)、價(jià)格便宜等。特別是用于航空航天、潛艇、電動(dòng)汽車等特殊場(chǎng)合的電動(dòng)機(jī),由于空間的限制,希望使用的電動(dòng)機(jī)體積更小、重量更輕、效率更高,也就是要求電動(dòng)機(jī)有較高的功率密度或轉(zhuǎn)矩密度。近年來,國(guó)內(nèi)外在探索高功率、高轉(zhuǎn)矩密度電動(dòng)機(jī)的進(jìn)程中,已經(jīng)研發(fā)了各種新型電動(dòng)機(jī),如開關(guān)磁阻電機(jī)、軸向、橫向磁場(chǎng)永磁電動(dòng)機(jī)、超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)以及其它特殊結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)等。在評(píng)價(jià)這些新型電動(dòng)機(jī)的性能時(shí),其功率密度/轉(zhuǎn)矩密度已成為重要的衡量指標(biāo)之一。國(guó)內(nèi)外許多電機(jī)專家都在積極探索功率密度這一新的電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的考核標(biāo)準(zhǔn)。在比較電動(dòng)機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度時(shí),通常要與應(yīng)用最為廣泛的普通異步電動(dòng)機(jī)作比較。2100433B