高轉(zhuǎn)矩密度永磁調(diào)速節(jié)能技術理論研究中文摘要

節(jié)能環(huán)保是我國促進經(jīng)濟社會發(fā)展不可動搖的重大戰(zhàn)略方針。電機驅(qū)動系統(tǒng)的節(jié)能潛力巨大，且十分有利于環(huán)境保護。本項目致力于適用于大功率風機泵類負載電機驅(qū)動系統(tǒng)的永磁調(diào)速節(jié)能新技術的理論與關鍵技術研究。深入研究永磁調(diào)速技術的能量轉(zhuǎn)換機理，推導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撲新結構，創(chuàng)新性地提出旋轉(zhuǎn)永磁渦流場有限元分析的等效旋轉(zhuǎn)磁場新方法，進而準確計算電氣參數(shù)，掌握機械特性和調(diào)速特性的快速計算技術。對不同工況的溫度場進行有限元分析，給出先進有效風冷和水冷冷卻方案。通過多目標電磁優(yōu)化設計，以及結合高剛度、穩(wěn)定性和可靠性的綜合輕量化優(yōu)化設計，提高轉(zhuǎn)矩密度，減小轉(zhuǎn)動慣量，實現(xiàn)輕量化。完成集成伺服控制系統(tǒng)設計，提出完整機械特性的實驗測試新方法。本項目的開展將為永磁調(diào)速節(jié)能技術的發(fā)展與推廣應用提供堅實的理論與技術基礎。

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現(xiàn)的一種新型電機驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)速節(jié)能技術，在電力工業(yè)、石油化工、礦山等行業(yè)得到了初步應用，獲得了良好的節(jié)能效果，其給出應用前景十分廣闊。本項目針對面貼式和內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結構、開槽和非開槽式導體轉(zhuǎn)子結構組合而成的四種典型結構筒式永磁調(diào)速器，建立其解析模型，通過有限元方法驗證其基本電磁特性的解析預測結果。通過對永磁調(diào)速器設計理論及其在線調(diào)磁技術的深入研究，基于交替極結構永磁轉(zhuǎn)子提出了機械調(diào)磁和混合勵磁型永磁調(diào)速器，基于內(nèi)置式結構永磁轉(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)能技術高滑差工況下效率較低的問題，大大改善了泵和風機調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能效果?；陔姶艌鼋馕瞿Ｐ?，給出了永磁調(diào)速器電磁參數(shù)和電磁特性的快速計算技術，掌握了電磁優(yōu)化設計方法?；诘刃Т怕贩ń⒘诵滦陀来耪{(diào)速器的解析模型，可以快速分析其電磁特性及結構參數(shù)敏感度。另外，本項目還對聚磁式永磁渦流耦合器、雙層標準鼠籠轉(zhuǎn)子高轉(zhuǎn)矩密度永磁調(diào)速器進行了初步研究；鑒于特殊場合的應用，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)速器的設計效率，本項目還針對其電磁優(yōu)化設計軟件進行開發(fā)與完善。在現(xiàn)有的研究工作基礎上，項目組與相關企業(yè)達成產(chǎn)學研合作以研究無刷型永磁調(diào)速節(jié)能技術，將進一步提高系統(tǒng)的可靠性，進而促進該項技術的工程應用。本項目按研究計劃進行實施，達到了預期的研究目標，取得了豐碩的成果，已發(fā)表學術論文8篇（SCI收錄5篇，EI收錄8篇），授權發(fā)明專利5項，該研究方向上培養(yǎng)2名博士生和3名碩士生。本項目工作豐富和發(fā)展了永磁調(diào)速器的拓撲結構與電磁分析方法，為新型永磁調(diào)速節(jié)能技術的進一步發(fā)展和工程應用奠定理論與技術基礎。

人們通常所稱的直流恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速常常是指被廣泛應用的直流電動機調(diào)電樞電壓調(diào)速。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速是用來表征電動機采用這種調(diào)速時的負載能力，并不是指電動機的實際負載。電動機采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，如果拖動恒轉(zhuǎn)矩負載運行，并使電動機的傾定轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩，則不論運行在什么轉(zhuǎn)速上，電樞電流1.=幾都不變，電動機被合理利用，負載的恒轉(zhuǎn)矩要求也得到滿足.這種恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速與恒轉(zhuǎn)矩負載的配合關系稱為匹配.如果恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的電動機拖動恒功率負載，不能做到匹配.因為這時只能按低速運行轉(zhuǎn)速選配合適的電動機，這時的負載轉(zhuǎn)矩等于電動機最大允許輔出轉(zhuǎn)矩或最大允許電磁轉(zhuǎn)矩，I一IN，電動機得到合理利用.但當運行在高速時，由于負載是恒功率性質(zhì)，高速時轉(zhuǎn)矩小，低于最大允許輸出轉(zhuǎn)矩，而恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時磁通巾(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軸上輸出的額定轉(zhuǎn)矩。

簡介

上世紀80年代,國外就提出了功率密度的概念。在現(xiàn)代的電機設計中,功率密度已經(jīng)成為一個極其重要的指標。在實際應用中,人們總希望使用的電動機體積小、重量輕、效率高(省電)、價格便宜等。特別是用于航空航天、潛艇、電動汽車等特殊場合的電動機,由于空間的限制,希望使用的電動機體積更小、重量更輕、效率更高,也就是要求電動機有較高的功率密度或轉(zhuǎn)矩密度。近年來,國內(nèi)外在探索高功率、高轉(zhuǎn)矩密度電動機的進程中,已經(jīng)研發(fā)了各種新型電動機,如開關磁阻電機、軸向、橫向磁場永磁電動機、超導電動機以及其它特殊結構的電動機等。在評價這些新型電動機的性能時,其功率密度/轉(zhuǎn)矩密度已成為重要的衡量指標之一。國內(nèi)外許多電機專家都在積極探索功率密度這一新的電機結構優(yōu)化的考核標準。在比較電動機的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度時,通常要與應用最為廣泛的普通異步電動機作比較。2100433B