高电压中大功率鼠笼复合实心转子自起动永磁同步电动机系统研究

As the good starting and synchronization performance, high efficiency and power factor, and wide range of economic operation, the squirrel cage composite solid-rotor line-start permanent magnet synchronous motor(LSPMSM) has the potential in the high voltage and medium and high power applications to replace the induction motor. However, because of the complex magnetic field and magnetic saturation, the research on the squirrel cage composite solid-rotor LSPMSM is mainly the starting and synchronization performance and steady state operation calculation with numerical calculation method. The parameter calculation and iron loss calculation methods have not been established, and the electromagnetic vibration are still lack in the thorough research..In order to solve the existing problems of high voltage and medium and high power squirrel cage composite solid-rotor LSPMSM, the following four research contents will be studied in this project. The calculation method of electromagnetic parameters of the equivalent circuit and the analytical calculation of starting process are firstly studied. Then the design method of squirrel cage composite solid-rotor LSPMSM considering the starting and synchronization performance and steady-state operation is studied. Thirdly, the calculation method of iron loss at steady-state operation and the reduction methods are studied, and the new ventilation cooling system is designed. In the end, the analysis method and reduction method of electromagnetic vibration are studied. At last, the basic theoretical system and design method of the squirrel cage composite solid-rotor LSPMSM will be built in this project and it will lay a good foundation for the applications.

鼠笼复合实心转子异步起动永磁同步电动机具有起动和牵入同步性能好、效率和功率因数高和经济运行范围宽等优点，可在高压中大功率驱动场合取代感应电动机，具有广阔的应用前景。然而，由于其结构和磁场的复杂性，目前的研究主要是对起动过程和稳态运行的有限元分析，尚未建立完善准确的电磁参数计算方法，以及兼顾起动性能、牵入同步能力和运行性能的系统设计方法。.为解决该问题，本项目以高压中大功率鼠笼复合实心转子自起动永磁同步电动机为研究对象，拟研究计及复杂电磁结构的完善准确的电磁参数计算方法和起动过程解析分析方法；研究兼顾起动性能、牵入同步能力和运行性能的系统设计方法；提出实心转子表面损耗的计算与削弱方法，并设计相应的高效通风散热系统；研究径向电磁振动和扭转振动的分析方法与削弱措施。最终形成鼠笼复合实心转子异步起动永磁同步电动机系统完善的分析和设计方法，为其推广应用奠定坚实的理论和技术基础。

鼠笼复合实心转子异步起动永磁同步电动机具有起动和牵入同步性能好、效率和功率因数高和经济运行范围宽等优点，可在高压中大功率驱动场合取代感应电动机，具有广阔的应用前景。为了解决由于复杂结构和复杂磁场分布导致的电磁参数计算方法不完善和电机设计方法不系统等问题，本项目从考虑饱和和交叉耦合的电磁参数计算方法、考虑复杂结构的磁场计算模型、考虑复杂磁场谐波的电磁力密度计算方法、发热和冷却等方面开展研究，取得了以下研究成果：(1) 由于电磁状态变化远快于机械状态变化，将起动阶段瞬变电磁参数的计算转换为不同转差率下稳态电磁参数的计算。利用有限元法确定定子侧参数，根据状态方程组求解转子侧电磁参数。将所得电磁参数代入状态方程组进而搭建起动阶段动态模型。动态模型与有限元仿真结果吻合良好，且计算时间显著减小。(2)提出一种子域法和有限差分法相结合的稳定异步状态磁场分布计算方法。避免了单纯使用子域法无法处理转子区域径向边界条件的问题，并且具有比数值计算方法更快的求解速度。(3)采用磁动势-磁导法并结合永磁体磁动势与定、转子开槽影响系数的计算表达式求解电机气隙磁密，应用麦克斯韦张量法获得稳定运行状态下径向电磁力密度的解析表达式。得到了稳定运行阶段径向电磁力密度谐波分量空间阶次与交变频率的数值特征。分析了不均匀气隙与永磁体分段斜极对径向电磁力密度的影响。(4)转子温升是影响电机稳态运行性能的重要因素。为防止转子温升过高，对冷却系统加以改进。在保留原有定子径向风道的基础上，在转子铁心内部添加轴向、径向风道，通过转子风道的添加以及定、转子径向风道的配合增加电机转子与冷却气流的接触面积，进而达到降低转子温升、将电机稳态运行温度控制在安全范围内的目的。通过本研究，建立了鼠笼复合实心转子异步起动永磁同步电动机系统完善的分析方法与设计方法，为其推广应用奠定了坚实的理论和技术基础。