高速中等功率鼠笼式永磁无刷电机的研究

本项目研究中等功率高速永磁无刷电机（功率为数百千瓦、转速范围在1~6万转/分钟）。这种规格的高速电机在国内外均少有研究。将在电机转子上采用鼠笼结构，起到以下功能：减小高速情况下定子绕组电感的影响，提高电机出力；减小转子总体涡流损耗，降低温升；提高电机因故障或过载情况而承受去磁电流冲击时永磁体的抗失磁能力；提高电机开环运行能力，改善采用无位置传感器控制时的起动性能。本项目将建立电机的数学模型，为鼠笼参数的设计提供理论依据；研究转子鼠笼的简单实现方法，简化制作工艺；利用有限元软件进行多物理场分析，降低电机定子铁耗与附加铜耗、转子损耗，提高转子机械强度和动力学性能；研究此类电机的优化设计方法；研究基于磁链观测的无位置传感器控制，既可应用于正弦型无刷交流运行模式（即永磁同步电动机模式），也可应用于方波型无刷直流运行模式下的动态超前触发控制，提高电机性能。

本项目研究高速中等功率鼠笼式永磁无刷直流电机。从电机本体结构上看，这类电机与传统永磁无刷直流电机最大的区别在于，其转子上安装了鼠笼。因而该电机与传统自起动永磁同步电机结构类似，但是工作条件不同。为了直观研究鼠笼的影响，本项目建立了该类电机的数学模型和Matlab/Simulink仿真模型，以及有限元分析模型。在此基础上，通过计算与分析，验证了转子鼠笼可以带来以下优势：（1）高速中等功率永磁无刷直流电机中转子涡流损耗很大、温升很高；而鼠笼可以有效减小转子永磁体中的损耗、降低温升，提高了可靠性。（2）高速中等功率永磁无刷直流电机中电枢绕组电感较小、电流幅值较大，尤其是在异常工况下容易产生冲击性去磁电流，造成转子永磁体的永久性退磁；而鼠笼可以有效提高永磁体的抗退磁能力。（3）高速中等功率永磁无刷直流电机对转子体积有较高要求，要减小体积往往需要提高电机的转矩密度；而鼠笼可以利用电枢电流中正序谐波的旋转磁场来产生附加的电磁转矩（当然也需要考虑负序分量的影响），由此使得转矩/电流比和转矩密度有所提高。（4）高速中等功率永磁无刷直流电机一般难以安装转子位置传感器，因此起动困难；而采用鼠笼转子结构后，可以采用非常简单的开环控制方法实现稳定、可靠的起动；并且，本项目在电机数学模型的基础上，提出了一种考虑了转子鼠笼影响的无传感器控制方法，使得该电机具有优越的高速运行能力。这些创新性的优势是本项目申请书中提出的，并且在本项目的实施过程中得到了仿真分析和小功率样机的验证。最后，本项目综合应用转子鼠笼的上述优势，优化设计了110千瓦、1.3万转/分钟的高速中等功率鼠笼式永磁无刷直流电机，并成功制作了样机、开展了实验研究。此外，本项目的研究成果，可拓展应用于功率较小、转速较低的鼠笼式永磁无刷直流电机，以及自起动永磁同步电机，因此理论意义和实用前景广阔。本项目完成了申请书中的全部研究内容，所取得的成果超过预期目标。