摘要
在国家新格局发展下，电机作为制造业以及国民装备的核心迎来了新的发展使命。永磁同步电机因其体积小、效率高、损耗低、调速范围广等优点，在工业制造、交通运输等国民重工业领域以及电动汽车、医疗器械等日常生活领域应用广泛。永磁同步电机复杂的气隙磁场会引发复杂的电磁力波，产生的振动噪声会导致人体生理甚至病理上的变化。采用无位置传感器控制策略能降低系统成本，提高鲁棒性和可靠性但是注入高频信号后引入的电流谐波会引发更为复杂的电磁力波导致电机电磁振动加剧并产生较高声压级的噪声，极大的限制了电机的应用场合。本文基于斜槽内置式永磁同步电机，研究采用脉振高频信号注入法的无位置传感器控制下的永磁同步电机电磁力波和振动噪声问题，主要工作如下: (1)建立了永磁同步电机的数学模型，阐述了矢量控制技术和SVPWM调制算法的基本原理，研究了基于凸极效应的旋转高频信号注入法和脉振高频信号注入法的拓扑结构，对两种控制策略在Matlab/Simulink中进行了仿真验证。 (2)根据麦克斯韦张量法，采用“磁势乘磁导”进行气隙磁密的解析计算，从电磁振动的根源即径向电磁力波分析，分析了无注入信号情况下永磁同步电机的电磁力波，分别分析了在a)空载、b)考虑正弦波电流供电、c)考虑变频器供电谐波电流作用三种情况下的电磁力波并对比分析了直槽和定子斜槽电机的电磁力波。采用脉振高频信号注入法在估计的两相旋转坐标系下的直轴注入高频电压信号后，分析了新引入的电流谐波频率及其产生的电磁力波分量，总结了电磁力波分量的解析表达式。 (3)针对无位置传感器控制策略，通过联合仿真得到永磁同步电机的径向气隙磁密与电磁力波。首先，在静态场与瞬态场中分别对永磁同步电机进行了有限元计算。然后，对矢量控制策略下永磁同步电机进行了联合仿真计算。最后，对基于脉振高频信号注入法的无位置传感器控制策略下的永磁同步电机进行了联合仿真计算。在不同运行工况下的仿真结果可以验证关于永磁同步电机采用无位置传感器控制策略下径向气隙磁密与电磁力波的理论分析结果。 (4)对永磁同步电机进行了模态解析分析、有限元仿真分析以及实验测试。制作了一台斜槽内置式永磁同步电机，其基本电气参数、几何参数与搭建的仿真模型一致。首先搭建永磁同步电机的三维模型，并利用模态分析软件分别对电机未绕线定子、缠绕绕组定子和嵌套机壳定子进行了有限元分析，最后通过对整机的实验得到电机的固有模态特性，所得结果将作为进一步分析永磁同步电机采用无位置传感器控制策略下振动加速度和噪声实验的基础。 (5)搭建基于10kW,8极48槽的斜槽内置式永磁同步电机的电机驱动与振动噪声测试实验平台，分析矢量控制和无位置传感器控制下的电机性能与振动噪声。首先对矢量控制下的永磁同步电机进行了不同开关频率时的振动噪声实验，然后对不同运行工况时无位置传感器控制下的永磁同步电机进行振动噪声实验，验证了注入高频信号后新引入的电流谐波其产生的电磁力波对振动噪声带来的影响以及无位置传感器控制下电磁力波理论推导和联合仿真的正确性。分别分析了其在a)不同转速、b)不同注入信号幅值、c)不同注入信号频率、d)不同开关频率四种情况下电磁振动噪声的对比情况。通过实验验证电磁力波的理论分析与仿真结果，并从无位置传感器控制参数层面抑制永磁同步电机的电磁振动提供依据。
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