[01605995]永磁游标电机磁链观测技术及控制系统V1.0

①课题来源与背景 课题来源单位：甘肃省科技厅（1604GKCA021） 背景：随着电气、液压、以及控制等相关科学的飞速发展,顶驱钻井系统已经成为钻采装备的主流机型。随着交流变频技术的成熟与发展,国内传统的TDS大多数采用异步电机加齿轮箱的传动结构。为了满足TDS低速大转矩的要求,异步电机的极对数往往很多,导致了电机的体积过于笨重庞大,系统的效率也非常低。此外,有关数据表明,超过40%的故障来自于此种传动结构,且维护保养成本居高不下。80年代后期,随着稀土永磁材料的性能不断提升和电力电子器件的蓬勃发展,以功率密度高和效率高的永磁同步电机得以快速的发展与应用。近年来,基于永磁同步电机直驱式的TDS系统受到了国内外学者的广泛关注。与传统的TDS系统相比较,直驱式永磁同步电机TDS系统省去齿轮箱等复杂传动链,实现了无齿传动,从而避免传动磨损和漏油等因素所造成的机械故障,并且降低噪音污染,有效提升工作效率、机械稳定性和使用寿命。 为了进一步改善记忆电机的性能,众多学者将研究热点转移到混合永磁记忆电机,此类电机可调的磁动势由低矫顽力永磁体提供,高矫顽力永磁体则提供恒定的磁动势,即利用调磁脉冲改变低矫顽力的磁化状态,从而改变高矫顽力的产生的主磁场,实现了电机的气隙磁通的调节。根据永磁体为气隙提供磁通的方式,混合永磁记忆电机可以分为并联型混合永磁记忆电机和串联型混合永磁记忆电机量两种结构形式。对于并联型混合永磁记忆电机,当两种永磁体充磁方向相同时,且低矫顽力永磁体正向饱和磁化,电机的气隙磁密最大;两种永磁体充磁方向相反时,且低矫顽力永磁体反向饱和磁化,电机的气隙磁密最小。相比与串联型混合永磁记忆电机,并联型混合永磁记忆电机的调磁范围较大,但是在电机设计过程中必须降低永磁体之间的交叉耦合效应,需考虑永磁体的尺寸、选型以及位置等,造成了转子磁路结构复杂等问题。 ②研究目的及意义 记忆电机问世以来,引发了研究热潮。根据永磁体在电机上安放位置的不同,记忆电机可分为转子型记忆电机和定子型记忆电机。转子型记忆电机通常采用矫顽力较低的单一型永磁体,如铁氧体、铝镍钴等。德国学者Vlado Ostovic在2001年首次提出了记忆电机的概念以及原型,该电机的定子与传统电励磁电机的定子结构基本相同,永磁体则采用内嵌式的方式嵌入到转子上。通过对比分析铁氧体和铝镍钴永磁体对电机性能的影响,结果表明铝镍钴的性能更适合于记忆电机。同时,为了尽量避免电枢反应对永磁体磁化状态的影响,此类电机转子一般主要采用“三明治”转子结构和具有高凸极比的磁极结构。2004年,国内孙建忠教授指出了低矫顽力永磁体存在一个零磁密区域,通过优化永磁体的径向长度,有效利用了永磁材料提供的磁场。2008年,J.H.Lee采用磁滞建模分析,研究不用磁化状态下的记忆电机的电磁特。东南大学林鹤云教授团队在2009年以记忆电机的原型机为基础,针对不同形状永磁体对电机各项参数的影响,并利用有限元分析进行了电磁特性分析。2014年,威斯康星大学的N.Limsuwan采用了高凸极比的磁极结构,设计了一种聚磁型记忆电机,该电机采用衫钴作为永磁体,转子结构与传统的永磁同步电机有所不同,直轴上设有辅助磁通路径,交轴上设有特殊形状的隔磁桥。特殊的电机结构设计,使得 ,此设计可以充分利用磁阻转矩来增大电机转矩输出的能力,即电机可以在第一象限内运行。通入正向直轴电流时,一方面增大转矩的输出,另一方面防止衫钴发生退磁。后来,针对此电机提出了强鲁棒性的转矩控制策略。2015年,康考迪亚大学的M.Ibrahim设计了高凸极比的聚磁型记忆电机,该电机采用铝镍钴进行励磁,并设计了隔磁桥对转子的结构进行优化,使得电机的转矩的性能得到优化。文献采用基因算法,优化了转矩脉动的问题。后来,曲荣海教授在此基础上设计了双交轴磁障的磁极结构电机,并进一步优化了电机的性能。 ③主要论点及论据 （1）弱磁电流使电机更容易发热,还增加了铜耗,降低了电机的运行效率; （2）逆变器的容量一定时,弱磁电流降低了电机在高速时转矩输出的能力; （3）弱磁电流过大易导致电机永磁体发生不可逆退磁; （4）进行深度弱磁时,电机产生额外的温升,容易破坏电机的绝缘层,也使得电机参数发生变化,降低了电机的控制精度; （5）弱磁失败易损害电机的电枢绕组和配套的逆变器。 （6）系统提供流程走向的图形化显示,并对流转全部过程进行实时监控与跟踪,从而可以满足各种不同的流程变化需求。 ④创见与创新 永磁游标电机磁链观测技术及控制系统主要是用来对永磁游标电机磁链观测技术进行管理的平台。该平台在永磁游标电机磁链观测技术管理、参数配置等,平台支持数据的压缩备份,还原初始化操作等方面有一定的创新性。 ⑤社会经济效益、存在的问题 项目在提高永磁游标电机性能,有电机应用的项目中具有一定的社会经济效益 ⑥历年获奖情况：无。