磁通切換型定子勵磁無刷電機的分析與設(shè)計.pdf

1、磁通切換型電機(Flux-Switching Machines)作為一種雙凸極無刷電機，其勵磁源，如永磁體和勵磁繞組以及電樞繞組均位于定子側(cè)，而轉(zhuǎn)子上既無永磁體，也無繞組。磁通切換電機展現(xiàn)出諸多優(yōu)點，包括高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度、高效率、強抗去磁能力、優(yōu)良散熱性能和易于對永磁體采用水冷等，在電動汽車、全電/多電飛機、風(fēng)力發(fā)電、飛輪儲能等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。以勵磁方式劃分，磁通切換電機可分為永磁型、電勵磁型和混合勵磁型。本文以電動汽車

2、和風(fēng)力發(fā)電為背景，研究了永磁型和混合勵磁型磁通切換電機。具體而言，首先，以完善設(shè)計理論為目的提出了在考慮加工工藝時的三相永磁型磁通切換電機的設(shè)計方法;然后，以擴展調(diào)速范圍為目的研究了三相混合勵磁型磁通切換電機的調(diào)磁原理和控制策略;最后，以提升電機可靠性為目的分析了六相混合勵磁型磁通切換容錯電機的設(shè)計理論和控制策略。針對上述各研究內(nèi)容，分別試制了原理樣機，進行了實驗分析和性能驗證，為該類型電機的進一步深入研究和推廣應(yīng)用提供了理論與技術(shù)基礎(chǔ)

3、。
　　論文主要研究成果包括以下幾個方面:
　　1.提出了永磁型磁通切換（Permanent Magnet Flux-Switching，PMFS）電機的設(shè)計參數(shù)敏感性估算模型。該模型基于等效磁路法和有限元分析的結(jié)果，來預(yù)估在電機的初始設(shè)計階段各電磁特性對設(shè)計尺寸的敏感程度。
　　2.詳細分析了一臺三相起動發(fā)電用PMFS電機的設(shè)計方法和模塊化加工工藝。研究了溫升、運行電磁頻率、硅鋼片材料屬性、三維端部效應(yīng)等對電磁性能的

4、影響，制造了工程樣機并進行了實驗測量，然后以降低批量化生產(chǎn)的成本和難度為目標(biāo)，進一步討論了該電機的模塊化加工制造方法。在此基礎(chǔ)之上，建立了該電機采用水冷散熱時的三維有限元溫度場模型，該模型可以得到電機內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)溫度場分布，且分析結(jié)果得到了實驗驗證。
　　3.在上述永磁型磁通切換電機的研究基礎(chǔ)上，進一步開展了混合勵磁磁通切換(Hybrid-ExcitedFlux Switching，HEFS)電機的研究。針對采用U形定子鐵心的HEF

5、S電機，通過將勵磁線圈分為位于永磁體外側(cè)和內(nèi)側(cè)的兩組，揭示出HEFS電機磁場調(diào)節(jié)內(nèi)在機理。在此基礎(chǔ)上提出了一種改進型HEFS電機結(jié)構(gòu)，可以有效提升調(diào)磁能力。
　　4.為評估采用U型定子鐵心的HEFS電機的發(fā)熱情況，建立了該電機的三維有限元溫度場模型，綜合比較了不同結(jié)構(gòu)的HEFS電機的電磁性能和散熱能力，制造了不同結(jié)構(gòu)的HEFS電機樣機，通過實驗測試驗證了理論分析的正確性。
　　5.進一步建立了三相HEFS電機的數(shù)學(xué)模型和調(diào)速

6、系統(tǒng)仿真模型。首先推導(dǎo)了該電機在定子靜止坐標(biāo)系下和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，然后建立了其基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)仿真模型，研究了該電機在純永磁和混合勵磁兩種工況下的調(diào)速性能和動態(tài)響應(yīng)性能。從最大輸出轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)速兩方面入手，提出了HEFS電機勵磁磁場與永磁磁場的最優(yōu)比例分配原則，以及在兩種典型性能需求下的設(shè)計流程。
　　6.在三相HEFS電機的研究基礎(chǔ)上，進一步采用U形和E形定子鐵心分別設(shè)計了兩臺六相容錯型H

7、EFS電機，并制定了不同繞組開路時的容錯運行控制策略?；谟邢拊ǚ治隽藘膳_電機的正常運行和容錯運行能力，且考慮了勵磁電流對性能的影響，制造了樣機并對分析結(jié)果進行了實驗驗證。
　　7.分別推導(dǎo)了六相HEFS電機在定子靜止坐標(biāo)系下和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，然后建立了基于MATLAB/Simulink的六相HEFS電機調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，通過對電機在正常運行和容錯運行兩種工況下的動態(tài)仿真，證明兩電機均具備較好的動態(tài)響應(yīng)能力和容錯運行