無齒槽高速永磁無刷直流電機參數(shù)計算與結構優(yōu)化的研究.pdf

1、高速永磁無刷直流電動機具有功率密度大、幾何尺寸小、動態(tài)響應快、運行效率高等一系列優(yōu)點，在高速運行場合具有廣闊的應用前景。然而，高速狀態(tài)下的永磁電機磁場交變頻率很高，定子鐵耗大，發(fā)熱嚴重，齒槽轉矩會導致轉矩波動，嚴重影響系統(tǒng)的控制精度。本文結合軟磁鐵氧體高磁導率、高電阻率、低成本的特點，將其用作高速永磁無刷直流電機的定子鐵心，同時采用定子無齒槽結構，可以有效地降低鐵耗并徹底消除齒槽轉矩的影響。本文主要圍繞該種電機的結構、磁場分布、優(yōu)化設計

2、及控制系統(tǒng)等方面展開研究。
　　 首先，基于軟磁鐵氧體高磁導率、高電阻率的特點，將軟磁鐵氧體磁環(huán)作為電機定子鐵心，轉子采用釹鐵硼永磁磁環(huán)，構成無齒槽電機結構，并對該種電機的內部磁場進行了深入分析。一方面，通過分析無齒槽電機氣隙磁場的分布特點，指出該種電機在大有效氣隙內的磁場分布很不均勻，繞組的感生電動勢與導體位置有關。因此，本文引入了無齒槽結構電機氣隙磁場的解析計算，推導了該種電機的繞組感生電動勢，通過與有限元計算結果及實測值進

3、行比較，證明了該計算方法的正確性，為該類電機的設計計算提供理論依據(jù)。另一方面，由于無齒槽結構電機的有效氣隙很大，導致端部漏磁嚴重，本文利用三維有限元分析了電機的端部磁場，指出端部漏磁對靠近端部的氣隙磁場影響嚴重，進行電機設計時必須要考慮這一因素的影響。
　　 其次，由于定子繞組電感對永磁無刷直流電機的工作特性有較大影響，而無齒槽結構的永磁無刷直流電機氣隙很大，端部漏磁場嚴重，加上其較長的端部線圈，導致電機端部漏感較大，傳統(tǒng)電機繞

4、組電感的計算方法已不適用，因此，本文采用能量法計算了定子繞組直線部分電感，從電磁場基本理論出發(fā)，推導了端部漏感的計算方法。通過與有限元計算結果及實測結果的比較，證明了本文所推導的繞組電感計算方法是正確的，為準確研究無齒槽結構永磁無刷直流電動機的電磁性能提供了有力依據(jù)。
　　 再次，由于定子軟磁鐵氧體飽和磁感應強度低(約0.4T)而轉子釹鐵硼永磁材料工作點較高，必需通過定轉子尺寸的合理匹配才能使它們達到各自的最佳工作點，因此定轉子

5、尺寸的合理匹配是該類電機設計的關鍵問題。本文首先在相繞組感生電動勢解析計算的基礎上，推導了電機功率密度的解析計算表達式，由此說明電機結構尺寸對其功率密度的大小具有重要影響。然后，以電機單位體積的功率密度最大為目標，將電機定子內徑和永磁體外徑作為優(yōu)化變量，構建電機結構尺寸的優(yōu)化模型，利用遺傳算法確定電機定轉子尺寸，從而得到該類電機定轉子尺寸匹配設計的基本方法。最后，利用Matlab仿真和有限元仿真兩種方法進行結果驗證，表明電機優(yōu)化后軟磁鐵