軸向磁場橫向磁通永磁電機研究.pdf

1、近些年來，隨著環(huán)境污染、石油危機的加劇以及人們生活水平提高后對更高生活質(zhì)量的追求使得新能源技術(shù)逐步得到人們的關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電和電動汽車分別作為新能源技術(shù)中新能源發(fā)電技術(shù)、新能源交通工具技術(shù)的最主要組成部分，日益成為研究開發(fā)的重點。無論風(fēng)力發(fā)電還是電動汽車，電機是其關(guān)鍵組成部分，電機性能的優(yōu)越性在一定程度上決定了風(fēng)力發(fā)電和電動汽車技術(shù)的優(yōu)越性，因此開發(fā)出更符合風(fēng)力發(fā)電和電動汽車驅(qū)動的高性能電機成為新能源技術(shù)研究的重要課題。
　　低速直

2、驅(qū)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和低速直驅(qū)電動汽車驅(qū)動技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電和電動汽車的重要研究方向，對提高這一新能源技術(shù)的發(fā)展進步具有重要意義，由此，低速直驅(qū)電機技術(shù)成為新能源技術(shù)研究的重點。永磁電機特別是永磁無刷電機由于高性能永磁材料和電力電子技術(shù)及控制技術(shù)的進步而具有比其他類型電機更高的功率密度、轉(zhuǎn)矩密度和運行效率，同時永磁電機還具有很好的低速直接驅(qū)動能力，因此永磁電機成為低速直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電和電動汽車驅(qū)動的必選電機，這不但包括普通徑向磁場、采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組

3、的永磁電機，還包括普通軸向磁場的永磁電機，更包括具有新結(jié)構(gòu)原理的橫向磁通永磁電機，這三種電機各具特色，具有不同的優(yōu)越性和缺陷，第一、第二種永磁電機已經(jīng)得到了很好的研究和開發(fā)應(yīng)用，后一種電機盡管具有良好的潛在性能，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜而還未能得到很好的應(yīng)用。
　　基于上述三種永磁電機，本文提出一種新型的永磁無刷電機——新型軸向磁場橫向磁通永磁電機，該電機充分利用了上述三種永磁電機的優(yōu)點，而盡可能地避免了各自的缺點，在風(fēng)力發(fā)電機、電動驅(qū)動等

4、直驅(qū)應(yīng)用場合具有更大的優(yōu)越性，具有很好的潛在應(yīng)用價值，主要包括以下主要內(nèi)容:
　　1、新型軸向磁場橫向磁通永磁電機的提出、結(jié)構(gòu)原理及特點
　　結(jié)合普通徑向磁場分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁無刷電機、軸向磁場永磁無刷電機、橫向磁通永磁無刷電機提出一種新型的軸向磁場橫向磁通永磁無刷電機，該電機轉(zhuǎn)子主要由軸向充磁的10極扇形永磁體構(gòu)成的圓盤構(gòu)成，定子由12個獨立的C型定子鐵芯及其上的線圈構(gòu)成，12個定子鐵芯均勻分布于轉(zhuǎn)子盤圓周，并且C型定子鐵

5、芯的兩端齒極正對轉(zhuǎn)子盤磁體，12個定子線圈按三相10極12槽分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機的方式相互連接組成三相對稱繞組。可以看出，該種電機的氣隙磁場是軸向磁場，具有軸向磁場永磁無刷電機高轉(zhuǎn)矩密度/慣量的優(yōu)越性，采用了三相10極12槽結(jié)構(gòu)，具有該極槽配合分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁無刷電機所具有的高基波繞組系數(shù)、低端部繞組長度、低齒槽轉(zhuǎn)矩脈動的特點，同時具有了橫向磁通電機所特有的電、磁負(fù)荷獨立設(shè)置及高容錯能力的特點，避免了橫向磁通電機鐵芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以采用普

6、通疊壓硅鋼片的缺陷。
　　2、軸向磁場永磁無刷電機磁網(wǎng)絡(luò)模型建立及其漏磁系數(shù)的解析計算研究
　　漏磁系數(shù)在永磁電機的電磁設(shè)計中具有重要意義，解析估算漏磁系數(shù)是永磁電機電磁設(shè)計的必然步驟。本文所提出的新型軸向磁場橫向磁通永磁無刷電機的漏磁系數(shù)隨轉(zhuǎn)子永磁體極與定子齒極的不同位置而具有很大的變化，由于該種電機轉(zhuǎn)子磁體和定子齒極一般分別采用扇形和矩形結(jié)構(gòu)，這對其不同轉(zhuǎn)子位置處的漏磁系數(shù)的解析計算帶來很大困難。所幸的是，在進行該種電機

7、的電磁設(shè)計時，只需預(yù)估該種電機轉(zhuǎn)子磁體極中心線與定子齒極中心線重合時的漏磁系數(shù)即可，而在這一位置時的漏磁系數(shù)與普通軸向磁場永磁無刷直流電機的漏磁系數(shù)相差不大，因此本章解析計算普通軸向磁場永磁無刷直流電機的漏磁系數(shù)。
　　根據(jù)軸向磁場永磁無刷電機的三維電磁場的分析計算結(jié)果，建立了其等效磁網(wǎng)絡(luò)模型，得到其漏磁系數(shù)的解析表達式。對一給定的樣機電機，建立了其三維場有限元模型，人為改變相關(guān)參數(shù)，進行解析計算結(jié)果和有限元計算結(jié)果的比較;針對樣

8、機電機，基于解析計算結(jié)果得到的漏磁系數(shù)，進行樣機電機永磁電動勢的計算，并與樣機電機永磁電動勢的三維有限元計算結(jié)果和實驗結(jié)果進行了比較。通過樣機電機的三維場有限元計算和實驗實測，驗證了本文提出的軸向磁場永磁無刷電機磁網(wǎng)絡(luò)模型及由此得到的漏磁系數(shù)解析計算方法的正確性。
　　3、基于永磁體體積積分的新型電機的永磁相電動勢波形的解析計算
　　永磁電動勢大小和波形在電機的性能分析和電磁設(shè)計中具有重要意義，解析分析計算和電磁場的有限元分

9、析計算是計算永磁電機永磁電動勢波形的兩種基本方法，顯然對本文提出的新型軸向磁場橫向磁通永磁無刷電機來說，三維電磁場的有限元方法只能用于最終結(jié)果的校核和確認(rèn)，而很難用于初始分析和設(shè)計。通用的解析計算永磁電機永磁電動勢波形方法，需要求得永磁氣隙磁密的分布，對本新型電機，轉(zhuǎn)子磁體采用扇形結(jié)構(gòu)，定子齒極為矩形結(jié)構(gòu)，很難精確求得永磁氣隙磁密波形，為此提出采用對轉(zhuǎn)子磁體進行體積積分的方法，進行該種電機的永磁電動勢波形的解析計算，并基于這一解析計算，

10、進行該種電機永磁電動勢波形的優(yōu)化計算研究。
　　(1)鑒于本新型電機的特殊結(jié)構(gòu)，提出采用對永磁體體積積分的方法解析求解該種電機的永磁電動勢波形，給出該種方法求解永磁電動勢解析表達式的步驟;
　　(2)基于永磁體體積積分的方法解析求解了新型電機的永磁電動勢，通過樣機電機的電磁場有限元計算和實驗驗證了所求得的新型電機永磁電動勢解析計算的正確性;
　　(3)基于解析求得的電機永磁電動勢，以永磁體的極弧系數(shù)、等變量為優(yōu)化變量、

11、以正弦波形畸變率為目標(biāo)函數(shù)，并施加一定的約束條件，采用細菌覓食算法進行永磁電動勢波形的優(yōu)化設(shè)計研究。
　　4、建立了該種電機的動態(tài)磁路網(wǎng)絡(luò)模型，采用磁網(wǎng)絡(luò)法對該種電機的負(fù)載特性進行分析，解析計算了該種電磁轉(zhuǎn)矩，并由電磁場有限元方法和實驗方法進行了驗證。
　　(1)為簡化該種電機的負(fù)載解析計算，將轉(zhuǎn)子扇形截面磁體等效為矩形截面磁體，并定義永磁體磁密波形矯正系數(shù)，提高電機負(fù)載解析計算的精度。
　　(2)基于新型電機三維電磁

12、場有限元的分析計算結(jié)果，確定電機關(guān)鍵臨界定轉(zhuǎn)子的相對位置，將電機一個極距運行范圍分成9段，分別建立電機的動態(tài)磁網(wǎng)絡(luò)模型，計算各動態(tài)磁網(wǎng)絡(luò)模型的氣隙磁阻，聯(lián)立各磁網(wǎng)路組成的磁網(wǎng)絡(luò)方程;
　　(3)基于上述建立的動態(tài)磁網(wǎng)絡(luò)模型和磁網(wǎng)絡(luò)方程，采用id=0控制，解析求解出磁鏈波形和轉(zhuǎn)矩波形;
　　(4)建立了新型電機的負(fù)載電磁場有限元模型，進行了id=0的負(fù)載特性計算，驗證了電機磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的解析計算，證明了前述動態(tài)磁網(wǎng)絡(luò)模型及負(fù)

13、載解析計算方法的正確性。
　　5、推導(dǎo)建立了新型軸向磁場橫向磁通電機的功率-尺寸方程，由此預(yù)估該種電機的主要結(jié)構(gòu)尺寸，給出了該種電機電磁設(shè)計的步驟，并進行了樣機設(shè)計和樣機制作和實驗研究，實驗結(jié)果驗證了所給出的電磁設(shè)計方法的正確性。
　　(1)結(jié)合軸向磁場橫向磁通永磁電機的結(jié)構(gòu)特點，推導(dǎo)出電機功率與電機效率、運行速度、電磁負(fù)荷及幾何尺寸的關(guān)系，給出軸向磁場橫向磁通永磁電機磁路計算的步驟和各步驟中參數(shù)的計算方法;
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