軸向磁場(chǎng)橫向磁通永磁電機(jī)研究.pdf

1、近些年來(lái)，隨著環(huán)境污染、石油危機(jī)的加劇以及人們生活水平提高后對(duì)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(dòng)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(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。無(wú)論風(fēng)力發(fā)電還是電動(dòng)汽車，電機(jī)是其關(guān)鍵組成部分，電機(jī)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(dòng)汽車技術(shù)的優(yōu)越性，因此開(kāi)發(fā)出更符合風(fēng)力發(fā)電和電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的高性能電機(jī)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(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電和電動(dòng)汽車的重要研究方向，對(duì)提高這一新能源技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步具有重要意義，由此，低速直驅(qū)電機(jī)技術(shù)成為新能源技術(shù)研究的重點(diǎn)。永磁電機(jī)特別是永磁無(wú)刷電機(jī)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(jìn)步而具有比其他類型電機(jī)更高的功率密度、轉(zhuǎn)矩密度和運(yùn)行效率，同時(shí)永磁電機(jī)還具有很好的低速直接驅(qū)動(dòng)能力，因此永磁電機(jī)成為低速直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電和電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的必選電機(jī)，這不但包括普通徑向磁場(chǎng)、采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組

3、的永磁電機(jī)，還包括普通軸向磁場(chǎng)的永磁電機(jī)，更包括具有新結(jié)構(gòu)原理的橫向磁通永磁電機(jī)，這三種電機(jī)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(jī)已經(jīng)得到了很好的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用，后一種電機(jī)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(jī)，本文提出一種新型的永磁無(wú)刷電機(jī)——新型軸向磁場(chǎng)橫向磁通永磁電機(jī)，該電機(jī)充分利用了上述三種永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而盡可能地避免了各自的缺點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)等

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

5、芯的兩端齒極正對(duì)轉(zhuǎn)子盤(pán)磁體，12個(gè)定子線圈按三相10極12槽分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機(jī)的方式相互連接組成三相對(duì)稱繞組?？梢钥闯?，該種電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)是軸向磁場(chǎng)，具有軸向磁場(chǎng)永磁無(wú)刷電機(jī)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(wú)刷電機(jī)所具有的高基波繞組系數(shù)、低端部繞組長(zhǎng)度、低齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的特點(diǎn)，同時(shí)具有了橫向磁通電機(jī)所特有的電、磁負(fù)荷獨(dú)立設(shè)置及高容錯(cuò)能力的特點(diǎn)，避免了橫向磁通電機(jī)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(chǎng)永磁無(wú)刷電機(jī)磁網(wǎng)絡(luò)模型建立及其漏磁系數(shù)的解析計(jì)算研究
　　漏磁系數(shù)在永磁電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)中具有重要意義，解析估算漏磁系數(shù)是永磁電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的必然步驟。本文所提出的新型軸向磁場(chǎng)橫向磁通永磁無(wú)刷電機(jī)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(jī)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(duì)其不同轉(zhuǎn)子位置處的漏磁系數(shù)的解析計(jì)算帶來(lái)很大困難。所幸的是，在進(jìn)行該種電機(jī)

7、的電磁設(shè)計(jì)時(shí)，只需預(yù)估該種電機(jī)轉(zhuǎn)子磁體極中心線與定子齒極中心線重合時(shí)的漏磁系數(shù)即可，而在這一位置時(shí)的漏磁系數(shù)與普通軸向磁場(chǎng)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的漏磁系數(shù)相差不大，因此本章解析計(jì)算普通軸向磁場(chǎng)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的漏磁系數(shù)。
　　根據(jù)軸向磁場(chǎng)永磁無(wú)刷電機(jī)的三維電磁場(chǎng)的分析計(jì)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(dá)式。對(duì)一給定的樣機(jī)電機(jī)，建立了其三維場(chǎng)有限元模型，人為改變相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行解析計(jì)算結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果的比較;針對(duì)樣

8、機(jī)電機(jī)，基于解析計(jì)算結(jié)果得到的漏磁系數(shù)，進(jìn)行樣機(jī)電機(jī)永磁電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算，并與樣機(jī)電機(jī)永磁電動(dòng)勢(shì)的三維有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。通過(guò)樣機(jī)電機(jī)的三維場(chǎng)有限元計(jì)算和實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)，驗(yàn)證了本文提出的軸向磁場(chǎng)永磁無(wú)刷電機(jī)磁網(wǎng)絡(luò)模型及由此得到的漏磁系數(shù)解析計(jì)算方法的正確性。
　　3、基于永磁體體積積分的新型電機(jī)的永磁相電動(dòng)勢(shì)波形的解析計(jì)算
　　永磁電動(dòng)勢(shì)大小和波形在電機(jī)的性能分析和電磁設(shè)計(jì)中具有重要意義，解析分析計(jì)算和電磁場(chǎng)的有限元分

9、析計(jì)算是計(jì)算永磁電機(jī)永磁電動(dòng)勢(shì)波形的兩種基本方法，顯然對(duì)本文提出的新型軸向磁場(chǎng)橫向磁通永磁無(wú)刷電機(jī)來(lái)說(shuō)，三維電磁場(chǎng)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(jì)。通用的解析計(jì)算永磁電機(jī)永磁電動(dòng)勢(shì)波形方法，需要求得永磁氣隙磁密的分布，對(duì)本新型電機(jī)，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(duì)轉(zhuǎn)子磁體進(jìn)行體積積分的方法，進(jìn)行該種電機(jī)的永磁電動(dòng)勢(shì)波形的解析計(jì)算，并基于這一解析計(jì)算，

10、進(jìn)行該種電機(jī)永磁電動(dòng)勢(shì)波形的優(yōu)化計(jì)算研究。
　　(1)鑒于本新型電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，提出采用對(duì)永磁體體積積分的方法解析求解該種電機(jī)的永磁電動(dòng)勢(shì)波形，給出該種方法求解永磁電動(dòng)勢(shì)解析表達(dá)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(jī)的永磁電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)樣機(jī)電機(jī)的電磁場(chǎng)有限元計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所求得的新型電機(jī)永磁電動(dòng)勢(shì)解析計(jì)算的正確性;
　　(3)基于解析求得的電機(jī)永磁電動(dòng)勢(shì)，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(xì)菌覓食算法進(jìn)行永磁電動(dòng)勢(shì)波形的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。
　　4、建立了該種電機(jī)的動(dòng)態(tài)磁路網(wǎng)絡(luò)模型，采用磁網(wǎng)絡(luò)法對(duì)該種電機(jī)的負(fù)載特性進(jìn)行分析，解析計(jì)算了該種電磁轉(zhuǎn)矩，并由電磁場(chǎng)有限元方法和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　(1)為簡(jiǎn)化該種電機(jī)的負(fù)載解析計(jì)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(jī)負(fù)載解析計(jì)算的精度。
　　(2)基于新型電機(jī)三維電磁

12、場(chǎng)有限元的分析計(jì)算結(jié)果，確定電機(jī)關(guān)鍵臨界定轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，將電機(jī)一個(gè)極距運(yùn)行范圍分成9段，分別建立電機(jī)的動(dòng)態(tài)磁網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算各動(dòng)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(dòng)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(jī)的負(fù)載電磁場(chǎng)有限元模型，進(jìn)行了id=0的負(fù)載特性計(jì)算，驗(yàn)證了電機(jī)磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的解析計(jì)算，證明了前述動(dòng)態(tài)磁網(wǎng)絡(luò)模型及負(fù)

13、載解析計(jì)算方法的正確性。
　　5、推導(dǎo)建立了新型軸向磁場(chǎng)橫向磁通電機(jī)的功率-尺寸方程，由此預(yù)估該種電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)尺寸，給出了該種電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的步驟，并進(jìn)行了樣機(jī)設(shè)計(jì)和樣機(jī)制作和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所給出的電磁設(shè)計(jì)方法的正確性。
　　(1)結(jié)合軸向磁場(chǎng)橫向磁通永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，推導(dǎo)出電機(jī)功率與電機(jī)效率、運(yùn)行速度、電磁負(fù)荷及幾何尺寸的關(guān)系，給出軸向磁場(chǎng)橫向磁通永磁電機(jī)磁路計(jì)算的步驟和各步驟中參數(shù)的計(jì)算方法;
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