定子無鐵心軸向磁場永磁電機設(shè)計及研究.pdf

1、稀土永磁無鐵心電機是代表電機行業(yè)未來發(fā)展方向的一種新型特種電機。軸向磁場的盤式無鐵心永磁電機因具有軸向尺寸短、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點，已經(jīng)成為研究熱點。尤其在軸向尺寸有限的應(yīng)用場合，例如空調(diào)外機、汽車散熱器的風(fēng)扇、電動車輛等，具有明顯優(yōu)越性。本文在總結(jié)國內(nèi)外現(xiàn)有軸向磁場無鐵心永磁電機研究成果基礎(chǔ)上，就定子無鐵心軸向磁場永磁(AFPM)電機樣機設(shè)計、三維(3-D)氣隙磁場分析、性能分析、優(yōu)化、軸向電磁力、機械強度等進行了全面研究;在此基礎(chǔ)

2、上，提出了一種磁極組合型無鐵心AFPM電機。
　　本論文首先分析了定子無鐵心AFPM電機的結(jié)構(gòu)特點，提出本文所設(shè)計樣機的主要結(jié)構(gòu);對樣機進行了詳細設(shè)計，給出了電機主要尺寸、定子繞組參數(shù)及轉(zhuǎn)子永磁體尺寸參數(shù)的確定方法。
　　其次，基于麥克斯韋方程，應(yīng)用分離變量法，結(jié)合貝塞爾函數(shù)理論，對定子無鐵心AFPM電機磁場進行了分析，得到了3-D磁場解析模型，該方法可直接用于電機優(yōu)化設(shè)計。研究了氣隙軸向磁密分布與電機徑向位置，周向位置及軸

3、向位置的關(guān)系。作為對解析法的一個驗證，基于3-D有限元分析方法對定子無鐵心AFPM電機的磁場進行了分析，有限元法得到的結(jié)果與解析法得到的結(jié)果是一致的。
　　第三，基于3-D磁場解析模型研究了定子無鐵心AFPM電機的性能分析方法，給出了無鐵心定子繞組的繞組系數(shù)、電動勢、電感等的解析計算公式。結(jié)合樣機的控制方式，對電機穩(wěn)態(tài)工作性能進行了分析。由于電機無鐵心結(jié)構(gòu)，繞組直接暴露于交變磁場，所以無鐵心繞組的渦流損耗不得不考慮。在穩(wěn)態(tài)性能分析

4、過程中，重點討論了繞組渦流損耗的計算方法，推導(dǎo)了計算公式。并對樣機進行了實驗測定，與理論解析結(jié)果進行對比。
　　第四，對定子無鐵心AFPM電機而言，進行優(yōu)化設(shè)計不但可以提高電機性能，而且能夠縮短設(shè)計周期。本文利用遺傳算法，結(jié)合3-D磁場解析法，分別以兩種不同的優(yōu)化目標對該電機進行優(yōu)化設(shè)計。詳細介紹了優(yōu)化變量、優(yōu)化目標的確定原則，并對優(yōu)化后的設(shè)計結(jié)果與原方案進行分析、比較。在滿足約束條件前提下，優(yōu)化后的AFPM無鐵心電機減小了永磁材

5、料用量，降低了電機成本，提高了電機效率。
　　第五，對定子無鐵心AFPM電機的軸向電磁力密度及軸向電磁力進行計算，分析了永磁體尺寸及氣隙長度對軸向電磁力的影響。并針對樣機加工或裝配中常出現(xiàn)的誤差，分析無鐵心繞組偏離中心及轉(zhuǎn)子盤發(fā)生傾斜導(dǎo)致氣隙不均勻這兩種現(xiàn)象對電機性能影響;利用結(jié)構(gòu)有限元分析方法對轉(zhuǎn)子盤體應(yīng)力分布及變形進行研究，為定子無鐵心AFPM電機轉(zhuǎn)子盤的優(yōu)化設(shè)計提供保障和依據(jù)。
　　最后，針對常規(guī)定子無鐵心AFPM電機