直流无刷永磁电动机的电磁分析

论文摘要

直流无刷永磁电动机是随着电力电子技术发展而得到广泛应用的一种新型电机,它避免了直流电机机械换向所带来的噪声和火花,同时保持了直流电机良好的起动特性和调速特性。直流无刷永磁电动机在运行性能方面有明显的优点,其结构也有特殊性,对此进行研究很有意义。本文在前人研究成果的基础上,采用解析法和有限元法分别对直流无刷永磁电动机参数和性能进行分析计算,取得了较为理想的结果。在解析法分析计算直流无刷永磁电动机参数和性能过程中,构造出了永磁体的数学模型,推导出了不计齿槽时的气隙磁密的表达式,利用Schwarz-Christoffel变换求得气隙的相对磁导函数,在此基础上计算出了直流无刷永磁电动机考虑齿槽时的空载气隙磁密和感应电动势。解析法求解具有简单方便、表述清晰等优点,但在计算过程中所作的一系列假设与电机实际构造情况有差异,影响了计算的精度。有限元法基于电机的实际模型,求解过程中可以考虑电机定转子铁心饱和磁化特性、定子槽型和永磁体退磁曲线非直线等问题,计算结果比解析法精确。本文采用有限元法建立了永磁体和电机的模型,并且根据模型求解出了直流无刷永磁电动机气隙磁密及绕组电感等参数。在求解电机空载感应电动势的过程中,采用了运动边界法,解决了传统的求解过程中需要重新划分网格而使计算时间过长等问题,简化了计算过程。转矩脉动是直流无刷永磁电动机运行过程中所固有的问题,有效减小甚至消除转矩脉动对电机运行性能的改善很有必要。本文在前面分析研究的基础上,分析了转矩脉动产生的几种原因并对其中一些公式做了详细推导,提出了几种减小由于齿槽所致转矩脉动的方法,并用有限元法对各种方法进行了分析计算,根据结果说明了方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 本课题研究现状及相关的研究内容
• 1.2.1.1 直流无刷永磁电动机的构造及工作原理
• 1.2.1.2 模型的建立
• 1.2.1.3 气隙磁密的计算
• 1.2.1.4 电机的相数、槽数及连接方式的选择
• 1.2.1.5 磁极形状的确定
• 1.2.1.6 转矩脉动的分析
• 1.2.2 直流无刷永磁电动机性能的研究方法
• 1.2.2.1 等效磁路法
• 1.2.2.2 磁网络法
• 1.2.2.3 电磁场分析法
• 1.3 本文主要研究内容和研究方法
• 第二章 直流无刷永磁电动机气隙磁密和感应电动势的解析计算
• 2.1 永磁体数学模型的建立
• 2.2 直流无刷永磁电动机的空载气隙磁密
• 2.2.1 忽略齿槽时的气隙磁密
• 2.2.2 考虑齿槽时的气隙磁密
• 2.2.2.1 Schwarz-Christoffel变换
• 2.2.2.2 相对磁导函数
• 2.3 直流无刷永磁电动机的空载感应电动势
• 2.2.3 计算结果分析
• 2.4 直流无刷永磁电动机的负载气隙磁密
• 2.4.1 电枢反应磁密的计算
• 2.4.1.1 分离变量法
• 2.4.1.2 单根导体在气隙中产生的磁密
• 2.4.1.3 线圈在气隙中产生的磁密
• 2.4.1.4 负载气隙磁密
• 2.4.2 计算结果分析
• 2.5 小结
• 第三章 直流无刷永磁电动机气隙磁密和感应电动势的有限元分析
• 3.1 空载磁场的有限元分析
• 3.1.1 永磁体模型的建立
• 3.1.2 空载磁场的有限元模型
• 3.1.3 空载气隙磁密的计算
• 3.1.4 空载感应电动势的计算
• 3.1.4.1 运动边界法
• 3.2 负载磁场的有限元分析
• 3.2.1 负载磁场的有限元模型及气隙磁密的求解
• 3.2.2 电感参数的计算
• 3.2.2.1 绕组的排列方式
• 3.2.2.2 电感参数的计算
• 3.2.3 ANSYS介绍
• 3.2.4 仿真结果分析
• 3.3 小结
• 第四章 直流无刷永磁电动机转矩脉动分析
• 4.1 转矩脉动产生的原因
• 4.1.1 电磁因素产生的转矩脉动
• 4.1.2 电流换向引起的转矩脉动
• 4.1.3 齿槽效应引起的转矩脉动
• 4.2 齿槽转矩的计算
• 4.2.1 齿槽转矩的解析计算法
• 4.2.2 齿槽转矩的有限元计算法
• 4.2.2.1 Maxwell应力张量法
• 4.2.2.2 虚位移法
• 4.3 减小转矩脉动的措施
• 4.3.1 分数槽法
• 4.3.2 转子磁极移位
• 4.3.3 改变永磁体的磁化方向
• 4.3.4 减小定子槽开口宽度
• 4.3.5 定子齿加辅助槽
• 4.3.6 改变极弧法
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢