新型三维磁路结构永磁开关磁链电机理论研究与磁场计算

论文摘要

针对MW级低速永磁同步发电机在低速情况下功率密度一般较低,绕组制造和高压绝缘比较困难,集中绕组结构下的定子漏电抗过高从而严重影响发电机的输出功率以及功率因数等问题,本文提出了一种新型三维磁路永磁开关磁链电机结构,采用轴向集中绕组,可以有效提高电机功率密度,降低电枢铜损,提高电机效率,解决绕组制造与绝缘问题,同时彻底解决绕组漏电抗过大的问题。本文对该电机结构进行了全面研究。首先,提出了一种新结构原理的三维磁路永磁开关磁链发电机,并在此基础上提出单相表贴式磁极结构、单相混合式磁极结构及多相结构。然后对电机进行3D参数化有限元建模、计算,对电机磁链开关原理进行分析,验证这种新结构电机可行性及在大功率风力发电领域的优势。其次,对单相表贴式磁极结构、单相混合式磁极结构及多相混合式磁极结构进行3D静磁场和3D瞬态场计算,得到相应电机结构的运行参数、磁路参数及损耗参数,并对电机结构进行参数优化以达到理想的运行性能和工作特性,并总结出该类结构电机设计的一般规律。再次,在三维电磁场计算与分析的基础上建立该结构电机的三维集中参数磁路模型,通过计算出的各节点磁动势及各磁路元素磁导值计算出电机的主要电气参数并对电机进行基于集中参数磁路模型计算的优化设计。最后,针对本文提出的三维磁路结构永磁开关磁链电机提出了四种齿槽定位力矩的抑制方法:STAW法、SSS法、STCP法及STAP法,并通过三维电磁场有限元计算分析了这四种方法的抑制原理和抑制效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和课题意义
• 1.2 开关磁链电机相关领域国内外研究现状
• 1.2.1 电机定转子结构与定转子极数配合研究
• 1.2.2 混合激磁结构研究
• 1.2.3 齿槽定位力矩研究
• 1.2.4 集中参数磁路解析计算研究
• 1.2.5 新结构电机的提出与研究
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 电机结构设计及运行原理分析
• 2.1 电机结构
• 2.1.1 单相表贴式磁极结构
• 2.1.2 电机磁钢利用率问题及混合磁极结构
• 2.1.3 电机多相化问题及两相电机结构
• 2.2 电机电磁设计
• 2.3 电机运行原理与性能分析
• 2.3.1 电机磁链开关原理分析
• 2.3.2 电机运行性能分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 电机三维磁场计算分析及电机参数优化
• 3.1 引言
• 3.2 空载磁场分布情况
• 3.2.1 磁链开状态下定子侧部铁心空载磁场分布
• 3.2.2 磁链开状态下定子中间段铁心空载磁场分布
• 3.2.3 磁链开状态下转子极靴空载磁场分布
• 3.2.4 磁链开状态下空载气隙磁场分布
• 3.2.5 磁链开状态下空载气隙漏磁场分布
• 3.2.6 磁链关状态下定子铁心空载磁场分布
• 3.2.7 磁链关状态下转子极靴空载磁场分布
• 3.2.8 磁链关状态下空载气隙磁场及漏磁场分布分布
• 3.3 基于三维磁场计算的电机参数计算
• 3.3.1 电机参数计算原理
• 3.3.2 单相表贴式磁极结构
• 3.3.3 单相混合式磁极结构
• 3.3.4 两相结构
• 3.4 基于磁场计算的电机结构优化
• 3.4.1 定、转子极数对电机性能的影响
• 3.4.2 电机整体轴向长度对电机性能的影响
• 3.4.3 定子凸极率对电机性能的影响
• 3.4.4 定子齿宽对电机性能的影响
• 3.4.5 转子永磁体切向厚度对电机性能的影响
• 3.4.6 磁钢轴向长度对电机性能的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 三维集中参数磁路模型建立及电机参数计算和优化
• 4.1 引言
• 4.2 三维集中参数磁路模型建立
• 4.2.1 集中参数磁路建模基本原理
• 4.2.2 非线性区域的磁导
• 4.2.3 转子极靴同定子齿之间的气隙磁导
• 4.2.4 径向与轴向端面漏磁导
• 4.2.5 集中参数磁路模型
• 4.3 磁动势方程建立与计算
• 4.3.1 磁动势方程建立及简化
• 4.3.2 磁动势方程计算
• 4.4 基于集中参数磁路模型的电机参数计算及优化
• 4.5 本章小结
• 第5章 齿槽定位力矩研究
• 5.1 引言
• 5.2 齿槽定位力矩的抑制方法
• 5.2.1 STAW 法
• 5.2.2 SSS 法
• 5.2.3 STCP 法
• 5.2.4 STAP 法
• 5.2.5 SSS 法与其它方法综合运用
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢