新型双定子永磁电机的设计与研究

论文摘要

新型双定子永磁电机是将节距为1的分数槽绕组(即分数槽单节距绕组)用于双定子永磁电机,这样既可以具有分数槽单节距绕组的端部小、用铜量省、铜耗低、效率高和自定位转矩低的优点,同时将双定子永磁电机的高转矩输出能力、高的空间和材料利用率、高转矩密度和低惯量的优点继承下来,使得分数槽单节距绕组双定子永磁电机实现了低定位转矩和低惯量大转矩的目的。但是双定子永磁电机由于具有内外两个定子,而且内外定子磁场相互耦合,电枢反应引起的磁场变化相对普通电机更加复杂,需要准确地进行磁场计算才能对双定子永磁电机进行精确的分析。本文就这种新型双定子永磁电机进行了设计,并采用先进的磁场计算方法对其进行了全面的分析。首先,对新型分数槽绕组的绕组规律、电势进行了研究,分析了各次谐波绕组因数对反电势的影响。在此基础之上,采用同心径向式双定子结构,设计了两台双定子永磁电机,一台用作无刷直流电机,一台用作发电机。通过静磁场的分析获得了电机的一些基本特性,并得到了试验的验证。其次,双定子永磁电机磁场存在内外定子的相互影响,在电动机运行采用非正弦供电时,要想研究双定子永磁电动机的动态特性,就要采用场路祸合时步有限元法,它可以充分考虑电机铁心饱和、齿槽效应、电枢反应、非正弦供电等影响。本文将考虑中点电位浮动的Y联接电路方程和双定子有限元模型相结合,从而建立起比较完善的双定子电动机场路耦合时步有限元法的数学模型;同时解决了双定子电机有限元模型自由转动的问题,为后续复杂电机控制方法的实现奠定了基础。结合双闭环控制策略实现了对双定子永磁电动机的无刷直流控制和永磁同步控制的系统仿真,并给出了双定子永磁电动机在两种控制方法下的运行特性。由于新型分数槽单节距绕组的相间互感很小,论文首次将标量控制与场路耦合时步有限元法相结合,并实现了对双定子永磁电动机的标量控制仿真研究。论文还建立了给定转速的永磁发电机运行的场路耦合数学模型,对双定子永磁发电机进行了负载运行情况下的特性仿真研究。再次,由于表面式永磁体直接面向气隙磁场,永磁体内部磁场非常容易被干扰,这样就会在永磁体内部产生涡流作用。本文提出了一种永磁体涡流损耗模型,避免了在二维场处理涡流计算时,对涡流区域长度无限长的假设,使得模型更加符合实际情况。通过将此模型与场路耦合时步有限元法结合,建立了整个系统的包含永磁体涡流损耗模型的场路耦合时步有限元法数学模型,编制了计算机程序,并对双定子永磁电机进行了研究。试验证明采用这种方法的仿真结果与试验结果更加吻合,不仅验证了双定子永磁电机设计思想的正确,也证明了场路耦合时步有限元法的准确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 背景
• 1.2 分数槽单节距绕组电机的发展
• 1.3 双定子电机的发展
• 1.4 电机设计计算方法的发展
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第二章 分数槽单节距绕组双定子永磁电机的设计
• 2.1 引言
• 2.2 新型分数槽单节距绕组永磁电机的绕组和电势
• 2.2.1 绕组设计规律
• 2.2.2 绕组因数的确定
• 2.2.3 高次谐波电势的绕组因数的分析
• 2.2.4 对于齿谐波电势的分析
• 2.2.5 新型分数槽单节距绕组电机种类的扩展
• 2.3 双定子永磁电机的设计
• 2.3.1 双定子永磁电机设计
• 2.3.1.1 外内定子匝数比确定
• 2.3.1.2 空载特性分析
• 2.3.1.3 电感分析
• 2.3.1.4 负载特性分析
• 2.3.1.5 风力发电机的设计
• 2.3.2 双定子永磁电机的扩展
• 本章小结
• 第三章 采用场路耦合时步有限元法分析双定子永磁电机
• 3.1 引言
• 3.2 永磁电动机的基本方程
• 3.2.1 定子导体区域的处理
• 3.2.2 永磁体区域的处理
• 3.2.3 转子铁心区域的处理
• 3.2.4 定子铁心和气隙区域的处理
• 3.2.5 机械运动方程
• 3.2.6 对时间变量离散化
• 3.2.7 求解非线性场路耦合方程
• 3.3 双定子永磁电机时步法有限元模型转动的处理
• 3.3.1 气隙边界节点的对应和数据传递
• 3.3.2 气隙边界上的节点的调整问题
• 3.4 双闭环控制策略在场路耦合时步有限元法中的实现（电动机模式）
• 3.4.1 双闭环控制系统描述
• 3.4.2 BLDC控制方式的实现
• 3.4.3 BLDC控制方式的场路耦合时步有限元法计算结果
• 3.4.4 BLAC控制方式的实现
• 3.4.5 BLAC控制方式的场路耦合时步有限元法计算结果
• 3.4.6 场路耦合时步有限元法实现双定子永磁电动机标量控制
• 3.5 永磁发电机的基本方程
• 3.5.1 永磁发电机基本方程
• 3.5.2 场路耦合时步有限元法在永磁发电机中的应用
• 本章小结
• 第四章 永磁体涡流损耗分析
• 4.1 引言
• 4.2 永磁体涡流计算模型
• 4.3 BLDC方式下双定子永磁电机特性分析与实验比较
• 4.4 双定子永磁发电机特性计算
• 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 附录 作者在攻读博士学位期间完成的主要工作
• 致谢