盘式无铁心永磁电机磁场分析与设计

论文摘要

盘式永磁同步电动机属于轴向磁场电机,是近几年来发展起来的高性能伺服电动机。此种电机具有体积小、重量轻、结构紧凑、转子的转动惯量小、低速运行平稳等优点,其作为一种新型的驱动装置,已被广泛应用于军事、航天、农业以及日常生活的各个领域中。不同气隙结构的盘式电机在国内已研制成功,其中对均匀气隙结构、楔形气隙结构还有多盘式结构的盘式无铁心永磁电机的研究成为热点。由于盘式永磁同步电动机是永磁电机的一种,所以本课题首先对永磁电机的分类、发展现状和应用进行了介绍。通过对永磁材料的性能和选取加以分析和比较,本文确定使用钕铁硼永磁材料作为本研究的永磁体材料。之后对盘式永磁电动机的结构和电机的参数计算进行了讨论,进而给出了本课题的盘式无铁心永磁电机结构为单定子双转子,永磁体安装在两侧转子上,电枢绕组安装在中间定子上。由于采用普通结构的永磁体排列方式的电机的轭部磁通偏大,漏磁比较严重等缺点,本文特提出采用Halbach永磁体阵列的盘式无铁心永磁电机,Halbach永磁体阵列可以大大减少电机轭部的磁通,此外,有助于降低电机制作成本并提高电机的动态性能,电机的质量和转动惯量也会减小。Halbach永磁体阵列主要有三种结构,通过利用Ansoft有限元软件对不同角度的永磁体阵列仿真比较,结合加工工艺的要求确定60。结构为最佳结构。电机电磁场是研究电机的最重要的理论,有限元软件Ansoft是仿真分析电机磁场最常用的软件,因此本文在第四章对电机电磁场理论和有限元软件进行了介绍。在最后一章中,应用Ansoft有限元分析软件对盘式无铁心电机进行了二维和三维建模仿真。其中对电枢磁场进行了细致的仿真分析,并把空载和负载时的盘式电机的磁力线进行了比较,发现这两种情况下的磁力线并无太大变化。在三维建模仿真时,空气罩的选取对电机的性能有很大影响,所以本文分别对不同大小的空气罩下的盘式无铁心永磁电机的气隙磁密进行仿真,由得出的气隙磁密曲线可以得出当空气罩为电机外围尺寸三倍时是最佳的。最后对不同半径处的气隙磁密做了仿真,得到平均半径气隙磁密的幅值最大的结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 永磁电机的国内外研究现状和发展趋势
• 1.2 盘式永磁电机的国内外研究现状和发展趋势
• 1.3 盘式无铁心电机的优越性
• 1.4 本文的主要工作及研究内容
• 第2章 永磁材料的分类和选择
• 2.1 永磁材料
• 2.1.1 永磁材料的主要磁性能参数
• 2.1.2 主要永磁材料及其特点
• 2.2 永磁材料的选择
• 2.3 本章小结
• 第3章 盘式无铁心永磁电机的结构设计
• 3.1 盘式无铁心永磁电机结构研究
• 3.1.1 单定子、单转子结构盘式无铁心永磁同步电动机
• 3.1.2 中间转子
• 3.1.3 中间定子
• 3.1.4 多盘式
• 3.2 磁铁结构研究
• 3.2.1 Halbach永磁体阵列
• 3.2.2 Halbach阵列的基本原理
• 3.2.3 不同角度的Halbach磁体阵列对气隙磁场的影响
• 3.2.4 不同厚度的Halbach磁体阵列对气隙磁场的影响
• 3.3 盘式无铁心永磁电机主要尺寸设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 盘式无铁心电机的分析与参数计算
• 4.1 电机电磁场理论基础
• 4.1.1 麦克斯韦方程组
• 4.1.2 求解麦克斯韦方程的辅助位函数及其方程
• 4.1.3 磁场的边界条件
• 4.2 盘式无铁心永磁电机有限元电磁场分析
• 4.2.1 电机磁场有限元法基本原理
• 4.2.2 分析软件介绍
• 4.3 盘式永磁同步电机的参数计算
• 4.3.1 电枢反应电抗参数
• 4.3.2 气隙磁密的分布系数
• 4.3.3 计算极弧系数
• 4.3.4 电磁功率
• 4.3.5 电磁转矩
• 4.4 本章小结
• 第5章 盘式无铁心永磁电机磁场的有限元分析
• 5.1 盘式无铁心永磁电机二维建模与电枢磁场有限元分析
• 5.2 盘式无铁心永磁同步电机负载磁场二维有限元分析
• 5.3 盘式无铁心永磁电机三维有限元分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间申请的专利