变频调速用轴向分段式永磁外转子爪极电机的研究

论文摘要

本文以国家自然科学基金项目“现代汽车ISAD系统用轴向分段式外永磁转子爪极电机及其控制技术研究”(项目批准号：51077094)为背景。鉴于轴向分段式永磁外转子爪极电机具有高功率密度和高转矩密度的优点,并且定子爪极采用了软磁复合材料,使其在高频运行时能够产生较小的铁耗,具有较高的功率,因而适合于变频器驱动的风机泵类负载。本文主要围绕轴向分段式永磁外转子爪极电机的分析与设计方法开展一系列研究,主要工作如下：首先,分析了爪极电机发展现状,结合节能减排的时代背景,论证了研究轴向分段式永磁外转子爪极电机具有广阔的应用前景。其次,分析了轴向分段式永磁外转子爪极电机的电磁关系,并简要概述了软磁复合材料的特点。根据其主磁通及漏磁通的实际分布情况,建立其等效磁路模型,推导各部分磁阻,并以此为基础编制了MATLAB仿真程序,通过仿真研究确定了该电机的电磁方案。利用解析法分析说明该种电机具有高功率密度以及高转矩密度的原因。然后,为验证电磁方案的可行性,利用ANSOFT软件对轴向分段式永磁外转子爪极电机进行建模,并对其进行三维有限元磁场分析。通过对电机磁场的静态仿真,得到空载和负载情况下的爪极部分的磁密分布、气隙磁密分布并计算出该种电机的电感参数；对电机磁场瞬态仿真,得到了电机的空载反电势波形、空载及负载时的铁心损耗波形、单段爪极与三段爪极的齿槽转矩波形和负载时的电磁转矩波形。通过解析法推导出该种电机的齿槽转矩表达式,并以此为基础分析削弱齿槽转矩的可行方案。而且利用ANSOFT软件计算出该电机各部分漏磁通,进而得到的爪极各部分的漏磁系数。最后,介绍了制作样机的工艺,并分别对其进行了电动机和发电机实验。实验数据与计算结果相对比,证明所用方法的正确性及该种电机适用于风机、泵类。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景与意义
• 1.2 爪极电机的国内外研究现状
• 1.2.1 传统结构的爪极电机
• 1.2.2 新型结构爪极电机
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 轴向分段式永磁外转子爪极电机的基本电磁关系
• 2.1 轴向分段式永磁外转子爪极电机的结构
• 2.2 软磁复合材料及其特点
• 2.3 轴向分段式永磁外转子爪极电机的工作机理
• 2.4 轴向分段式永磁外转子爪极电机的基本电磁模型
• 2.4.1 电路的基本方程
• 2.4.2 电机的磁路模型
• 2.4.3 电机的各部分磁阻
• 2.5 轴向分段式永磁外转子爪极电机的特性仿真
• 2.6 轴向分段式永磁外转子爪极电机功率密度与转矩密度
• 2.7 本章小结
• 第三章 轴向分段式永磁外转子爪极电机的三维磁场分析
• 3.1 轴向分段式永磁外转子爪极电机结构的基本参数
• 3.2 轴向分段式永磁外转子爪极电机的静态磁场分析
• 3.2.1 电机中的磁场分布
• 3.2.2 电机中气隙磁密的分布
• 3.2.3 电机的电感参数计算
• 3.3 轴向分段式永磁外转子爪极电机的瞬态磁场分析
• 3.3.1 电机空载反电势的分析
• 3.3.2 电机的铁心损耗
• 3.3.3 齿槽转矩的三维有限元分析
• 3.3.4 负载时电机的电磁转矩
• 3.4 轴向分段式永磁外转子爪极电机齿槽转矩的分析
• 3.4.1 利用解析法推导轴向分段式永磁外转子爪极电机的齿槽转矩
• 3.4.2 齿槽转矩的抑制方法
• 3.5 电机的漏磁分析
• 3.5.1 永磁体漏磁系数
• 3.5.2 爪极各部分漏磁系数
• 3.6 本章小结
• 第四章 轴向分段式永磁外转子爪极电机的样机研制与实验研究
• 4.1 样机的研制
• 4.1.1 轴向分段式永磁外转子爪极电机主要结构参数
• 4.1.2 样机结构设计
• 4.2 样机的实验研究
• 4.2.1 电机齿槽转矩的测量
• 4.2.3 发电机实验
• 4.2.4 电动机实验
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢