基于场路结合高速永磁电机电磁设计与特性分析方法的研究

论文摘要

本课题来源于国家自然科学基金重点资助项目“微型燃气轮机—高速发电机分布式发电与能量转换系统研究”的部分研究内容。高速电机由于具有转速高、电机尺寸小、功率密度大、效率高等优点,目前正在成为众多领域的研究热点之一。然而高速电机存在着许多技术难点,包括:电磁与结构设计、特性分析、应力计算、定转子的损耗和温升计算、可视化电机设计软件等。本文以高速电机的电磁设计和性能特性为研究对象,进行了一系列的理论研究和实验验证。主要包括以下内容:首先,进行了高速永磁电机定转子的结构设计,给出了定子环形绕组的计算方法和过程。基于场路相结合的方法确定了高速永磁电机的基本尺寸。然后具体给出了场路结合法设计高速永磁电机的过程。将等效磁路法和有限元法结合起来对电机进行设计分析。利用有限元法得到磁路法中不易准确得到的电机系数,从而实现场路结合法分析高速电机的性能。其次,基于场路相结合的方法对高速永磁电机进行特性分析,得到电机的工作特性。利用有限元ANSYS软件对高速电机的电磁特性进行了仿真,并使用解析法确定了护套和永磁体之间的过盈量,计算了永磁体和护套中的应力分布。通过叠加法分析计算了高速电机的铜耗,给出了转子风磨耗解析公式。通过有限元法对高速永磁电机定子铁心的交变磁化和旋转磁化进行了分析。利用波形法和轨迹法对高速永磁电机铁耗进行计算,并对电机做了铁耗分离实验,同时对计算结果和测量结果进行了分析比较。在损耗计算分析的基础上,得到了高速永磁电机的平均温升和温升分布图。最后,基于场路结合法开发了高速永磁电机电磁设计与特性分析软件。通过参数化设计语言APDL和m文件,使用VB对ANSYS和MATLAB进行二次开发,同时给出了软件各个界面的功能。该软件使电机设计的更合理,并提高了电机设计与分析的效率。此外给出了高速永磁电机试验样机,并进行了初步的空载试验研究。测量了电机在不同转速下空载运行时定子绕组的反电动势波形,为进一步的研究工作打下了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.2 高速电机的国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第二章 高速永磁电机总体设计与尺寸的确定
• 2.1 高速电机的特点和设计方法
• 2.1.1 高速电机的特点
• 2.1.2 场路结合的高速电机设计方法
• 2.2 高速永磁电机转子设计
• 2.2.1 电机极数选取
• 2.2.2 永磁体的保护
• 2.2.3 转子尺寸的选取
• 2.3 高速永磁电机定子设计
• 2.3.1 定子环形绕组的设计特点
• 2.3.2 定转子尺寸的确定
• 2.4 高速永磁电机的设计与分析
• 2.4.1 高速永磁电机的设计与分析过程
• 2.4.2 有限元法确定磁路计算中的主要系数
• 2.5 本章小结
• 第三章 高速永磁电机特性分析
• 3.1 高速永磁电机的电磁性能
• 3.1.1 高速永磁电机的性能指标和工作特性
• 3.1.2 高速永磁电机的磁场分析
• 3.2 高速永磁电机转子强度性能分析
• 3.2.1 转子强度的计算方法
• 3.2.2 永磁体应力计算与分析
• 3.2.3 护套应力计算与分析
• 3.3 高速永磁电机的损耗计算
• 3.3.1 高速永磁电机的铜耗计算
• 3.3.2 高速永磁电机的风磨耗计算
• 3.4 高速永磁电机的铁耗计算
• 3.4.1 铁耗模型的建立与计算方法
• 3.4.2 铁心不同位置的磁密分析
• 3.4.3 损耗系数的确定
• 3.4.4 高速永磁电机铁耗计算
• 3.4.5 高速永磁电机铁耗实验
• 3.5 高速永磁电机的温升计算
• 3.5.1 24 槽高速永磁电机定子热路分析
• 3.5.2 基于有限元法计算电机温升
• 3.6 本章小结
• 第四章 高速永磁电机设计与特性分析软件
• 4.1 高速永磁电机设计软件的原理和功能
• 4.1.1 高速永磁电机设计软件的原理
• 4.1.2 高速永磁电机设计软件的功能
• 4.2 电机设计程序之间的封装调用
• 4.2.1 MATLAB 设计程序的封装调用
• 4.2.2 ANSYS 设计程序的封装调用
• 4.3 高速永磁电机的界面设计
• 4.3.1 高速永磁电机电磁设计模块
• 4.3.2 高速永磁电机特性分析模块
• 4.4 高速永磁电机样机的研制
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢