新型横向磁场永磁电机设计与研究

论文摘要

作为一种逆变器供电的新颖电动机结构形式，横向磁场永磁电动机(TFPM)具有运行转速低、输出力矩大、可靠性高和过载能力强等显著优点，在电气直接驱动领域得到了日益广泛的重视；然而其结构复杂、制造难度大、生产成本高和设计分析手段匮乏等一直是制约其发展的关键问题。本文提出了一种新型拓扑结构的横向磁场永磁电动机，并籍此对横向磁场永磁电动机进行了深入系统的研究分析，取得了下列卓有成效的成果： 第一，在充分分析和掌握国内外横向磁场永磁电动机的发展现状和现有各种类形拓扑结构的基础上，提出了一种不同于现有定子结构形式的新型横向磁场永磁电动机的拓扑结构形式。这种新型横向磁场永磁电动机的定子采用了具有装配定位功能的槽形口的公共联结铁心，从而内外定子磁极铁心可以积木式地直接插入公共联结铁心的槽形口中，大大筒化了制造工艺，降低了生产成本，显著提高了定子部件的装配定位精度和电动机生产的标准化程度，具有较高的创新性和实用性。 第二，针对横向磁场永磁电动机磁场结构的复杂性，以及由电枢电流产生的定子磁场和由永磁体产生的转子磁场各自处在相互垂直平面内的特点，深入研究了三维磁网络法的基础理论，以及三维磁网络法在永磁体和载流线圈的内部磁场计算中的具体应用，进而利用三维磁网络法计算了横向磁场永磁电动机的主要参数和工作特性。因此，本课题的研究有力地促进了科学研究与工程实用计算之间的有机紧密的结合。 第三，根据两相横向磁场永磁电动机结构特点和运行特性，设计制作了相应的驱动系统，详尽地分析了两相横向磁场永磁电动机在单极性导通模式下运行的工作特性。 第四，建立了横向磁场永磁电动机的数学模型，在MatLab／SimuLink软件平台上开发了横向磁场永磁电动机的通用模块化数字仿真模型。在此基础上，完成了本课题试验样机及其控制系统的动态仿真，优化了控制策略，分析了不同模式下运行的横向磁场永磁电动机的工作特性。同时，本课题把自主开发的通用模块化数字仿真模型与3DFEM结合起来，创建了比较完善的横向磁场永磁电动机软件开发平台，为进一步研究横向磁场永磁电动机及其控制系统创造了良好的科研手

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 横向磁场永磁电机工作原理和特点
• 1.2.1 传统电机的转矩密度
• 1.2.2 横向磁场永磁电机的转矩提升原理
• 1.2.3 横向磁场永磁电机的特点
• 1.3 横向磁场永磁电机的分类
• 1.3.1 平板式横向磁场永磁电机
• 1.3.2 聚磁式横向磁场永磁电机
• 1.3.3 无源转子横向磁场永磁电机
• 1.4 横向磁场永磁电机的发展现状及存在的问题
• 1.4.1 横向磁场永磁电机的发展现状
• 1.4.2 横向磁场永磁电机存在的问题
• 1.5 本论文主要研究内容
• 第二章 新型具有公共联结铁心的积木式横向磁场永磁电机结构设计
• 2.1 定子结构及设计
• 2.2 转子结构及设计
• 2.3 位置传感器结构及设计
• 2.4 样机实物照片
• 第三章 横向磁场永磁电机的三维场分析与特性计算
• 3.1 概述
• 3.2 三维等效磁网络法的基本原理
• 3.2.1 磁网络法的基本方程
• 3.2.2 网络单元边磁导的计算
• 3.2.3 永磁体的磁导、磁动势计算
• 3.2.4 电流源的等效磁动势
• 3.2.5 网络方程的建立
• 3.2.6 网络单元内任意点的磁位计算
• 3.3 样机的三维磁场分析
• 3.3.1 网络单元的剖分
• 3.3.2 气隙磁密分布
• 3.4 电机特性计算
• 3.4.1 空载电势计算
• 3.4.2 电磁转矩计算
• 3.5 电机参数计算
• 3.5.1 每相电阻计算
• 3.5.2 每相电感计算
• 3.6 电机有效材料计算
• 3.6.1 铜质量计算
• 3.6.2 定子有效材料质量计算
• 3.6.3 转子有效材料质量计算
• 3.6.4 电机有效材料质量计算
• 3.7 损耗和效率计算
• 3.7.1 铜耗计算
• 3.7.2 铁耗计算
• 3.7.3 风磨耗和附加损耗计算
• 3.7.4 总损耗和效率计算
• 第四章 横向磁场永磁电机控制系统设计
• 4.1 H型功率变换器工作模式及驱动电路
• 4.2 转子位置信号的检测和换流控制逻辑
• 4.3 电流检测及整流电路
• 4.4 电流滞环控制器
• 第五章 横向磁场永磁电机的数学模型及系统仿真
• 5.1 TFPM的数学模型
• 5.2 横向磁场永磁电机及控制系统仿真模型
• 5.2.1 TFPM仿真模型
• 5.2.2 位置检测模块
• 5.2.3 滞环调节器模块
• 5.2.4 PWM发生器模块
• 5.3 仿真结果
• 第六章 新型横向磁场永磁电机样机及其试验研究
• 6.1 横向磁场永磁电机样机
• 6.2 试验平台和转子位置传感器安装
• 6.2.1 试验平台
• 6.2.2 转子位置传感器安装和位置信号调整
• 6.3 样机的稳态运行特性实验
• 6.3.1 给定电流控制的电流波形
• 6.3.2 给定电流控制的特性曲线
• 第七章 结论
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间完成的主要工作
• 致谢