大功率聚磁式横磁通永磁电机设计及其优化技术研究

论文摘要

稀土永磁电机是现代材料科学、电力电子学及电工理论相结合的产物，体现着当今应用科学的许多最新成果，因而显示出广泛的应用前景和强大生命力。近年来，新的电机拓朴结构与控制方式层出不穷，尤其是横磁通永磁电机（TFPM）问世后，彻底打破了传统电机的设计方法和电源供电方式，为电力传动系统提供了全新的解决方案。由于TFPM电机结构复杂，它在小型化时不具备传统电机的尺寸优势，适宜采用多极多相结构形式，在低速、大转矩、直接驱动的工业和军事领域推广。本文在总结国内外现有TFPM电机主要研究成果的基础上，就一种新型结构大功率聚磁式横磁通永磁电机设计、分析及其控制系统进行了全面研究。第一，提出一种新型双C结构的10.4MW聚磁式横磁通永磁电机设计。为降低加工成本，采用组合式定子结构，即电机定子由内定子铁芯、外定子铁芯和定子过渡铁芯三部分组成，具有设计新颖、工艺简单等特点，并已申请专利。同时针对该结构还设计了隔磁环固定结构，既避免了磁路间的相互影响，又可以使电机整体具有较高的机械强度和定位精度。第二，聚磁式横磁通永磁电机是同时具有径向、周向和轴向磁通的典型三维磁场电机，需用三维场来分析，为此本文提出一种三维磁场数值计算方法——磁网络法。该方法将电流线圈等效为永磁体来处理，可以用标量磁位完整地描述场中每一点的特性，比矢量磁位减少了计算时间，具有剖分简单、收敛性好、后处理简单等优点。第三，应用三维等效磁网络法分析了样机在不同工况下的磁场分布情况，分析了几个主要结构参数对TFPM电机力能指标的影响，从中得到一定的设计规律。另外就电磁负荷对电机功率因数的影响进行深入分析，并指出TFPM电机功率因数较传统电机偏低是其获得高转矩密度所必须付出的代价。第四，对TFPM这一新型电机而言，进行优化设计不但可以提高设计质量，而且能够缩短设计周期。本文在深入分析标准粒子群算法（Standard ParticleSwarm Optimization-SPSO）的基础上进行改进研究，并把改进粒子群算法（Improved Particle Swarm Optimization-IPSO）与电机电磁场逆问题研究相结合，对TFPM电机进行优化设计。文中还详细介绍了TFPM电机优化模型的建立以及目标函数和优化变量的确定原则，并对不同优化方法得到的设计结果与原设计方案进行分析、比较。在不降低样机电气性能的前提下，优化后TFPM电机的转子磁钢用量和电机体积都可以显著减少，有效提高了TFPM电机的性价比。第五，由于自定位转矩引起的转矩脉动问题使TFPM电机的速度控制特性恶化，严重影响了TFPM电机在直接电力传动系统中的广泛应用。本文充分利用TFPM各相独立的结构特点，从电机本体设计出发，提出一种新型多相（十相）聚磁式组合定子TFPM拓扑。经多相合成后，可以使部分自定位转矩相互抵消，从而减少了输出转矩脉动。最后，论文为验证上述设计思想进行仿真研究，仿真结果验证了系统设计的正确性与合理性。因目前国内生产厂家尚无能力制造兆瓦级TFPM电机，课题组成功制造了200W和4.5kW同类型单C结构样机，本文取得的各项成果为今后大功率TFPM电机传动系统的研制、调试提供了有力参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及选题意义
• 1.2 横磁通永磁电机的研究现状
• 1.2.1 横磁通永磁电机的基本概念
• 1.2.2 横磁通永磁电机的转矩提升原理
• 1.2.3 横磁通永磁电机发展概况
• 1.3 现代电机优化设计简介与评价
• 1.3.1 电机优化设计的主要特点
• 1.3.2 智能优化技术在电机优化设计中的应用
• 1.3.3 智能优化算法发展概况
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第二章 等效磁网络法
• 2.1 概述
• 2.2 三维等效磁网络模型
• 2.3 磁网络参数的计算
• 2.3.1 电机电磁场的基本方程
• 2.3.2 等效磁网络单元
• 2.3.3 永磁体等效磁导、磁势计算
• 2.3.4 电流源等效磁动势计算
• 2.4 网络方程的建立
• 2.5 网络单元内任意点参数的计算
• 2.6 本章小结
• 第三章 大功率聚磁式横磁通电机结构设计与主要尺寸确定
• 3.1 双C形TFPM电机结构设计
• 3.1.1 转子结构设计
• 3.1.2 定子结构设计
• 3.1.3 电机冷却
• 3.1.4 双C形TFPM电机整体结构特点
• 3.2 聚磁式TFPM电机的主要尺寸确定
• 3.2.1 TFPM电机预设计
• 3.2.2 TFPM样机磁场计算
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于智能优化算法的TFPM电机优化设计
• 4.1 电机优化设计概述
• 4.1.1 优化问题的数学描述
• 4.1.2 优化变量的确定准则
• 4.1.3 约束条件的处理
• 4.1.4 多目标问题的优化方法
• 4.2 基于PSO算法的智能优化技术研究
• 4.2.1 PSO算法简介
• 4.2.2 标准粒子群算法参数分析及其改进研究
• 4.3 TFPM电机优化模型的建立
• 4.3.1 结构参数对电机力能指标的影响
• 4.3.2 优化目标和优化变量
• 4.3.3 约束条件
• 4.3.4 TFPM电机优化模型
• 4.4 基于IPSO算法的TFPM电机优化
• 4.5 本章小结
• 第五章 多相横磁通永磁电机的转矩脉动抑制及其控制系统研究
• 5.1 TFPM电机转矩脉动产生的原因及分类
• 5.2 TFPM的自定位转矩研究
• 5.2.1 TFPM电机的自定位转矩计算
• 5.2.2 TFPM电机的自定位转矩分析
• 5.2.3 TFPM电机转矩脉动抑制
• 5.3 多相TFPM电机控制系统研究
• 5.3.1 TFPM电机数学模型及其转矩控制原理
• 5.3.2 TFPM电机控制系统设计
• 5.3.3 TFPM电机控制系统仿真
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 附录A: TFPM样机主要设计数据
• 附录B: 作者在攻读博士学位期间完成的主要工作
• 致谢