基于标量磁位三维有限元法新型横向磁场电机设计与研究

论文摘要

由于横向磁场永磁电机具有输出力密度高、起动转矩大、低速性能好以及设计灵活等特点，成为研究开发的一个热点。但是，又因为该类电机结构复杂、加工成本高、磁场分析难度大，而且功率因数较低，因此限制了横向磁场电机的广泛应用。本文的研究工作主要是围绕一种新型结构的横向磁场永磁电机设计与研究展开的。本文提出了一种新型结构的横向磁场永磁电机，定子铁心采用E形结构，其铁心内臂、外臂和背轭在同一个平面内，可以直接由硅钢片叠压而成，这就大大降低了加工的难度和成本；针对该结构还设计出一种过渡铁心固定环结构，可以使得过渡铁心具有较高的机械强度和定位精度。各相之间依次错开2kπ+π/N（k为整数，N为电机相数）电角度，既可以防止电机存在起动转矩死点，又能有效削弱电机自定位转矩，减小电机输出转矩脉动。建立了E-TFM等效磁网络，推导了E-TFM主要尺寸的计算公式。 E形铁心横向磁场电机磁路复杂，采用平面磁场的分析结果不够精确，需采用三维磁场进行分析。在分析三维磁场时，存在的难点就是计算时间和精度问题。本文提出将横向磁场电机电流区域作适当处理，从而使用标量磁位求解，可以比矢量磁位具有少的未知量，减少计算时间。文中系统推导了应用标量磁位对电流区域及永磁体进行处理的一般方法，以及不同坐标系下特殊形状电流区域的简化处理方法。基于标量磁位法编制出三维有限元软件，用于TFM三维磁场分析。在有限元求解过程中，采用系数矩阵的非零元素存储法、ICCG法以及非线性问题处理的Newton-Raphson法等措施，提高了计算的速度和精度。利用所编制的三维有限元软件对E-TFM进行了磁场分析及参数的计算，得到的结果作为TFM电机性能分析和样机制造的依据。首先根据E-TFM结构特点，建立了简化到一对极结构的三维有限元模型，大大缩短计算时间。利用磁场分析结果对样机局部结构及尺寸进行优化，分析内容主要包括定子铁心厚度、转子磁钢厚度、过渡铁心径向尺寸、气隙长度等因素对电机性能的影响。分析结果表明，上述各值的取值在合适的范围之内时，可以获得较佳的性能。另外提出了电机绕组匝数的确定原则，以及它对反电势、电感的影响，并对电机的静特性及其他主要参数进行了仿真计算。最后，设计并制造E-TFM样机一台，并将该样机的主

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ABSTRACT

第一章绪论

1.1 引言

1.2 横向磁场电机工作原理

1.3 横向磁场电机研究现状

1.3.1 不同拓扑结构的横向磁场电机

1.3.2 TFM电磁参数分析方法

1.4 本文的主要研究内容

第二章新型TFM结构设计及主要尺寸确定

2.1 引言

2.2 E形铁心TFM结构设计

2.2.1 定子结构设计

2.2.2 转子结构设计

2.2.3 电机总体结构设计

2.2.4 电机冷却

2.2.5 E-TFM结构特点

2.3 E形铁心TFM电机等效磁路及主要尺寸确定

2.3.1 E形铁心TFM等效磁路

2.3.2 电机主要尺寸确定

2.4 本章小结

第三章基于标量磁位的三维有限元法

3.1 在三维磁场中电流区域及永磁体标量处理法

3.1.1 直角坐标系下电流区域处理方法

3.1.2 圆柱坐标系下电流区域处理方法

3.1.3 永磁体的处理方法

3.2 基于标量磁位的三维有限元模型建立

3.2.1 基本原理

3.2.2 在E-TFM中的具体应用

3.3 本章小结

第四章 E-TFM磁场分析及样机试验

4.1 电机有限元模型的建立和选择

4.1.1 柱坐标系下电机模型

4.1.2 直角坐标系下电机模型

4.1.3 直角坐标系下简化模型

4.2 电机磁场分析及其优化设计

4.2.1 定子铁心厚度对电机性能影响

4.2.2 磁钢厚度变化对电机性能影响

4.2.3 过渡铁心径向长度对电机性能影响

4.2.4 气隙长度对电机性能影响

4.3 电机主要参数计算及研究

4.3.1 电感、空载反电势计算及线圈匝数确定

4.3.2 电机功率因数计算及研究

4.4 电机静态特性

4.4.1 电机静态转矩特性

4.4.2 自定位转矩计算及其削弱方法研究

4.4.3 磁阻转矩计算及其削弱方法研究

4.4.4 多相结构静态转矩计算及其合成

4.5 电机效率特性

4.6 E-TFM样机主要参数及与永磁同步、无刷直流电机性能对比

4.7 样机试验结果验证

4.7.1 电机静态转矩特性

4.7.2 电机空载反电势测量

4.8 本章小结

第五章控制系统基本原理与系统仿真

5.1 控制系统基本原理

5.1.1 基本工作原理及功率变换主同路

5.1.2 位置传感器

5.1.3 两相E-TFM控制方式

5.2 基于场路结合法的系统仿真

5.2.1 概述

5.2.2 E-TFM基本方程

5.2.3 基于电路法的简化电路方程

5.2.4 基于场路结合法两相E-TFM样机系统仿真

5.3 本章小结

第六章总结与展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间完成的主要工作

致谢

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