磁悬浮陀螺飞轮用双磁钢无刷直流电机磁设计

发布时间：2020-09-18 16:25

　　磁悬浮陀螺飞轮(MSFW)用无刷直流电机(BLDCM)采用杯型定子代替传统定子铁心,消除了传统定子铁心在电机高速旋转时产生的涡流损耗和齿槽转矩脉动。现有磁悬浮陀螺飞轮用无定子铁心无刷直流电机采用单圈磁钢方案。通过定量分析可知其等效气隙磁密波形平顶宽度较窄,等效气隙磁密幅值较小,导致电机输出转矩较小,转矩精度较低。为克服上述缺点,本文提出一种无定子铁心双圈磁钢结构并对其进行了详细的实例设计。本文具体工作如下:(1)介绍无定子铁心无刷直流电机磁路设计原理,引入用于定量分析无定子铁心无刷直流电机气隙磁密分布特性的等效极弧系数和等效漏磁系数概念及具体计算方法。(2)运用等效漏磁系数和等效漏磁系数的概念对两种电机方案的气隙磁密分布特性进行定量分析,得到相同厚度的双圈磁钢结构较单圈磁钢结构获得的等效气隙磁密磁密波形平顶宽度更宽,气隙磁密幅值更大,由此引出本文的研究重点为无定子铁心双圈磁钢方案无刷直流电机。(3)在恒定磁场基本理论的基础上引出用于电机气隙磁场解析计算的等效面电流原理。并基于等效面电流原理建立单、双圈磁钢方案气隙磁密数学模型,得到影响气隙磁密分布的关键结构参数。(4)采用有限元法软件对比分析单、双圈磁钢方案的等效气隙磁密波形随磁钢结构的变化规律。进一步验证双圈磁钢方案较单圈磁钢方案具有更好的气隙磁密特性。(5)为进一步改善电机气隙磁密分布特性,本文在双圈磁钢方案的基础上又提出一种双圈非等厚磁钢方案,并对其进行了详细实例设计。设计结果表明,等效极弧系数和等效气隙磁密幅值由单圈的0.76和0.45T增大到0.847和0.463T增幅分别为11.5%和2.9%。改进后的双圈磁钢方案BLDCM可有效的实现对MSCSG转子的高速驱动和精确变速。
【学位单位】：北京石油化工学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM33;TH133.7
【部分图文】：

示意图,电磁转矩,导通,两相

北京石油化工学院专业学位硕士学位论文260nv p (1-3中τ为极距，p 为磁钢的极对数。将式（1-3）带入式（1-2）可得：15nwplE B (1-4中相绕组匝数 w，导通切割磁感线的长度 l，磁钢的极对数 p 为定值，当电机转速 n变时，由式（1-4）可知，相绕组获得的感应电动势波形和气隙磁感应强度 Bδ的波之间为比例关系，保证了气隙磁感应强度 Bδ的波形平低宽度大于 120o电角度就间保证了反电动势波形的平低宽度。因此为减小非理想反电动势引起的转矩脉动，在流无刷电机电磁设计时，应尽量拓宽气隙磁密波形平顶宽度。

定子铁心,无刷直流电机,轴向截面

传统无刷直流电机分为表贴式转子结构和内置式转子结构两种[41]，分别如图2-2(a)和图 2-2(b)所示。从图中可以看出，传统无刷直流电机的定子由定子铁心和电枢绕组组成，定子绕组嵌绕在定子铁心的齿槽内。由于定子铁心的存在，当转子高速旋转时会在定子铁心中产生很大的涡流损耗[41]，从而大大增加了电机的功耗。同时，由于齿槽的存在，会使得转子旋转时产生齿槽转矩和齿谐波，从而会产生转矩脉动和损耗，所以传统结构的无刷直流电机不适合作为磁悬浮陀螺飞轮等具有高转速的空间飞行器的驱动部件。

定子,实物,三相绕组,旋转转矩

图 2-4 杯型定子实物图Fig.2-4 Physical map of cup stator机工作原理电动势为梯形波，所以其定子绕组通中绕组 A、B、C 的末端分别与逆变器检测到的转子磁极相对于定子三相绕组关断，进而控制三相绕组中的电流交替一个跳跃式的旋转磁场，该磁场与转子与定子磁场旋转方向相同的旋转转矩，

【参考文献】