新型轴向磁场定子无铁心永磁电机关键技术研究

发布时间：2020-03-28 23:40

【摘要】：轴向磁场定子无铁心永磁电机消除了定子铁心,从而使其具有效率高、无齿槽转矩、电枢反应小、转子损耗小、过载能力强、轴向结构紧凑、适合高速运行等显著优势,在新能源汽车驱动与发电系统、航空飞行器电推进系统、航天伺服或作动系统中具有重要的应用价值。本文提出了新型轴向磁场定子无铁心集中绕组永磁电机基本电磁拓扑结构,探索研究了该类型电机本体的设计理论与优化方法、定子浸油冷却方法、损耗计算与效率最优设计、基于Halbach永磁阵列的高速高强度转子结构、高效高正弦波电流控制等关键技术,从理论与仿真分析到实验测试各环节研究了新型轴向磁场定子无铁心集中绕组永磁电机基本特性和关键技术。并结合无轴承电机理论创新提出新型轴向磁场定子无铁心无轴承永磁电机及控制方法。阐述了定子无铁心永磁电机的基本概念,分析了从有铁心永磁电机到定子无铁心永磁电机逐步衍化的过程及其转矩产生原理。并且,从磁路形成原理将定子无铁心永磁电机分为径向磁场型、直线运动型与轴向磁场型三大类,结合研究现状讨论了三类不同定子无铁心永磁电机的特点。针对定子无铁心永磁的低电感特性驱动控制电流脉动大的问题,对比研究了国内外学者提出的多种控制方法。最后总结了定子无铁心永磁电机的基本特点及其技术难点,并说明本文研究工作内容及意义。简要归纳了轴向磁场定子无铁心永磁电机基本拓扑结构,基于现有轴向磁场定子无铁心永磁电机进一步发展和应用的难题,从定子绕组线圈绕制成型及散热和产生高正弦度气隙磁场的永磁转子设计两个关键技术角度出发提出新型轴向场定子无铁心集中绕组永磁电机基本结构。论述了新型定子无铁心集中绕组永磁电机的绕组设计、高正弦度Halbach永磁阵列盘式转子设计,推导了考虑结构强度的尺寸方程。通过三维有限元仿真详细分析了新型轴向磁场永磁电机的电磁特性,包括磁场分布特性、端部漏磁特性、转矩-电流特性等,研制了9槽8极和12槽10极的原理样机,实验测试验证了理论计算和仿真分析的正确性,为该新型轴向磁场定子无铁心永磁电机的优化设计奠定基础。详细分析了高速轴向磁场定子无铁心永磁电机的绕组高频交流损耗产生机理,得出了高频交流损耗和直流损耗权重对绕组总损耗的影响规律,并从降低损耗的角度对绕组线圈利兹线的导体线径线规的选取提出建议。利用简化等效绕组模型在复杂的三维磁场分布条件下通过有限元分析准确计算得到利兹线导体涡流损耗,为电机效率最优设计提供参考。并且,对浸油冷却条件下的定子绕组进行了流体场与温度场的耦合仿真分析,完成了不同工况下的热平衡绕组温升测试。给出了新型轴向磁场定子无铁心永磁电机的基本结构设计,分析了定子绕组、转子永磁体及转子导磁背轭的受力特性,提出合理的定子无铁心绕组支撑与密封、高强度Halbach阵列永磁转子的新型结构,建立三维电磁-温度-结构多物理场耦合分析模型,详细分析了定子绕组支撑部件的热应力分布、转子永磁体的应力及转子支撑部件的应力分布情况。在此基础上,对盘式转子的永磁体护套及过盈量进行分析与优化,解释了9槽8极原理样机在高速运行下转子失效的结构设计缺陷,完成了12槽10极结构原理样机9000r/min冷态和热态下的高速转子强度测试。针对轴向磁场定子无铁心永磁电机的低电感特性,研究PWM斩波控制下的电流波动机理,基于带输出LC滤波器的三相全桥逆变器的电力电子变换器理论,提出了低电感永磁同步电机驱动控制方法,建立了新型轴向磁场定子无铁心永磁电机控制系统MATLAB数学模型,仿真验证了该控制系统的电动运行控制策略,研制了控制器原理样机,实验初步验证了该驱动系统电流闭环控制的效果,为低电感特性的定子无铁心永磁电机控制提供了新的有效方法。从无轴承永磁电机的基本原理出发,结合新型轴向磁场定子无铁心集中绕组永磁电机的特性,提出一种新型轴向磁场定子无铁心无轴承永磁电机,研究了该新型无轴承永磁电机的定子悬浮力绕组和转矩绕组的设计方法与集成理论,推导了洛伦兹型悬浮力和转矩产生的计算公式。建立了三维有限元仿真模型,计算验证了新型轴向磁场定子无铁心无轴承永磁电机理论的正确性。并且,提出了该新型无轴承永磁电机的转矩和悬浮力控制方法,通过Maxwell+Simploer场路耦合模型的仿真,验证了悬浮力电流和转矩电流高度耦合的集成控制方法。
【图文】：

永磁电机,磁场,定子

（c）定子有磁轭无槽（d）外转子定子无铁心图 1.1 不同类型永磁电机表 1.1 不同类型永磁电机转矩产生原理与特征机类型转矩产生原理主要特点铁心永磁电机定子铁心产生的磁场与转子产生的磁场相互作用。气隙磁密高，有间谐波，电枢反子铁心永磁电机环形定子产生的磁场与转子产生的磁场相互作用，同时通电的电枢绕组单边导体与转子产生的磁场相互作用。气隙磁密较高，谐波但具有环形和引起的谐波，应一般。磁轭无槽永磁电机定子磁轭起闭合磁路作用，增强有效气隙磁密，转子产生的磁场与通电电枢绕组直接相互作用。气隙磁密较低，，谐波和饱和磁密谐波，电枢反应定子无铁心磁电机转子产生的磁场与通电绕组相互作用产生电磁转矩。气隙磁密低，无波，电枢反应极定子无铁心永磁电机从定子上取消导磁硅钢片或消除导磁齿，电造工艺等方面都发生了较大变化，与传统永磁电机相比具有如

外转子,定子

南京航空航天大子形成一个闭合的回路。其最大的优势是定子部的环流现象得到了较大抑制；然而，双转子外转子结构支撑产生较大的考验，特别是在高力综合作用给转子的结构强度设计带来较大考子定子无铁心结构是最复杂但性能较优的拓扑铁心永磁电机，因此在很多特殊场合如飞轮储景[25-27]。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM351

【参考文献】