新型双凸极永磁电机拓扑及电磁特性研究

发布时间：2020-10-26 06:09

　　 随着国民经济的快速发展,环境保护和可持续发展逐渐引起人们重视。在电动汽车、船舶推进等领域,采用电机驱动系统代替传统燃油驱动系统正逐渐成为国内外的研究热点。而电机作为新型驱动系统的核心部件,正朝着高转矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性以及宽调速范围等方向发展。双凸极永磁电机永磁体和电枢绕组均放置于定子上,转子仅由硅钢片叠压而成,具有散热方便、结构简单、可靠性高、转矩密度高、功率密度高、效率高等优点。因此,双凸极永磁电机非常适合用于电机驱动系统,在电动汽车、船舶推进等领域具有广阔应用前景。目前,针对双凸极永磁电机的研究主要围绕传统单极性磁链结构开展。虽有学者提出各种新型拓扑结构以提高其转矩密度或改善恒功率运行范围,但相关研究存在以下不足:新型拓扑结构的研究不够充分(已有单相拓扑结构,存在转矩密度低、启动性能差等问题;已有三相拓扑结构,其线圈或绕组磁链为单极性,转矩密度相对较低);气隙磁场解析模型建立方法的研究不够完善;混合励磁双凸极电机磁场调节理论的研究不够全面。为了解决上述问题,本文从单相和三相双凸极永磁电机出发,提出了线圈和绕组磁链均为双极性的新型双凸极永磁电机和混合励磁双凸极电机,并对其拓扑结构、气隙磁场模型、电磁特性分析方法、混合励磁双凸极电机磁场调节理论等进行了深入研究。相关内容安排如下。(1)以一种双极性磁链双凸极永磁电机为基础,深入研究了其气隙磁场解析模型(磁动势-比磁导模型)的建立方法。同时,结合经典绕组理论,对其绕组函数、空载气隙磁密、磁链和反电动势等进行了深入分析。此外,本文提出了一种改进型双凸极永磁电机,以改善传统结构的功率因数等特性。(2)提出了一种新型定子极不等间距单相双凸极永磁电机,以解决传统单相双凸极永磁电机转矩密度和启动转矩较低等问题,并对该类电机的设计分析方法(包括尺寸方程推导、简单等效磁路模型建立与求解、电流和转矩解析式推导、启动性能分析方法等)进行了深入研究。首先,对其拓扑结构、运行原理、尺寸方程、解析模型等进行了分析与推导。然后,通过引入极靴、辅助齿、阶梯气隙等磁路结构,进一步改善了其转矩和启动性能。同时,详细对比分析了传统和改进结构的额定转矩、启动性能等电磁特性。最后,通过一台样机及实验验证了相关理论分析。(3)提出了一种线圈和绕组磁链均为双极性的新型混合励磁双凸极电机,并对其工作原理和气隙磁场调节理论进行了深入研究。首先,建立了该电机的磁动势-比磁导模型,对其空载气隙磁密、磁链和反电动势等特性进行了详细分析。然后,基于简单等效磁路模型、磁链方程和电机相量图等,深入分析了空载和负载工况下直流励磁绕组对空载气隙磁密、磁链、反电动势、功率因数、功率等电磁特性的影响,并给出了影响电机恒功率运行范围的关键设计参数,为混合励磁电机优化提供了理论基础。(4)深入研究分析了新型混合励磁双凸极电机的电磁特性。首先,分析了该电机不同拓扑结构之间的性能差异。然后,研究了关键结构参数(电机裂比、永磁体尺寸、定转子极宽、定子极夹角等)对空载反电动势、齿槽转矩、转矩密度和调磁性能等指标的影响。同时,深入研究了直流励磁绕组与电枢绕组热负荷分配方式对调磁能力、转矩、转矩波动、损耗、效率、功率因数和恒功率运行范围等性能指标的影响。此外,详细对比分析了传统双极性磁链双凸极永磁电机、开关磁链电机和该新型混合励磁双凸极电机的电磁性能,并明确了该新结构电机的优缺点。最后,设计加工了一台12/7新型混合励磁双凸极电机,并通过实验验证了相关理论分析。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM351
【部分图文】：

定子永磁型双凸极电机拓扑结构

[15]。图 1-2 为三相 FSPMM 典型拓扑结构，其定子由多块 U 型铁芯组成；相邻 U 铁芯之间放置有切向充磁的永磁体（永磁体贯穿整个定子铁芯），且相邻永磁体充磁方向相反；电枢绕组缠绕在永磁体两侧的定子齿上；转子与开关磁阻电机类似，是仅由硅钢片叠压而成的凸极结构。图 1-2 6/5 FSPMM 拓扑结构FSPMM 工作原理可由图 1-3 进行说明：当转子处于图 1-3（a）所示位置时，由于永磁体的存在，将会有向上的永磁磁通穿过线圈，且此时磁通最大；当转子处于图1-3（b）所示位置时，永磁体磁通通过两侧定子齿和转子齿形成闭合回路，通过线圈的永磁磁通为零；当转子处于图 1-3（c）所示位置时，将有向下的永磁磁通穿过线圈，且此时磁通负最大。因此

(a) 与左边齿对齐(b) 与永磁体对齐 (c) 与右边齿对齐图 1-3 FSPMM 工作原理示意图图 1-4 6/5 FSPMM 绕组磁链国内外学者对 FSPMM 新型拓扑结构进行了大量研究以提高其转矩密度、减小波动和提高效率等。文献[16]深入研究了槽开口对 FSPMM 最优槽极配合（定子/转子极数）和电磁性能的影响，并提出了 C 型 槽 FSPMM。该电机在获得与传
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本文编号：2856613