双转子环形绕组游标电机系统研究
发布时间：2020-12-15 12:19
相比于传统永磁同步电动机,基于磁场调制原理的游标电机转矩密度高,可实现低速大转矩输出,在电动汽车和新能源发电等领域有着广阔的应用前景。本文以定转子双边永磁体结构游标电机为研究对象,针对单转子和双转子结构,从拓扑结构、工作机理、磁场分析、性能计算等方面进行了深入研究,具体研究内容包括:首先,基于磁场调制原理,推导了转子永磁、定子永磁和定转子双边永磁游标电机的气隙磁密解析表达式,得到气隙中各谐波极对数、转速和转向的关系,发现采用定转子双边永磁体时,极对数为|Pr±Qs|的旋转磁场幅值增大,可显著增加绕组电动势和电磁转矩。推导了基波电动势计算公式,计算了气隙磁场中主要旋转谐波产生的基波电动势。研究了转子槽数对电动势基波幅值的影响,对比了不同永磁体极对数Pr时转子永磁游标电机和定子永磁游标电机的电动势大小。研究了转子槽数对电动势谐波含量的影响,发现当Pr为4的倍数时,电动势中存在的偶数次谐波,波形谐波畸变率大,正弦性差。其次,提出了双转子环形绕组游标电机（Dual-Rotor Toroidal-Winding Vernier Machin,简称DTVM）拓扑结构。该电机采用低成本铁氧体永磁,通...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
图１－１机械齿轮与磁齿轮示意图??
?山东大学硕士学位论文???磁场调制理论的出现不仅改善了磁齿轮的性能，而且为电机的发展提供了一??个全新的思路，促进了磁齿轮复合电机、游标电机等多种新型电机的诞生［１６］。??尚速转子?＇：、，?二：：＿：ｉ－，??图１－２同心磁场调制磁力齿轮??１．２．２磁齿轮复合电机??磁齿轮永磁复合电机是指将磁性齿轮和传统永磁同步电机结合在一起的一??种电机［１７］。２００７年，Ｋ．Ｔ．?Ｃｈａｕ教授首先提出了磁齿轮复合电机，其结构如图??１－３所示该电机将直流电机外转子与调磁环相连，由四部分组成，共有三??层气隙，由内而外分别为电机定子、电机外转子和磁齿轮内转子、调磁环、磁齿??轮外转子。电机工作时，定子绕组通电使电机外转子和磁齿轮内转子旋转，通过??调磁环使磁齿轮外转子实现低速大转矩输出。??文献［２１］将磁齿轮复合电机气隙减少为两层，它用交流绕组代替内转子永磁??体，绕组中通入三相交流电产生旋转磁场，减去了内转子与调磁环之间的气隙。??文献［２２］将磁齿轮复合电机气隙减少至一层，该电机用定子齿代替调磁环，简化??了电机的机械结构，定子齿与外转子齿对气隙中的磁场进行调制。??文献［２３］提出如图１－４所示的磁齿轮永磁电机，结构上为磁场轮与外转子永??磁电机相结合。绕组按照４对极设计，利用气隙中调制出的４对极磁场，在磁场??调制作用下，同步磁场的转速为７５０ｒ／ｍｉｎ，转子转速为１３０ｒ／ｍｉｎ，实现了低速大??转矩输出，且有较好的调速性能。??相比于传统永磁电机，磁齿轮永磁复合电机的转矩密度大大提高，但磁齿轮??永磁复合电机结构复杂，往往有多层气隙，电机冷却困难，生产加工难度大，限??制了其发展应用。?
?山东大学硕士学位论文???图１－３三层气隙磁齿轮复合电机?图１－４磁齿轮永磁无刷直驱电机??１．２．３游标电机??在磁齿轮结构的基础上，永磁游标电机的研究发展迅速，近年来国内外学者??提出了许多新结构的永磁游标电机［２４，２５］。永磁游标电机定子绕组可按照电机高速??谐波磁场的极对数进行设计简化了电机结构，使定子槽数大大减少，绕组绕??制简单，电机整体体积降低，且转矩密度提升较大。??１９６３年美国工程师Ｃ．Ｈ．?Ｌｅｅ在文献［２７］中提出了一种磁阻电机，其结构如??图１－５所示。该电机的定子与转子齿距不相等，转子移动很小的位置，就导致气??隙磁导变化很大，类似于游标卡尺的上下刻度，所以将其命名为“游标电机”，这??是游标电机第一次被提出。之后英国Ｍｕｋｈｅｒｊｉ教授对此游标磁阻电机进行了详??细的分析和计算，得到该电机的输出转矩―。??日本Ａ．?Ｉｓｈｉｚａｋｉ教授在文献［２９］中提出一种定转子上均含有磁钢的永磁游标??电机，其结构如图１－６所示，对其工作原理和电机优化进行了研究，并通过有限??元和样机试验进行了验证，结果表明，该电机转矩密度、功率因数和效率比之前??游标磁阻电机更优。??文献［３０］中提出了一种表贴式永磁游标电机，如图１－７所示。该电机满足磁??场调制原理，通过解析法和有限元法，验证了该电机转矩密度要高于普通永磁电??机。文献［３１］中提出了一种双定子永磁游标电机，通过气隙磁导函数分析了气隙??中的磁场调制原理，并进行了样机试验，结果显示该电机转矩密度较大，是传统??永磁同步电机的两倍。??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]永磁游标电机的研究现状与最新进展[J]. 林鹤云,张洋,阳辉,房淑华,黄允凯. 中国电机工程学报. 2016(18)
[2]新型外转子低速直驱永磁游标电机的损耗[J]. 朱洒,程明,李祥林,李顺. 电工技术学报. 2015(02)
[3]聚磁式场调制永磁风力发电机工作原理与静态特性[J]. 李祥林,程明,邹国棠,李顺. 电工技术学报. 2014(11)
[4]聚磁式场调制永磁风力发电机输出特性改善的研究[J]. 李祥林,程明,邹国棠. 中国电机工程学报. 2015(16)
[5]电动汽车用定子永磁型磁通记忆式游标电机性能分析[J]. 葛叶明,朱孝勇,陈龙. 电机与控制应用. 2014(04)
[6]基于精确子域模型的游标永磁电机解析磁场计算[J]. 郭思源,周理兵,曲荣海,凌在汛. 中国电机工程学报. 2013(30)
博士论文
[1]中国新能源发展研究[D]. 张海龙.吉林大学 2014
[2]新能源发电特性与经济性分析研究[D]. 蓝澜.华北电力大学 2014
硕士论文
[1]游标混合永磁电机性能计算与设计[D]. 刘国鹏.山东大学 2018
本文编号：2918252
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
图１－１机械齿轮与磁齿轮示意图??
?山东大学硕士学位论文???磁场调制理论的出现不仅改善了磁齿轮的性能，而且为电机的发展提供了一??个全新的思路，促进了磁齿轮复合电机、游标电机等多种新型电机的诞生［１６］。??尚速转子?＇：、，?二：：＿：ｉ－，??图１－２同心磁场调制磁力齿轮??１．２．２磁齿轮复合电机??磁齿轮永磁复合电机是指将磁性齿轮和传统永磁同步电机结合在一起的一??种电机［１７］。２００７年，Ｋ．Ｔ．?Ｃｈａｕ教授首先提出了磁齿轮复合电机，其结构如图??１－３所示该电机将直流电机外转子与调磁环相连，由四部分组成，共有三??层气隙，由内而外分别为电机定子、电机外转子和磁齿轮内转子、调磁环、磁齿??轮外转子。电机工作时，定子绕组通电使电机外转子和磁齿轮内转子旋转，通过??调磁环使磁齿轮外转子实现低速大转矩输出。??文献［２１］将磁齿轮复合电机气隙减少为两层，它用交流绕组代替内转子永磁??体，绕组中通入三相交流电产生旋转磁场，减去了内转子与调磁环之间的气隙。??文献［２２］将磁齿轮复合电机气隙减少至一层，该电机用定子齿代替调磁环，简化??了电机的机械结构，定子齿与外转子齿对气隙中的磁场进行调制。??文献［２３］提出如图１－４所示的磁齿轮永磁电机，结构上为磁场轮与外转子永??磁电机相结合。绕组按照４对极设计，利用气隙中调制出的４对极磁场，在磁场??调制作用下，同步磁场的转速为７５０ｒ／ｍｉｎ，转子转速为１３０ｒ／ｍｉｎ，实现了低速大??转矩输出，且有较好的调速性能。??相比于传统永磁电机，磁齿轮永磁复合电机的转矩密度大大提高，但磁齿轮??永磁复合电机结构复杂，往往有多层气隙，电机冷却困难，生产加工难度大，限??制了其发展应用。?
?山东大学硕士学位论文???图１－３三层气隙磁齿轮复合电机?图１－４磁齿轮永磁无刷直驱电机??１．２．３游标电机??在磁齿轮结构的基础上，永磁游标电机的研究发展迅速，近年来国内外学者??提出了许多新结构的永磁游标电机［２４，２５］。永磁游标电机定子绕组可按照电机高速??谐波磁场的极对数进行设计简化了电机结构，使定子槽数大大减少，绕组绕??制简单，电机整体体积降低，且转矩密度提升较大。??１９６３年美国工程师Ｃ．Ｈ．?Ｌｅｅ在文献［２７］中提出了一种磁阻电机，其结构如??图１－５所示。该电机的定子与转子齿距不相等，转子移动很小的位置，就导致气??隙磁导变化很大，类似于游标卡尺的上下刻度，所以将其命名为“游标电机”，这??是游标电机第一次被提出。之后英国Ｍｕｋｈｅｒｊｉ教授对此游标磁阻电机进行了详??细的分析和计算，得到该电机的输出转矩―。??日本Ａ．?Ｉｓｈｉｚａｋｉ教授在文献［２９］中提出一种定转子上均含有磁钢的永磁游标??电机，其结构如图１－６所示，对其工作原理和电机优化进行了研究，并通过有限??元和样机试验进行了验证，结果表明，该电机转矩密度、功率因数和效率比之前??游标磁阻电机更优。??文献［３０］中提出了一种表贴式永磁游标电机，如图１－７所示。该电机满足磁??场调制原理，通过解析法和有限元法，验证了该电机转矩密度要高于普通永磁电??机。文献［３１］中提出了一种双定子永磁游标电机，通过气隙磁导函数分析了气隙??中的磁场调制原理，并进行了样机试验，结果显示该电机转矩密度较大，是传统??永磁同步电机的两倍。??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]永磁游标电机的研究现状与最新进展[J]. 林鹤云,张洋,阳辉,房淑华,黄允凯. 中国电机工程学报. 2016(18)
[2]新型外转子低速直驱永磁游标电机的损耗[J]. 朱洒,程明,李祥林,李顺. 电工技术学报. 2015(02)
[3]聚磁式场调制永磁风力发电机工作原理与静态特性[J]. 李祥林,程明,邹国棠,李顺. 电工技术学报. 2014(11)
[4]聚磁式场调制永磁风力发电机输出特性改善的研究[J]. 李祥林,程明,邹国棠. 中国电机工程学报. 2015(16)
[5]电动汽车用定子永磁型磁通记忆式游标电机性能分析[J]. 葛叶明,朱孝勇,陈龙. 电机与控制应用. 2014(04)
[6]基于精确子域模型的游标永磁电机解析磁场计算[J]. 郭思源,周理兵,曲荣海,凌在汛. 中国电机工程学报. 2013(30)
博士论文
[1]中国新能源发展研究[D]. 张海龙.吉林大学 2014
[2]新能源发电特性与经济性分析研究[D]. 蓝澜.华北电力大学 2014
硕士论文
[1]游标混合永磁电机性能计算与设计[D]. 刘国鹏.山东大学 2018
本文编号：2918252
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