轴向永磁游标电机的轴向电磁力分析与优化研究
发布时间：2022-01-17 00:04
轴向永磁游标电机具有高转矩密度和轴向结构紧凑等优势因而在低速直接驱动领域备受关注。为了进一步提高功率因数和功率密度,轴向永磁游标电机的发展呈现出多层化的趋势。轴向永磁游标电机的圆盘状转子在巨大且不平衡的轴向电磁力作用下会产生轴向平移和偏转的趋势,甚至发生定转子贴合事故,使得电机难以平稳运行。此外,研究表明轴向电磁力是轴向永磁游标电机运行噪声的主要来源之一。因此本文以径向结构相似的轴向永磁游标电机四类基本模型为研究对象,对其所受轴向电磁力进行分析和优化,并在不同模型之间进行比较。本文搭建单定子单转子永磁体表贴式和内嵌式轴向永磁游标电机的三维和二维有限元模型并进行轴向电磁力分析和比较,以及通过解析法推导两种模型轴向电磁力密度和整体轴向电磁力的表达式。之后通过理论和仿真研究径向结构相似的轴向永磁游标电机所受电磁力沿径向分布。本文对单定子单转子永磁体表贴式和内嵌式轴向永磁游标电机分别进行轴向电磁力优化。首先通过理论分析选取数个对轴向电磁力敏感的电机结构参数作为优化变量并分析优化变量对目标函数输出转矩、整体轴向电磁力和轴向电磁力密度峰值的影响。其次,基于优化变量合理变化区间的仿真数据库,构造优化...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1双定子单转子永磁体内嵌式轴向永磁游标电机[1]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-论。根据磁通调制原理进行极对数的设计，即合理配置定转子极对数与定子齿数的关系可大幅提高输出转矩，其关系式如下[17]rsZZp（1-1）式中Zr——永磁体极对数；Zs——定子齿数；p——定子绕组极对数。电枢绕组外转子内转子定子铁心转子铁心永磁体图1-2双定子三转子多层轴向永磁游标电机[16]永磁游标电机运行时，永磁体在气隙中产生具有Zr对极的永磁体磁动势，从而产生了稳定转矩。此外，电机定子齿调制出了Zs-Zr次谐波，与定子绕组极对数p的值相等，两者相互作用产生了额外的转矩。此外，游标电机中的槽谐波分量也可产生有用的转矩[18]。磁场旋转的速度是转子旋转速度的Zr/p倍，从而转子低速旋转且输出大转矩，图1-3展示了永磁游标电机运行时转子位置和磁场位置的变化图，阐释了永磁游标电机转子转动较小角度便可使磁场分布产生较大改变的特性[19]。1.2.3轴向电磁力研究现状早期研究聚焦于径向电机特别是永磁同步电机所受径向电磁力。2010年，诸自强教授对一款10极12槽永磁同步电机进行分析，揭示了永磁同步电动机中的径向电磁力与电磁噪声之间的关系，并从时空特性的角度通过径向电磁力的谐波分解系统地分析了电磁噪声的来源[20,21]。2010年，韩国B.Kim教授研究了永磁游标电机的电机设计和工作原理，从磁动势和磁导的角度入手推导了气隙磁动势和气隙磁导的表达式，进而推导出了气隙磁密的表达式[10]。2018年，同济大学学者把永磁同步电机径向电磁力的分析理论应用于分
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-析轴向磁通电机的轴向电磁力，通过表格展示了空间各阶轴向电磁力（轴向电磁力的空间分布函数进行傅里叶分解后的各次谐波）的来源，并且指出与传统的径向磁通电机不同的是，空间零阶轴向电磁力（轴向电磁力的空间分布函数进行傅里叶分解后的直流分量）是轴向磁通电机振动和噪声的主要来源[5]。2019年，对一款30极27槽轴向磁通电机产生电磁噪声主轴向电磁力波进行了分析，并提出通过改变定子槽的宽度来优化轴向电磁力，从而有效地降低了电磁噪声[22]。图1-3永磁游标电机运行原理示意图1.3主要研究内容本文从优化轴向电磁力的角度出发，对轴向永磁游标电机四类基本模型所受轴向电磁力进行分析。由于多层结构的轴向永磁游标电机可视为单定子单转子永磁体表贴式轴向永磁游标电机、单定子单转子永磁体内嵌式轴向永磁游标电机、双定子单转子永磁体表贴式轴向永磁游标电机以及双定子单转子永磁体内嵌式轴向永磁游标电机的组合，因此对多层复杂结构的轴向永磁游标电机轴向电磁力的研究可拆分为数个基本模型，然后对每个模型进行轴向电磁力分析，最后再进行整体轴向电磁力分析。因此本文对径向结构相似的上述四类轴向永磁游标电机基本模型所受轴向电磁力进行分析，本课题将从以下几个方面开展研究：（1）通过有限元仿真的方法探索单定子单转子永磁体表贴式和内嵌式两种模型的轴向永磁游标电机的轴向电磁力分布规律。
【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]麦克斯韦电磁力公式与某些电磁现象的解释[J]. 佟为明,许峰,李凤阁. 电子器件. 2001(04)
[3]遗传算法电机优化设计简介[J]. 李鲲鹏,胡虔生. 微特电机. 2001(04)
硕士论文
[1]基于磁场调制效应的小型轴向永磁游标电机研究[D]. 陶恩成.哈尔滨工业大学 2019
[2]基于磁齿轮原理的电动汽车用直驱式永磁电机研究[D]. 杨矿.哈尔滨工业大学 2019
本文编号：3593660
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1双定子单转子永磁体内嵌式轴向永磁游标电机[1]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-论。根据磁通调制原理进行极对数的设计，即合理配置定转子极对数与定子齿数的关系可大幅提高输出转矩，其关系式如下[17]rsZZp（1-1）式中Zr——永磁体极对数；Zs——定子齿数；p——定子绕组极对数。电枢绕组外转子内转子定子铁心转子铁心永磁体图1-2双定子三转子多层轴向永磁游标电机[16]永磁游标电机运行时，永磁体在气隙中产生具有Zr对极的永磁体磁动势，从而产生了稳定转矩。此外，电机定子齿调制出了Zs-Zr次谐波，与定子绕组极对数p的值相等，两者相互作用产生了额外的转矩。此外，游标电机中的槽谐波分量也可产生有用的转矩[18]。磁场旋转的速度是转子旋转速度的Zr/p倍，从而转子低速旋转且输出大转矩，图1-3展示了永磁游标电机运行时转子位置和磁场位置的变化图，阐释了永磁游标电机转子转动较小角度便可使磁场分布产生较大改变的特性[19]。1.2.3轴向电磁力研究现状早期研究聚焦于径向电机特别是永磁同步电机所受径向电磁力。2010年，诸自强教授对一款10极12槽永磁同步电机进行分析，揭示了永磁同步电动机中的径向电磁力与电磁噪声之间的关系，并从时空特性的角度通过径向电磁力的谐波分解系统地分析了电磁噪声的来源[20,21]。2010年，韩国B.Kim教授研究了永磁游标电机的电机设计和工作原理，从磁动势和磁导的角度入手推导了气隙磁动势和气隙磁导的表达式，进而推导出了气隙磁密的表达式[10]。2018年，同济大学学者把永磁同步电机径向电磁力的分析理论应用于分
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-析轴向磁通电机的轴向电磁力，通过表格展示了空间各阶轴向电磁力（轴向电磁力的空间分布函数进行傅里叶分解后的各次谐波）的来源，并且指出与传统的径向磁通电机不同的是，空间零阶轴向电磁力（轴向电磁力的空间分布函数进行傅里叶分解后的直流分量）是轴向磁通电机振动和噪声的主要来源[5]。2019年，对一款30极27槽轴向磁通电机产生电磁噪声主轴向电磁力波进行了分析，并提出通过改变定子槽的宽度来优化轴向电磁力，从而有效地降低了电磁噪声[22]。图1-3永磁游标电机运行原理示意图1.3主要研究内容本文从优化轴向电磁力的角度出发，对轴向永磁游标电机四类基本模型所受轴向电磁力进行分析。由于多层结构的轴向永磁游标电机可视为单定子单转子永磁体表贴式轴向永磁游标电机、单定子单转子永磁体内嵌式轴向永磁游标电机、双定子单转子永磁体表贴式轴向永磁游标电机以及双定子单转子永磁体内嵌式轴向永磁游标电机的组合，因此对多层复杂结构的轴向永磁游标电机轴向电磁力的研究可拆分为数个基本模型，然后对每个模型进行轴向电磁力分析，最后再进行整体轴向电磁力分析。因此本文对径向结构相似的上述四类轴向永磁游标电机基本模型所受轴向电磁力进行分析，本课题将从以下几个方面开展研究：（1）通过有限元仿真的方法探索单定子单转子永磁体表贴式和内嵌式两种模型的轴向永磁游标电机的轴向电磁力分布规律。
【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]麦克斯韦电磁力公式与某些电磁现象的解释[J]. 佟为明,许峰,李凤阁. 电子器件. 2001(04)
[3]遗传算法电机优化设计简介[J]. 李鲲鹏,胡虔生. 微特电机. 2001(04)
硕士论文
[1]基于磁场调制效应的小型轴向永磁游标电机研究[D]. 陶恩成.哈尔滨工业大学 2019
[2]基于磁齿轮原理的电动汽车用直驱式永磁电机研究[D]. 杨矿.哈尔滨工业大学 2019
本文编号：3593660
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