无轴承磁通切换永磁电机分析与设计

发布时间：2017-09-02 11:05

  本文关键词：无轴承磁通切换永磁电机分析与设计

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【摘要】：集电机驱动和磁轴承悬浮功能于一体的无轴承电机具有无摩擦、无润滑、使用寿命长等优点,在飞轮储能、航空航天、化工等领域具有很好的应用前景。传统转子永磁型无轴承电机,永磁体置于转子,高速运转时需要考虑永磁体散热和机械牢固性等问题。本文提出了三相12/10极和12/14极无轴承磁通切换永磁电机(Bearingless Flux-Switching Permanent Magnet电机,简称BFSPM电机),其电枢绕组、悬浮绕组和永磁体均置于定子,转子上既无绕组又无永磁体,冷却条件好,适合高速运行,继承了磁通切换永磁电机(Flux-Switching Permanent Magnet电机,简称FSPM电机)功率密度高、绕组具有互补性和一致性等特点。本文深入研究了两种结构的BFSPM电机电磁性能,并完成12/10极结构样机的优化设计和试制,搭建了基于TMS320F28335的BFSPM电机驱动控制系统硬件平台。论文的主要研究内容包括以下几个方面：(1)提出了三相12/10极和12/14极BFSPM电机,详细分析了两种电机结构和径向悬浮力产生原理；(2)基于Ansoft参数化建模建立了BFSPM电机二维有限元模型,在此基础上完成两种不同结构电机的性能比较,并进一步分析12/10极电机结构的静态特性以及转子偏心后的性能变化；(3)深入研究了12/10极BFSPM电机分别在空载情况下、仅加载电枢电流以及仅加载悬浮电流情况下的铁耗,计算了永磁体的涡流损耗和绕组铜耗；(4)推导了12/10极BFSPM电机输出功率方程,并对主要尺寸参数进行了优化分析,确定最优设计方案,给出主要设计尺寸参数以及结构图纸,同时完成试验样机加工；(5)搭建了基于TMS320F28335控制芯片的BFSPM电机驱动控制系统硬件平台,主要包括功率变换电路、PWM驱动隔离电路、电压电流采样调理以及保护电路等。
【关键词】：无轴承 磁通切换 悬浮力 有限元分析 电磁性能 优化设计
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM351
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 第一章 绪论8-19
• 1.1 无轴承电机研究背景与意义8-10
• 1.2 无轴承电机研究概况10-14
• 1.2.1 无轴承电机的发展与研究现状10-12
• 1.2.2 无轴承电机结构12-14
• 1.3 无轴承磁通切换永磁电机的提出14-17
• 1.4 论文的研究目标及内容17-19
• 1.4.1 论文的研究目标17
• 1.4.2 论文的主要研究内容17-19
• 第二章 无轴承磁通切换永磁电机基本结构及工作原理19-24
• 2.1 电机基本结构分析19-20
• 2.2 电机工作原理20-23
• 2.2.1 磁通切换原理20-22
• 2.2.2 径向悬浮原理22-23
• 2.3 本章小结23-24
• 第三章 无轴承磁通切换永磁电机性能分析研究24-50
• 3.1 永磁电机的电磁性能分析一般方法24-25
• 3.2 无轴承磁通切换永磁电机有限元模型25-27
• 3.3 12/10极与12/14极BFSPM电机性能比较27-35
• 3.3.1 磁场分布比较27-31
• 3.3.2 转矩和径向悬浮力性能比较31-33
• 3.3.3 耦合特性比较33-35
• 3.4 12/10极BFSPM电机静态电磁性能35-42
• 3.4.1 定位力矩35-36
• 3.4.2 永磁磁链及反电动势36-39
• 3.4.3 电感39-42
• 3.5 12/10极BFSPM电机转子偏心时有限元分析42-45
• 3.6 12/10极BFSPM电机损耗分析45-49
• 3.6.1 不同工作情况下铁耗计算46-48
• 3.6.2 永磁体涡流损耗计算48-49
• 3.6.3 绕组铜耗计算49
• 3.7 本章小结49-50
• 第四章 无轴承磁通切换永磁电机设计及参数优化分析50-70
• 4.1 电机本体设计50-56
• 4.1.1 电机输出功率方程50-53
• 4.1.2 电机主要尺寸参数关系53-56
• 4.2 电机参数优化分析56-66
• 4.2.1 转子齿宽与齿形56-59
• 4.2.2 定子齿宽59-61
• 4.2.3 永磁体磁化厚度与长度61-63
• 4.2.4 气隙厚度63-66
• 4.3 样机设计66-69
• 4.4 本章小结69-70
• 第五章 无轴承磁通切换永磁电机硬件设计70-81
• 5.1 BFSPM电机驱动系统结构70-71
• 5.2 功率变换电路设计71-73
• 5.3 PWM驱动隔离电路73-74
• 5.4 电流电压采样及保护电路74-78
• 5.5 位移传感器信号处理78-79
• 5.6 转速与位置检测电路79-80
• 5.7 实验平台80
• 5.8 本章小结80-81
• 第六章 总结与展望81-83
• 6.1 全文工作总结81-82
• 6.2 进一步工作展望82-83
• 致谢83-84
• 参考文献84-89
• 作者简介89

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