基于PCB技术的盘式无铁心永磁同步电机研究

发布时间：2021-08-02 15:59

盘式无铁心永磁同步电机为无铁心轴向磁场(AFPM)电机,具有高功率密度、效率很高、结构简单紧凑,大幅度减低电机质量,低速下运行平稳等技术优势。电机转子采用Halbach阵列永磁体结构,获得的气隙磁场的正弦分布特性好。无铁心电枢绕组的设计与制造是无铁心AFPM电机研究的关键部分。目前无铁心电枢绕组大多采用环氧树脂浇注而成的线绕型绕组。线绕型绕组的加工工艺尚未成熟,线圈的安放、定位困难,形状和尺寸难以达到要求。将印刷电路板(PCB)成熟的加工工艺应用于无铁心绕组制造中,PCB结构扁平,在结构上非常适合轴向磁路结构的无铁心AFPM电机。本文在无铁心AFPM电机的PCB绕组设计,电磁场解析模型、三维有限元仿真、优化设计等方面进行深入研究。本文分析了基于PCB技术的无铁心AFPM电机的结构特点,电机采用双转子单定子的双气隙对称结构,转子上磁钢采用Halbach阵列结构。无铁心绕组为多层PCB绕组,固定在电机机壳上,提高了绕组加工的工艺性和电机的散热能力。利用等效叠加的方法对无铁心AFPM电机的电磁场进行解析分析,取平均半径处的磁路作为主磁路,将无铁心AFPM电机等效为二维直线电机模型,解析法分析结果和三维有限元法基本一致。本文研究了基于PCB技术的无铁心AFPM电机的PCB绕组的设计,PCB绕组采用非重叠集中绕组,线圈形状综合梯形和圆形线圈的优点。推导了基于PCB技术的无铁心AFPM电机的空载反电动势的解析计算表达式,为电机的参数化设计提供了参考。对无铁心AFPM样机进行详细设计,给出了电机的主要尺寸、定子绕组参数及转子磁钢尺寸参数的确定方法,运行三维有限元法对样机的性能进行分析。最后,提出了基于新型Halbach阵列的无铁心AFPM电机,永磁体的截面为凸字型,充磁方式与90°Halbach阵列相同。利用田口算法的优化电机的参数,获得了比90°Halbach阵列更正弦分布的气隙磁场。对基于PCB技术的无铁心AFPM电机的PCB绕组的线圈形状进行优化,分析了线圈沿径向长度、有效边倾斜和线圈的中心等参数对电机的转矩和铜耗的影响,提高了电机的效率和额定转矩,得到最优的PCB线圈形状。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM341

文章目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 课题研究的来源和意义

1.2 盘式永磁同步电机国内外发展现状

1.3 课题的主要研究工作

第二章基于PCB技术的盘式无铁心永磁同步电机结构特点和电磁场解析

2.1 盘式永磁电机结构

2.2 基于PCB技术的盘式无铁心永磁同步电机结构特点

2.3 基于PCB技术的盘式无铁心永磁同步电机电磁场解析分析

第三章 PCB绕组设计和样机参数确定

3.1 PCB绕组

3.1.1 波绕组

3.1.2 非重叠集中绕组

3.2 PCB绕组的空载反电动势解析分析

3.3 基于PCB技术的盘式无铁心永磁同步电机主要参数确定

3.3.1 极槽组合

3.3.2 转子参数确定

3.3.3 PCB绕组参数确定

第四章基于PCB技术盘式无铁心永磁同步电机有限元分析

4.1 样机主要参数

4.2 有限元法理论基础

4.2.1 麦克斯韦方程

4.2.2 边界条件

4.3 电机性能分析

4.3.1 空载电磁场

4.3.2 空载反电动势

4.3.3 电动机模式时转矩特性

4.3.4 发电机模式时负载特性

第五章基于PCB技术的盘式无铁心永磁同步电机优化

5.1 基于Taguchi的盘式无铁心永磁同步电机磁钢优化

5.1.1 正交实验设计

5.1.2 结果分析

5.1.3 优化设计

5.2 基于有限元法的盘式无铁心永磁同步电机的PCB绕组优化设计

5.2.1 线圈沿径向长度

5.2.2 有效边倾斜

5.2.3 线圈几何中心

第六章总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文及参加科研情况说明

致谢

【参考文献】