發(fā)布時間：2020-03-28 23:40

【摘要】：軸向磁場定子無鐵心永磁電機消除了定子鐵心,從而使其具有效率高、無齒槽轉(zhuǎn)矩、電樞反應小、轉(zhuǎn)子損耗小、過載能力強、軸向結(jié)構(gòu)緊湊、適合高速運行等顯著優(yōu)勢,在新能源汽車驅(qū)動與發(fā)電系統(tǒng)、航空飛行器電推進系統(tǒng)、航天伺服或作動系統(tǒng)中具有重要的應用價值。本文提出了新型軸向磁場定子無鐵心集中繞組永磁電機基本電磁拓撲結(jié)構(gòu),探索研究了該類型電機本體的設計理論與優(yōu)化方法、定子浸油冷卻方法、損耗計算與效率最優(yōu)設計、基于Halbach永磁陣列的高速高強度轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、高效高正弦波電流控制等關(guān)鍵技術(shù),從理論與仿真分析到實驗測試各環(huán)節(jié)研究了新型軸向磁場定子無鐵心集中繞組永磁電機基本特性和關(guān)鍵技術(shù)。并結(jié)合無軸承電機理論創(chuàng)新提出新型軸向磁場定子無鐵心無軸承永磁電機及控制方法。闡述了定子無鐵心永磁電機的基本概念,分析了從有鐵心永磁電機到定子無鐵心永磁電機逐步衍化的過程及其轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理。并且,從磁路形成原理將定子無鐵心永磁電機分為徑向磁場型、直線運動型與軸向磁場型三大類,結(jié)合研究現(xiàn)狀討論了三類不同定子無鐵心永磁電機的特點。針對定子無鐵心永磁的低電感特性驅(qū)動控制電流脈動大的問題,對比研究了國內(nèi)外學者提出的多種控制方法。最后總結(jié)了定子無鐵心永磁電機的基本特點及其技術(shù)難點,并說明本文研究工作內(nèi)容及意義。簡要歸納了軸向磁場定子無鐵心永磁電機基本拓撲結(jié)構(gòu),基于現(xiàn)有軸向磁場定子無鐵心永磁電機進一步發(fā)展和應用的難題,從定子繞組線圈繞制成型及散熱和產(chǎn)生高正弦度氣隙磁場的永磁轉(zhuǎn)子設計兩個關(guān)鍵技術(shù)角度出發(fā)提出新型軸向場定子無鐵心集中繞組永磁電機基本結(jié)構(gòu)。論述了新型定子無鐵心集中繞組永磁電機的繞組設計、高正弦度Halbach永磁陣列盤式轉(zhuǎn)子設計,推導了考慮結(jié)構(gòu)強度的尺寸方程。通過三維有限元仿真詳細分析了新型軸向磁場永磁電機的電磁特性,包括磁場分布特性、端部漏磁特性、轉(zhuǎn)矩-電流特性等,研制了9槽8極和12槽10極的原理樣機,實驗測試驗證了理論計算和仿真分析的正確性,為該新型軸向磁場定子無鐵心永磁電機的優(yōu)化設計奠定基礎。詳細分析了高速軸向磁場定子無鐵心永磁電機的繞組高頻交流損耗產(chǎn)生機理,得出了高頻交流損耗和直流損耗權(quán)重對繞組總損耗的影響規(guī)律,并從降低損耗的角度對繞組線圈利茲線的導體線徑線規(guī)的選取提出建議。利用簡化等效繞組模型在復雜的三維磁場分布條件下通過有限元分析準確計算得到利茲線導體渦流損耗,為電機效率最優(yōu)設計提供參考。并且,對浸油冷卻條件下的定子繞組進行了流體場與溫度場的耦合仿真分析,完成了不同工況下的熱平衡繞組溫升測試。給出了新型軸向磁場定子無鐵心永磁電機的基本結(jié)構(gòu)設計,分析了定子繞組、轉(zhuǎn)子永磁體及轉(zhuǎn)子導磁背軛的受力特性,提出合理的定子無鐵心繞組支撐與密封、高強度Halbach陣列永磁轉(zhuǎn)子的新型結(jié)構(gòu),建立三維電磁-溫度-結(jié)構(gòu)多物理場耦合分析模型,詳細分析了定子繞組支撐部件的熱應力分布、轉(zhuǎn)子永磁體的應力及轉(zhuǎn)子支撐部件的應力分布情況。在此基礎上,對盤式轉(zhuǎn)子的永磁體護套及過盈量進行分析與優(yōu)化,解釋了9槽8極原理樣機在高速運行下轉(zhuǎn)子失效的結(jié)構(gòu)設計缺陷,完成了12槽10極結(jié)構(gòu)原理樣機9000r/min冷態(tài)和熱態(tài)下的高速轉(zhuǎn)子強度測試。針對軸向磁場定子無鐵心永磁電機的低電感特性,研究PWM斬波控制下的電流波動機理,基于帶輸出LC濾波器的三相全橋逆變器的電力電子變換器理論,提出了低電感永磁同步電機驅(qū)動控制方法,建立了新型軸向磁場定子無鐵心永磁電機控制系統(tǒng)MATLAB數(shù)學模型,仿真驗證了該控制系統(tǒng)的電動運行控制策略,研制了控制器原理樣機,實驗初步驗證了該驅(qū)動系統(tǒng)電流閉環(huán)控制的效果,為低電感特性的定子無鐵心永磁電機控制提供了新的有效方法。從無軸承永磁電機的基本原理出發(fā),結(jié)合新型軸向磁場定子無鐵心集中繞組永磁電機的特性,提出一種新型軸向磁場定子無鐵心無軸承永磁電機,研究了該新型無軸承永磁電機的定子懸浮力繞組和轉(zhuǎn)矩繞組的設計方法與集成理論,推導了洛倫茲型懸浮力和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的計算公式。建立了三維有限元仿真模型,計算驗證了新型軸向磁場定子無鐵心無軸承永磁電機理論的正確性。并且,提出了該新型無軸承永磁電機的轉(zhuǎn)矩和懸浮力控制方法,通過Maxwell+Simploer場路耦合模型的仿真,驗證了懸浮力電流和轉(zhuǎn)矩電流高度耦合的集成控制方法。
【圖文】：

（c）定子有磁軛無槽 （d）外轉(zhuǎn)子定子無鐵心圖 1.1 不同類型永磁電機表 1.1 不同類型永磁電機轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理與特征機類型 轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理 主要特點鐵心永磁電機定子鐵心產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場相互作用。氣隙磁密高，有間諧波，電樞反子鐵心永磁電機環(huán)形定子產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場相互作用，同時通電的電樞繞組單邊導體與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場相互作用。氣隙磁密較高，諧波但具有環(huán)形和引起的諧波，應一般。磁軛無槽永磁電機定子磁軛起閉合磁路作用，增強有效氣隙磁密，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場與通電電樞繞組直接相互作用。氣隙磁密較低，，諧波和飽和磁密諧波，電樞反應定子無鐵心磁電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場與通電繞組相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。氣隙磁密低，無波，電樞反應極定子無鐵心永磁電機從定子上取消導磁硅鋼片或消除導磁齒，電造工藝等方面都發(fā)生了較大變化，與傳統(tǒng)永磁電機相比具有如

南京航空航天大子形成一個閉合的回路。其最大的優(yōu)勢是定子部的環(huán)流現(xiàn)象得到了較大抑制；然而，雙轉(zhuǎn)子外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)支撐產(chǎn)生較大的考驗，特別是在高力綜合作用給轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強度設計帶來較大考子定子無鐵心結(jié)構(gòu)是最復雜但性能較優(yōu)的拓撲鐵心永磁電機，因此在很多特殊場合如飛輪儲景[25-27]。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM351

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 耿偉偉;張卓然;;新型外轉(zhuǎn)子Halbach永磁陣列定子無鐵心電機設計與分析[J];電工技術(shù)學報;2015年14期

2 王曉光;王曉遠;傅濤;;基于電流型斬波控制器的盤式無鐵心永磁同步電機控制方法[J];中國電機工程學報;2015年09期

3 湯平華;漆亞梅;黃國輝;李鐵才;;定子無鐵心飛輪電機繞組渦流損耗分析[J];電工技術(shù)學報;2010年03期

4 王繼強,王鳳翔,鮑文博,關(guān)恩錄;高速永磁電機轉(zhuǎn)子設計與強度分析[J];中國電機工程學報;2005年15期

5 徐衍亮,趙建輝,房建成;高速儲能飛輪用無鐵心永磁無刷直流電動機的分析與設計[J];電工技術(shù)學報;2004年12期

本文編號：2605085