發(fā)布時(shí)間：2020-03-28 23:40

【摘要】：軸向磁場(chǎng)定子無(wú)鐵心永磁電機(jī)消除了定子鐵心,從而使其具有效率高、無(wú)齒槽轉(zhuǎn)矩、電樞反應(yīng)小、轉(zhuǎn)子損耗小、過(guò)載能力強(qiáng)、軸向結(jié)構(gòu)緊湊、適合高速運(yùn)行等顯著優(yōu)勢(shì),在新能源汽車驅(qū)動(dòng)與發(fā)電系統(tǒng)、航空飛行器電推進(jìn)系統(tǒng)、航天伺服或作動(dòng)系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文提出了新型軸向磁場(chǎng)定子無(wú)鐵心集中繞組永磁電機(jī)基本電磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),探索研究了該類型電機(jī)本體的設(shè)計(jì)理論與優(yōu)化方法、定子浸油冷卻方法、損耗計(jì)算與效率最優(yōu)設(shè)計(jì)、基于Halbach永磁陣列的高速高強(qiáng)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(shí)驗(yàn)測(cè)試各環(huán)節(jié)研究了新型軸向磁場(chǎng)定子無(wú)鐵心集中繞組永磁電機(jī)基本特性和關(guān)鍵技術(shù)。并結(jié)合無(wú)軸承電機(jī)理論創(chuàng)新提出新型軸向磁場(chǎng)定子無(wú)鐵心無(wú)軸承永磁電機(jī)及控制方法。闡述了定子無(wú)鐵心永磁電機(jī)的基本概念,分析了從有鐵心永磁電機(jī)到定子無(wú)鐵心永磁電機(jī)逐步衍化的過(guò)程及其轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理。并且,從磁路形成原理將定子無(wú)鐵心永磁電機(jī)分為徑向磁場(chǎng)型、直線運(yùn)動(dòng)型與軸向磁場(chǎng)型三大類,結(jié)合研究現(xiàn)狀討論了三類不同定子無(wú)鐵心永磁電機(jī)的特點(diǎn)。針對(duì)定子無(wú)鐵心永磁的低電感特性驅(qū)動(dòng)控制電流脈動(dòng)大的問(wèn)題,對(duì)比研究了國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的多種控制方法。最后總結(jié)了定子無(wú)鐵心永磁電機(jī)的基本特點(diǎn)及其技術(shù)難點(diǎn),并說(shuō)明本文研究工作內(nèi)容及意義。簡(jiǎn)要?dú)w納了軸向磁場(chǎng)定子無(wú)鐵心永磁電機(jī)基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),基于現(xiàn)有軸向磁場(chǎng)定子無(wú)鐵心永磁電機(jī)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)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(chǎng)的永磁轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)角度出發(fā)提出新型軸向場(chǎng)定子無(wú)鐵心集中繞組永磁電機(jī)基本結(jié)構(gòu)。論述了新型定子無(wú)鐵心集中繞組永磁電機(jī)的繞組設(shè)計(jì)、高正弦度Halbach永磁陣列盤式轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì),推導(dǎo)了考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的尺寸方程。通過(guò)三維有限元仿真詳細(xì)分析了新型軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的電磁特性,包括磁場(chǎng)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(jī),實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了理論計(jì)算和仿真分析的正確性,為該新型軸向磁場(chǎng)定子無(wú)鐵心永磁電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。詳細(xì)分析了高速軸向磁場(chǎng)定子無(wú)鐵心永磁電機(jī)的繞組高頻交流損耗產(chǎn)生機(jī)理,得出了高頻交流損耗和直流損耗權(quán)重對(duì)繞組總損耗的影響規(guī)律,并從降低損耗的角度對(duì)繞組線圈利茲線的導(dǎo)體線徑線規(guī)的選取提出建議。利用簡(jiǎn)化等效繞組模型在復(fù)雜的三維磁場(chǎng)分布條件下通過(guò)有限元分析準(zhǔn)確計(jì)算得到利茲線導(dǎo)體渦流損耗,為電機(jī)效率最優(yōu)設(shè)計(jì)提供參考。并且,對(duì)浸油冷卻條件下的定子繞組進(jìn)行了流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)的耦合仿真分析,完成了不同工況下的熱平衡繞組溫升測(cè)試。給出了新型軸向磁場(chǎng)定子無(wú)鐵心永磁電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),分析了定子繞組、轉(zhuǎn)子永磁體及轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁背軛的受力特性,提出合理的定子無(wú)鐵心繞組支撐與密封、高強(qiáng)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(chǎng)耦合分析模型,詳細(xì)分析了定子繞組支撐部件的熱應(yīng)力分布、轉(zhuǎn)子永磁體的應(yīng)力及轉(zhuǎn)子支撐部件的應(yīng)力分布情況。在此基礎(chǔ)上,對(duì)盤式轉(zhuǎn)子的永磁體護(hù)套及過(guò)盈量進(jìn)行分析與優(yōu)化,解釋了9槽8極原理樣機(jī)在高速運(yùn)行下轉(zhuǎn)子失效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷,完成了12槽10極結(jié)構(gòu)原理樣機(jī)9000r/min冷態(tài)和熱態(tài)下的高速轉(zhuǎn)子強(qiáng)度測(cè)試。針對(duì)軸向磁場(chǎng)定子無(wú)鐵心永磁電機(jī)的低電感特性,研究PWM斬波控制下的電流波動(dòng)機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)控制方法,建立了新型軸向磁場(chǎng)定子無(wú)鐵心永磁電機(jī)控制系統(tǒng)MATLAB數(shù)學(xué)模型,仿真驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的電動(dòng)運(yùn)行控制策略,研制了控制器原理樣機(jī),實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電流閉環(huán)控制的效果,為低電感特性的定子無(wú)鐵心永磁電機(jī)控制提供了新的有效方法。從無(wú)軸承永磁電機(jī)的基本原理出發(fā),結(jié)合新型軸向磁場(chǎng)定子無(wú)鐵心集中繞組永磁電機(jī)的特性,提出一種新型軸向磁場(chǎng)定子無(wú)鐵心無(wú)軸承永磁電機(jī),研究了該新型無(wú)軸承永磁電機(jī)的定子懸浮力繞組和轉(zhuǎn)矩繞組的設(shè)計(jì)方法與集成理論,推導(dǎo)了洛倫茲型懸浮力和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的計(jì)算公式。建立了三維有限元仿真模型,計(jì)算驗(yàn)證了新型軸向磁場(chǎng)定子無(wú)鐵心無(wú)軸承永磁電機(jī)理論的正確性。并且,提出了該新型無(wú)軸承永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和懸浮力控制方法,通過(guò)Maxwell+Simploer場(chǎng)路耦合模型的仿真,驗(yàn)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(wú)槽 （d）外轉(zhuǎn)子定子無(wú)鐵心圖 1.1 不同類型永磁電機(jī)表 1.1 不同類型永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理與特征機(jī)類型 轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理 主要特點(diǎn)鐵心永磁電機(jī)定子鐵心產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用。氣隙磁密高，有間諧波，電樞反子鐵心永磁電機(jī)環(huán)形定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，同時(shí)通電的電樞繞組單邊導(dǎo)體與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(yīng)一般。磁軛無(wú)槽永磁電機(jī)定子磁軛起閉合磁路作用，增強(qiáng)有效氣隙磁密，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(yīng)定子無(wú)鐵心磁電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)與通電繞組相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。氣隙磁密低，無(wú)波，電樞反應(yīng)極定子無(wú)鐵心永磁電機(jī)從定子上取消導(dǎo)磁硅鋼片或消除導(dǎo)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(jī)相比具有如

南京航空航天大子形成一個(gè)閉合的回路。其最大的優(yōu)勢(shì)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(yàn)，特別是在高力綜合作用給轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)帶來(lái)較大考子定子無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)是最復(fù)雜但性能較優(yōu)的拓?fù)滂F心永磁電機(jī)，因此在很多特殊場(chǎng)合如飛輪儲(chǔ)景[25-27]。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM351

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2605085