【摘要】：本文研究的是一種基于印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)繞組的永磁無刷電機,該電機屬于無鐵心軸向磁場電機,是盤式電機的一種。這種類型的電機軸向結(jié)構(gòu)緊密,氣隙呈平面狀,氣隙磁場沿軸向,具有成本低、重量輕、功率密度高等特點,適用于有薄型安裝要求的場合。PCB繞組,即將繞組印制在印制電路板上,這種繞組平整度高,繞組形狀方便設(shè)計,安裝靈活,并且易達到量產(chǎn)。PCB繞組具有扁平的形狀,與無鐵心軸向電機的特點吻合,因此這種定子繞組多應用于軸向磁場電機。本文主要基于PCB繞組的永磁無刷直流電機進行包括有限元建模、氣隙磁密的分析與優(yōu)化、聯(lián)合仿真等方面的研究。首先,本文對盤式電機的典型結(jié)構(gòu)、繞組類型及繞組形狀進行介紹,并基于螺旋形PCB繞組進行參數(shù)化分析和繞組模型分析。本次設(shè)計采用的是中間定子、兩邊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),PCB繞組采用圓形與梯形結(jié)合的螺旋形繞組,增加導體端部寬度,進一步降低繞組端部,降低繞組損耗,提高電機性能。其次,基于PCB繞組永磁無刷電機進行電磁場有限元方法的原理分析。由于其磁場沿軸向,選用ANSYS MAXWELL3D進行有限元電磁場分析,從電磁場分析數(shù)學模型及電磁場計算原理等方面分別進行理論概述,為后續(xù)的電機有限元模型搭建及優(yōu)化做鋪墊。然后,提取PCB繞組的永磁無刷電機的主要設(shè)計參數(shù),于ANSYS MAXWELL3D中搭建三維模型。其中詳細介紹了模型搭建的前處理和中處理過程,實現(xiàn)實體電機1:1模型搭建,提高仿真精度。最后,對建立的基于PCB繞組的永磁無刷電機的有限元模型進行電磁分析后處理,對電機的空載定、轉(zhuǎn)子磁密分布、不同路徑下的氣隙磁密分布、繞組渦流損耗等性能進行分析。結(jié)果顯示,普通N,S交叉排列的永磁體結(jié)構(gòu),其氣隙磁密大致呈梯形波,在徑向上呈圓弧狀,靠近內(nèi)徑和外徑處的氣隙磁密偏低,中間半徑處的氣隙磁密偏高。為了優(yōu)化電機的氣隙磁場,將Halbach陣列應用于PCB繞組電機中,本文采用的是90°Halbach永磁體陣列。通過有限元仿真對比分析,該陣列的加入使電機的極對數(shù)減小一半,增加了輔助磁極,減少磁間漏磁,與此同時,主磁極下的磁場強度變大,提高了電機的氣隙磁密,并且使氣隙磁密的分布更接近于梯形波。對優(yōu)化后的PCB繞組永磁電機進行基于MAXWELL、SIMPLORER、SIMULINK三大軟件的聯(lián)合仿真。為加快仿真速度、縮短仿真時間,提取電機的等效電路(Equivalent Circuit Extraction,ECE)模型,通過控制PWM占空比控制電機轉(zhuǎn)速,電機的動態(tài)響應良好。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM351;TN41
【圖文】：

盤式電機屬于軸向磁場電機，不同于傳統(tǒng)的圓柱式電機，在結(jié)構(gòu)和內(nèi)部逡逑磁場方面都有獨特的特點，因此本章中從盤式電機結(jié)構(gòu)方面入手，對ＰＣＢ逡逑繞組進行參數(shù)化分析，提出基于ＰＣＢ繞組的永磁電機的解析模型。逡逑２．１盤式電機典型結(jié)構(gòu)逡逑所謂盤式電機，是外表似盤狀的電機。傳統(tǒng)電機的磁場是徑向的，而盤逡逑式電機的氣隙磁場是軸向平面型［３５］。盤式電機有如下幾個特點．？逡逑（１）電機形狀較扁，軸向尺寸短，電機徑向直徑與軸向長度之比大。逡逑（２）盤式電機的氣隙沿軸向且為平面型。逡逑（３）針對特殊的結(jié)構(gòu)，其鐵心的材料應用量比較少。逡逑盤式電機外觀呈扁平狀，為了提高轉(zhuǎn)矩，還可以制成多氣隙＂結(jié)構(gòu)。如圖逡逑２－１和圖２－２所示，根據(jù)氣隙的結(jié)構(gòu)，盤式電機可以分為單氣隙、雙氣隙、逡逑多氣隙等形式［３６］。逡逑

圖２－３波形繞組的繞線方式可以看出，線圈沿徑向放射狀有效的傾斜角度，在一定程度上減小波形繞組的端部長度。圖２－３Ｂ板中一層的繞制方式，同時也是電機中的一相，ＰＣＢ板中過板上的過孔進行連接。電機中的不同相繞組分布在不同的層

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