磁通切換型定子勵(lì)磁無刷電機(jī)的分析與設(shè)計(jì).pdf

1、磁通切換型電機(jī)(Flux-Switching Machines)作為一種雙凸極無刷電機(jī)，其勵(lì)磁源，如永磁體和勵(lì)磁繞組以及電樞繞組均位于定子側(cè)，而轉(zhuǎn)子上既無永磁體，也無繞組。磁通切換電機(jī)展現(xiàn)出諸多優(yōu)點(diǎn)，包括高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度、高效率、強(qiáng)抗去磁能力、優(yōu)良散熱性能和易于對永磁體采用水冷等，在電動(dòng)汽車、全電/多電飛機(jī)、風(fēng)力發(fā)電、飛輪儲(chǔ)能等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。以勵(lì)磁方式劃分，磁通切換電機(jī)可分為永磁型、電勵(lì)磁型和混合勵(lì)磁型。本文以電動(dòng)汽車

2、和風(fēng)力發(fā)電為背景，研究了永磁型和混合勵(lì)磁型磁通切換電機(jī)。具體而言，首先，以完善設(shè)計(jì)理論為目的提出了在考慮加工工藝時(shí)的三相永磁型磁通切換電機(jī)的設(shè)計(jì)方法;然后，以擴(kuò)展調(diào)速范圍為目的研究了三相混合勵(lì)磁型磁通切換電機(jī)的調(diào)磁原理和控制策略;最后，以提升電機(jī)可靠性為目的分析了六相混合勵(lì)磁型磁通切換容錯(cuò)電機(jī)的設(shè)計(jì)理論和控制策略。針對上述各研究內(nèi)容，分別試制了原理樣機(jī)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析和性能驗(yàn)證，為該類型電機(jī)的進(jìn)一步深入研究和推廣應(yīng)用提供了理論與技術(shù)基礎(chǔ)

3、。
　　論文主要研究成果包括以下幾個(gè)方面:
　　1.提出了永磁型磁通切換（Permanent Magnet Flux-Switching，PMFS）電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性估算模型。該模型基于等效磁路法和有限元分析的結(jié)果，來預(yù)估在電機(jī)的初始設(shè)計(jì)階段各電磁特性對設(shè)計(jì)尺寸的敏感程度。
　　2.詳細(xì)分析了一臺(tái)三相起動(dòng)發(fā)電用PMFS電機(jī)的設(shè)計(jì)方法和模塊化加工工藝。研究了溫升、運(yùn)行電磁頻率、硅鋼片材料屬性、三維端部效應(yīng)等對電磁性能的

4、影響，制造了工程樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，然后以降低批量化生產(chǎn)的成本和難度為目標(biāo)，進(jìn)一步討論了該電機(jī)的模塊化加工制造方法。在此基礎(chǔ)之上，建立了該電機(jī)采用水冷散熱時(shí)的三維有限元溫度場模型，該模型可以得到電機(jī)內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)溫度場分布，且分析結(jié)果得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　3.在上述永磁型磁通切換電機(jī)的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展了混合勵(lì)磁磁通切換(Hybrid-ExcitedFlux Switching，HEFS)電機(jī)的研究。針對采用U形定子鐵心的HEF

5、S電機(jī)，通過將勵(lì)磁線圈分為位于永磁體外側(cè)和內(nèi)側(cè)的兩組，揭示出HEFS電機(jī)磁場調(diào)節(jié)內(nèi)在機(jī)理。在此基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)型HEFS電機(jī)結(jié)構(gòu)，可以有效提升調(diào)磁能力。
　　4.為評(píng)估采用U型定子鐵心的HEFS電機(jī)的發(fā)熱情況，建立了該電機(jī)的三維有限元溫度場模型，綜合比較了不同結(jié)構(gòu)的HEFS電機(jī)的電磁性能和散熱能力，制造了不同結(jié)構(gòu)的HEFS電機(jī)樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了理論分析的正確性。
　　5.進(jìn)一步建立了三相HEFS電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和調(diào)速

6、系統(tǒng)仿真模型。首先推導(dǎo)了該電機(jī)在定子靜止坐標(biāo)系下和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，然后建立了其基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)仿真模型，研究了該電機(jī)在純永磁和混合勵(lì)磁兩種工況下的調(diào)速性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。從最大輸出轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)速兩方面入手，提出了HEFS電機(jī)勵(lì)磁磁場與永磁磁場的最優(yōu)比例分配原則，以及在兩種典型性能需求下的設(shè)計(jì)流程。
　　6.在三相HEFS電機(jī)的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用U形和E形定子鐵心分別設(shè)計(jì)了兩臺(tái)六相容錯(cuò)型H

7、EFS電機(jī)，并制定了不同繞組開路時(shí)的容錯(cuò)運(yùn)行控制策略?；谟邢拊ǚ治隽藘膳_(tái)電機(jī)的正常運(yùn)行和容錯(cuò)運(yùn)行能力，且考慮了勵(lì)磁電流對性能的影響，制造了樣機(jī)并對分析結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　7.分別推導(dǎo)了六相HEFS電機(jī)在定子靜止坐標(biāo)系下和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，然后建立了基于MATLAB/Simulink的六相HEFS電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，通過對電機(jī)在正常運(yùn)行和容錯(cuò)運(yùn)行兩種工況下的動(dòng)態(tài)仿真，證明兩電機(jī)均具備較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和容錯(cuò)運(yùn)行