定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)及研究.pdf

1、稀土永磁無(wú)鐵心電機(jī)是代表電機(jī)行業(yè)未來發(fā)展方向的一種新型特種電機(jī)。軸向磁場(chǎng)的盤式無(wú)鐵心永磁電機(jī)因具有軸向尺寸短、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。尤其在軸向尺寸有限的應(yīng)用場(chǎng)合，例如空調(diào)外機(jī)、汽車散熱器的風(fēng)扇、電動(dòng)車輛等，具有明顯優(yōu)越性。本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有軸向磁場(chǎng)無(wú)鐵心永磁電機(jī)研究成果基礎(chǔ)上，就定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁(AFPM)電機(jī)樣機(jī)設(shè)計(jì)、三維(3-D)氣隙磁場(chǎng)分析、性能分析、優(yōu)化、軸向電磁力、機(jī)械強(qiáng)度等進(jìn)行了全面研究;在此基礎(chǔ)

2、上，提出了一種磁極組合型無(wú)鐵心AFPM電機(jī)。
　　本論文首先分析了定子無(wú)鐵心AFPM電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出本文所設(shè)計(jì)樣機(jī)的主要結(jié)構(gòu);對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，給出了電機(jī)主要尺寸、定子繞組參數(shù)及轉(zhuǎn)子永磁體尺寸參數(shù)的確定方法。
　　其次，基于麥克斯韋方程，應(yīng)用分離變量法，結(jié)合貝塞爾函數(shù)理論，對(duì)定子無(wú)鐵心AFPM電機(jī)磁場(chǎng)進(jìn)行了分析，得到了3-D磁場(chǎng)解析模型，該方法可直接用于電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究了氣隙軸向磁密分布與電機(jī)徑向位置，周向位置及軸

3、向位置的關(guān)系。作為對(duì)解析法的一個(gè)驗(yàn)證，基于3-D有限元分析方法對(duì)定子無(wú)鐵心AFPM電機(jī)的磁場(chǎng)進(jìn)行了分析，有限元法得到的結(jié)果與解析法得到的結(jié)果是一致的。
　　第三，基于3-D磁場(chǎng)解析模型研究了定子無(wú)鐵心AFPM電機(jī)的性能分析方法，給出了無(wú)鐵心定子繞組的繞組系數(shù)、電動(dòng)勢(shì)、電感等的解析計(jì)算公式。結(jié)合樣機(jī)的控制方式，對(duì)電機(jī)穩(wěn)態(tài)工作性能進(jìn)行了分析。由于電機(jī)無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)，繞組直接暴露于交變磁場(chǎng)，所以無(wú)鐵心繞組的渦流損耗不得不考慮。在穩(wěn)態(tài)性能分析

4、過程中，重點(diǎn)討論了繞組渦流損耗的計(jì)算方法，推導(dǎo)了計(jì)算公式。并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定，與理論解析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
　　第四，對(duì)定子無(wú)鐵心AFPM電機(jī)而言，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)不但可以提高電機(jī)性能，而且能夠縮短設(shè)計(jì)周期。本文利用遺傳算法，結(jié)合3-D磁場(chǎng)解析法，分別以兩種不同的優(yōu)化目標(biāo)對(duì)該電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了優(yōu)化變量、優(yōu)化目標(biāo)的確定原則，并對(duì)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)結(jié)果與原方案進(jìn)行分析、比較。在滿足約束條件前提下，優(yōu)化后的AFPM無(wú)鐵心電機(jī)減小了永磁材

5、料用量，降低了電機(jī)成本，提高了電機(jī)效率。
　　第五，對(duì)定子無(wú)鐵心AFPM電機(jī)的軸向電磁力密度及軸向電磁力進(jìn)行計(jì)算，分析了永磁體尺寸及氣隙長(zhǎng)度對(duì)軸向電磁力的影響。并針對(duì)樣機(jī)加工或裝配中常出現(xiàn)的誤差，分析無(wú)鐵心繞組偏離中心及轉(zhuǎn)子盤發(fā)生傾斜導(dǎo)致氣隙不均勻這兩種現(xiàn)象對(duì)電機(jī)性能影響;利用結(jié)構(gòu)有限元分析方法對(duì)轉(zhuǎn)子盤體應(yīng)力分布及變形進(jìn)行研究，為定子無(wú)鐵心AFPM電機(jī)轉(zhuǎn)子盤的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供保障和依據(jù)。
　　最后，針對(duì)常規(guī)定子無(wú)鐵心AFPM電機(jī)