基于標量磁位三維有限元法新型橫向磁場電機設計與研究.pdf

1、由于橫向磁場永磁電機具有輸出力密度高、起動轉矩大、低速性能好以及設計靈活等特點，成為研究開發(fā)的一個熱點。但是，又因為該類電機結構復雜、加工成本高、磁場分析難度大，而且功率因數(shù)較低，因此限制了橫向磁場電機的廣泛應用。本文的研究工作主要是圍繞一種新型結構的橫向磁場永磁電機設計與研究展開的。 本文提出了一種新型結構的橫向磁場永磁電機，定子鐵心采用E形結構，其鐵心內臂、外臂和背軛在同一個平面內，可以直接由硅鋼片疊壓而成，這就大大降低了加

2、工的難度和成本；針對該結構還設計出一種過渡鐵心固定環(huán)結構，可以使得過渡鐵心具有較高的機械強度和定位精度。各相之間依次錯開2kπ+π/N(k為整數(shù)，N為電機相數(shù))電角度，既可以防止電機存在起動轉矩死點，又能有效削弱電機自定位轉矩，減小電機輸出轉矩脈動。建立了E-TFM等效磁網絡，推導了E-TFM主要尺寸的計算公式。 E形鐵心橫向磁場電機磁路復雜，采用平面磁場的分析結果不夠精確，需采用三維磁場進行分析。在分析三維磁場時，存在的難點就

3、是計算時間和精度問題。本文提出將橫向磁場電機電流區(qū)域作適當處理，從而使用標量磁位求解，可以比矢量磁位具有少的未知量，減少計算時間。文中系統(tǒng)推導了應用標量磁位對電流區(qū)域及永磁體進行處理的一般方法，以及不同坐標系下特殊形狀電流區(qū)域的簡化處理方法?；跇肆看盼环ň幹瞥鋈S有限元軟件，用于TFM三維磁場分析。在有限元求解過程中，采用系數(shù)矩陣的非零元素存儲法、ICCG法以及非線性問題處理的Newton-Raphson法等措施，提高了計算的速度和精

4、度。 利用所編制的三維有限元軟件對E-TFM進行了磁場分析及參數(shù)的計算，得到的結果作為TFM電機性能分析和樣機制造的依據(jù)。首先根據(jù)E-TFM結構特點，建立了簡化到一對極結構的三維有限元模型，大大縮短計算時間。利用磁場分析結果對樣機局部結構及尺寸進行優(yōu)化，分析內容主要包括定子鐵心厚度、轉子磁鋼厚度、過渡鐵心徑向尺寸、氣隙長度等因素對電機性能的影響。分析結果表明，上述各值的取值在合適的范圍之內時，可以獲得較佳的性能。另外提出了電機繞

5、組匝數(shù)的確定原則，以及它對反電勢、電感的影響，并對電機的靜特性及其他主要參數(shù)進行了仿真計算。最后，設計并制造E-TFM樣機一臺，并將該樣機的主要性能、參數(shù)同普通永磁同步電機、無刷直流電機做了簡單比較，證明E-TFM具有較高的輸出力密度和有效材料利用率。試驗結果也驗證了理論的正確性。 本文對電機控制系統(tǒng)進行了數(shù)字仿真。首先，闡述了E-TFM的基本控制原理，建立了電機數(shù)學模型。然后采用場路結合法，對兩相樣機輸出特性進行了仿真，仿真結