軸向磁場磁通切換永磁電機的設計、分析及控制研究.pdf

1、軸向磁場磁通切換永磁(Axial Field Flux-Switching Permanent Magnet，簡稱AFFSPM)電機是一種新結(jié)構(gòu)的軸向磁場電機，該結(jié)構(gòu)電機結(jié)合了軸向磁場永磁電機和磁通切換永磁電機的優(yōu)點，具有軸向尺寸短、體積小、功率密度和轉(zhuǎn)矩密度高等特點，適合用于風力發(fā)電和電動汽車等領域。本文以三相AFFSPM電機為研究對象，在分析其基本工作原理的基礎上，對AFFSPM電機的設計理論、定子拓撲結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、電磁特性、

2、齒槽轉(zhuǎn)矩削減和控制策略等一系列關(guān)鍵理論和技術(shù)問題進行了深入的研究，并根據(jù)分析結(jié)果，研制了AFFSPM樣機，設計了電機控制系統(tǒng)硬件電路，搭建了實驗平臺并對樣機進行了實驗研究。
　　論文主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　推導了AFFSPM電機的功率尺寸方程，根據(jù)功率方程，提出了AFFSPM電機的初始設計方案，并基于三維有限元模型，比較分析了平行永磁平行槽(PPPS)定子結(jié)構(gòu)、平行齒平行槽(PTPS)定子結(jié)構(gòu)和平行齒平行永磁(P

3、PPT)定子結(jié)構(gòu)電機在初始參數(shù)下的電磁特性。
　　分析了電機結(jié)構(gòu)參數(shù)對三種定子結(jié)構(gòu)AFFSPM電機電磁特性的影響，綜合考慮感應電動勢、齒槽轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩，優(yōu)化了三種定子結(jié)構(gòu)電機的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)，比較了結(jié)構(gòu)優(yōu)化后三種定子結(jié)構(gòu)電機的電磁特性，確定了適用于電動汽車的AFFSPM樣機結(jié)構(gòu)和參數(shù)并制造了樣機。
　　建立了三相AFFSPM電機的三維有限元計算模型，計算了PPPS結(jié)構(gòu)電機的靜態(tài)特性，主要包括永磁磁場和電樞磁場分布、氣隙磁密

4、、永磁磁鏈、感應電動勢、電感、齒槽轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩等，并對樣機進行了實驗研究，分析比較了有限元計算結(jié)果和樣機實驗結(jié)果，驗證了設計方法的有效性和正確性。
　　研究了AFFSPM電機的齒槽轉(zhuǎn)矩。根據(jù)AFFSPM電機的結(jié)構(gòu)特點，分析了轉(zhuǎn)子斜極對不同定子結(jié)構(gòu)電機齒槽轉(zhuǎn)矩的影響和削減作用。對于PPPS結(jié)構(gòu)電機，重點研究了轉(zhuǎn)子齒面開設輔助槽和定子U型齒間加導磁橋等齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法。對于轉(zhuǎn)子齒面開設輔助槽方法，基于DOE法優(yōu)化了輔助槽槽口寬度、槽

5、口深度和輔助槽扇形角，得到了最優(yōu)的輔助槽結(jié)構(gòu)。
　　建立了AFFSPM電機在定、轉(zhuǎn)子坐標系下的數(shù)學模型。根據(jù)AFFSPM電機的靜態(tài)特性分析，將電機永磁磁鏈、空載感應電動勢、電感等特性表示為正弦函數(shù)，在此基礎上，建立了AFFSPM電機在定子靜止坐標系和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程。
　　分析了AFFSPM電機的矢量控制策略，基于MATLAB/Simulink軟件建立了AFFSPM電機控制系統(tǒng)的仿真模型并進行了