無(wú)齒槽高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)參數(shù)計(jì)算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究.pdf

1、高速永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有功率密度大、幾何尺寸小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，在高速運(yùn)行場(chǎng)合具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，高速狀態(tài)下的永磁電機(jī)磁場(chǎng)交變頻率很高，定子鐵耗大，發(fā)熱嚴(yán)重，齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的控制精度。本文結(jié)合軟磁鐵氧體高磁導(dǎo)率、高電阻率、低成本的特點(diǎn)，將其用作高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的定子鐵心，同時(shí)采用定子無(wú)齒槽結(jié)構(gòu)，可以有效地降低鐵耗并徹底消除齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。本文主要圍繞該種電機(jī)的結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)分布、優(yōu)化設(shè)計(jì)

2、及控制系統(tǒng)等方面展開研究。
　　 首先，基于軟磁鐵氧體高磁導(dǎo)率、高電阻率的特點(diǎn)，將軟磁鐵氧體磁環(huán)作為電機(jī)定子鐵心，轉(zhuǎn)子采用釹鐵硼永磁磁環(huán)，構(gòu)成無(wú)齒槽電機(jī)結(jié)構(gòu)，并對(duì)該種電機(jī)的內(nèi)部磁場(chǎng)進(jìn)行了深入分析。一方面，通過(guò)分析無(wú)齒槽電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的分布特點(diǎn)，指出該種電機(jī)在大有效氣隙內(nèi)的磁場(chǎng)分布很不均勻，繞組的感生電動(dòng)勢(shì)與導(dǎo)體位置有關(guān)。因此，本文引入了無(wú)齒槽結(jié)構(gòu)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的解析計(jì)算，推導(dǎo)了該種電機(jī)的繞組感生電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)與有限元計(jì)算結(jié)果及實(shí)測(cè)值進(jìn)

3、行比較，證明了該計(jì)算方法的正確性，為該類電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供理論依據(jù)。另一方面，由于無(wú)齒槽結(jié)構(gòu)電機(jī)的有效氣隙很大，導(dǎo)致端部漏磁嚴(yán)重，本文利用三維有限元分析了電機(jī)的端部磁場(chǎng)，指出端部漏磁對(duì)靠近端部的氣隙磁場(chǎng)影響嚴(yán)重，進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮這一因素的影響。
　　 其次，由于定子繞組電感對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的工作特性有較大影響，而無(wú)齒槽結(jié)構(gòu)的永磁無(wú)刷直流電機(jī)氣隙很大，端部漏磁場(chǎng)嚴(yán)重，加上其較長(zhǎng)的端部線圈，導(dǎo)致電機(jī)端部漏感較大，傳統(tǒng)電機(jī)繞

4、組電感的計(jì)算方法已不適用，因此，本文采用能量法計(jì)算了定子繞組直線部分電感，從電磁場(chǎng)基本理論出發(fā)，推導(dǎo)了端部漏感的計(jì)算方法。通過(guò)與有限元計(jì)算結(jié)果及實(shí)測(cè)結(jié)果的比較，證明了本文所推導(dǎo)的繞組電感計(jì)算方法是正確的，為準(zhǔn)確研究無(wú)齒槽結(jié)構(gòu)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁性能提供了有力依據(jù)。
　　 再次，由于定子軟磁鐵氧體飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低(約0.4T)而轉(zhuǎn)子釹鐵硼永磁材料工作點(diǎn)較高，必需通過(guò)定轉(zhuǎn)子尺寸的合理匹配才能使它們達(dá)到各自的最佳工作點(diǎn)，因此定轉(zhuǎn)子

5、尺寸的合理匹配是該類電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。本文首先在相繞組感生電動(dòng)勢(shì)解析計(jì)算的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了電機(jī)功率密度的解析計(jì)算表達(dá)式，由此說(shuō)明電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)其功率密度的大小具有重要影響。然后，以電機(jī)單位體積的功率密度最大為目標(biāo)，將電機(jī)定子內(nèi)徑和永磁體外徑作為優(yōu)化變量，構(gòu)建電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化模型，利用遺傳算法確定電機(jī)定轉(zhuǎn)子尺寸，從而得到該類電機(jī)定轉(zhuǎn)子尺寸匹配設(shè)計(jì)的基本方法。最后，利用Matlab仿真和有限元仿真兩種方法進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，表明電機(jī)優(yōu)化后軟磁鐵