大功率聚磁式橫磁通永磁電機(jī)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、稀土永磁電機(jī)是現(xiàn)代材料科學(xué)、電力電子學(xué)及電工理論相結(jié)合的產(chǎn)物，體現(xiàn)著當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的許多最新成果，因而顯示出廣泛的應(yīng)用前景和強(qiáng)大生命力。近年來，新的電機(jī)拓樸結(jié)構(gòu)與控制方式層出不窮，尤其是橫磁通永磁電機(jī)(TFPM)問世后，徹底打破了傳統(tǒng)電機(jī)的設(shè)計(jì)方法和電源供電方式，為電力傳動(dòng)系統(tǒng)提供了全新的解決方案。由于TFPM電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它在小型化時(shí)不具備傳統(tǒng)電機(jī)的尺寸優(yōu)勢(shì)，適宜采用多極多相結(jié)構(gòu)形式，在低速、大轉(zhuǎn)矩、直接驅(qū)動(dòng)的工業(yè)和軍事領(lǐng)域推廣。本文在

2、總結(jié)國內(nèi)外現(xiàn)有TFPM電機(jī)主要研究成果的基礎(chǔ)上，就一種新型結(jié)構(gòu)大功率聚磁式橫磁通永磁電機(jī)設(shè)計(jì)、分析及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了全面研究。 第一，提出一種新型雙C結(jié)構(gòu)的10.4MW聚磁式橫磁通永磁電機(jī)設(shè)計(jì)。為降低加工成本，采用組合式定子結(jié)構(gòu)，即電機(jī)定子由內(nèi)定子鐵芯、外定子鐵芯和定子過渡鐵芯三部分組成，具有設(shè)計(jì)新穎、工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，并已申請(qǐng)專利。同時(shí)針對(duì)該結(jié)構(gòu)還設(shè)計(jì)了隔磁環(huán)固定結(jié)構(gòu)，既避免了磁路間的相互影響，又可以使電機(jī)整體具有較高的機(jī)械強(qiáng)度

3、和定位精度。 第二，聚磁式橫磁通永磁電機(jī)是同時(shí)具有徑向、周向和軸向磁通的典型三維磁場(chǎng)電機(jī)，需用三維場(chǎng)來分析，為此本文提出一種三維磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法——磁網(wǎng)絡(luò)法。該方法將電流線圈等效為永磁體來處理，可以用標(biāo)量磁位完整地描述場(chǎng)中每一點(diǎn)的特性，比矢量磁位減少了計(jì)算時(shí)間，具有剖分簡(jiǎn)單、收斂性好、后處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 第三，應(yīng)用三維等效磁網(wǎng)絡(luò)法分析了樣機(jī)在不同工況下的磁場(chǎng)分布情況，分析了幾個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)TFPM電機(jī)力能指標(biāo)的影響，從

4、中得到一定的設(shè)計(jì)規(guī)律。另外就電磁負(fù)荷對(duì)電機(jī)功率因數(shù)的影響進(jìn)行深入分析，并指出TFPM電機(jī)功率因數(shù)較傳統(tǒng)電機(jī)偏低是其獲得高轉(zhuǎn)矩密度所必須付出的代價(jià)。 第四，對(duì)TFPM這一新型電機(jī)而言，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)不但可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，而且能夠縮短設(shè)計(jì)周期。本文在深入分析標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法(StandardParticleSwarmOptimization-SPSO)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)研究，并把改進(jìn)粒子群算法(ImprovedParticleSwarmO

5、ptimization-IPSO)與電機(jī)電磁場(chǎng)逆問題研究相結(jié)合，對(duì)TFPM電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文中還詳細(xì)介紹了TFPM電機(jī)優(yōu)化模型的建立以及目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化變量的確定原則，并對(duì)不同優(yōu)化方法得到的設(shè)計(jì)結(jié)果與原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析、比較。在不降低樣機(jī)電氣性能的前提下，優(yōu)化后TFPM電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼用量和電機(jī)體積都可以顯著減少，有效提高了TFPM電機(jī)的性價(jià)比。 第五，由于自定位轉(zhuǎn)矩引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題使TFPM電機(jī)的速度控制特性惡化，嚴(yán)重影響了T

6、FPM電機(jī)在直接電力傳動(dòng)系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。本文充分利用TFPM各相獨(dú)立的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從電機(jī)本體設(shè)計(jì)出發(fā)，提出一種新型多相(十相)聚磁式組合定子TFPM拓?fù)?。?jīng)多相合成后，可以使部分自定位轉(zhuǎn)矩相互抵消，從而減少了輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 最后，論文為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)思想進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性與合理性。因目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家尚無能力制造兆瓦級(jí)TFPM電機(jī)，課題組成功制造了200W和4.5kW同類型單C結(jié)構(gòu)樣機(jī)，本文取得的各項(xiàng)成果為