基于標(biāo)量磁位三維有限元法新型橫向磁場電機(jī)設(shè)計與研究.pdf

1、由于橫向磁場永磁電機(jī)具有輸出力密度高、起動轉(zhuǎn)矩大、低速性能好以及設(shè)計靈活等特點(diǎn)，成為研究開發(fā)的一個熱點(diǎn)。但是，又因?yàn)樵擃愲姍C(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)的廣泛應(yīng)用。本文的研究工作主要是圍繞一種新型結(jié)構(gòu)的橫向磁場永磁電機(jī)設(shè)計與研究展開的。 本文提出了一種新型結(jié)構(gòu)的橫向磁場永磁電機(jī)，定子鐵心采用E形結(jié)構(gòu)，其鐵心內(nèi)臂、外臂和背軛在同一個平面內(nèi)，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(jié)構(gòu)還設(shè)計出一種過渡鐵心固定環(huán)結(jié)構(gòu)，可以使得過渡鐵心具有較高的機(jī)械強(qiáng)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(jī)相數(shù))電角度，既可以防止電機(jī)存在起動轉(zhuǎn)矩死點(diǎn)，又能有效削弱電機(jī)自定位轉(zhuǎn)矩，減小電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動。建立了E-TFM等效磁網(wǎng)絡(luò)，推導(dǎo)了E-TFM主要尺寸的計算公式。 E形鐵心橫向磁場電機(jī)磁路復(fù)雜，采用平面磁場的分析結(jié)果不夠精確，需采用三維磁場進(jìn)行分析。在分析三維磁場時，存在的難點(diǎn)就

3、是計算時間和精度問題。本文提出將橫向磁場電機(jī)電流區(qū)域作適當(dāng)處理，從而使用標(biāo)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(dǎo)了應(yīng)用標(biāo)量磁位對電流區(qū)域及永磁體進(jìn)行處理的一般方法，以及不同坐標(biāo)系下特殊形狀電流區(qū)域的簡化處理方法。基于標(biāo)量磁位法編制出三維有限元軟件，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(jìn)行了磁場分析及參數(shù)的計算，得到的結(jié)果作為TFM電機(jī)性能分析和樣機(jī)制造的依據(jù)。首先根據(jù)E-TFM結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了簡化到一對極結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，大大縮短計算時間。利用磁場分析結(jié)果對樣機(jī)局部結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)行優(yōu)化，分析內(nèi)容主要包括定子鐵心厚度、轉(zhuǎn)子磁鋼厚度、過渡鐵心徑向尺寸、氣隙長度等因素對電機(jī)性能的影響。分析結(jié)果表明，上述各值的取值在合適的范圍之內(nèi)時，可以獲得較佳的性能。另外提出了電機(jī)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(jī)的靜特性及其他主要參數(shù)進(jìn)行了仿真計算。最后，設(shè)計并制造E-TFM樣機(jī)一臺，并將該樣機(jī)的主要性能、參數(shù)同普通永磁同步電機(jī)、無刷直流電機(jī)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(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了理論的正確性。 本文對電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)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(jī)數(shù)學(xué)模型。然后采用場路結(jié)合法，對兩相樣機(jī)輸出特性進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)