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《河北工业大学》 2016年
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软磁复合材料铁芯永磁电机新型拓扑结构及优化设计研究

刘成成  
【摘要】:本文以新型软磁复合材料为基础,通过对现有软磁复合材料铁芯永磁电机进行研究,对具有不同拓扑结构的软磁复合材料铁芯电机进行分析和比较,对软磁复合材料铁芯永磁电机的设计方法进行总结,提出了软磁复合材料铁芯电机的主要设计原则。对具有不同磁通路径结构的软磁复合材料铁芯电机进行比较,本文表明了在不同的尺寸要求场合下有其各自适用类型的电机的结论。本文研究了多种软磁复合材料铁芯横向磁通,爪极电机的齿槽转矩抑制方法。针对软磁复合材料具有适用于设计低制造成本电机的优点,本文提出了六种使用铁氧体永磁和软磁复合材料铁芯设计的同时具备低制造成本和低材料成本特点的新型电机拓扑结构。本文使用多物理场优化设计方法和多层优化设计方法对软磁复合材料铁芯永磁电机进行了优化设计。本文对实验室阶段制造软磁复合材料铁芯的常用方法进行了分析和比较,阐明了使用手动模模压制造软磁复合材料铁芯的主要优点及流程。主要研究内容如下:1、本文提出软磁复合材料铁芯电机的主要设计原则。以软磁复合材料和软磁复合材料铁芯电机的主要拓扑结构及特点为基础,定性分析和比较了五种不同拓扑结构的软磁复合材料铁芯永磁电机,使用尺寸方程法推导了径向磁通电机,轴向磁通电机和横向磁通电机的电磁转矩与主要铁芯尺寸的关系。使用有限元法定量分析和比较了软磁复合材料铁芯横向磁通电机和爪极电机的磁场,电磁参数和电机性能。研究结果表明,在轴向长度直径比较大的场合中,爪极电机具有最佳的性能;当忽略电机的端部绕组时,轴向磁通电机和径向磁通电机具有相同的转矩密度与电机铁芯尺寸关系。2、本文对软磁复合材料铁芯爪极电机和横向磁通电机的齿槽转矩抑制进行了研究。首先阐述了永磁电机的齿槽转矩的产生机理,主要计算方法及主要抑制方法。通过使用傅里叶分析法,本文表明了偏移转子永磁或者定子模块一定的角度能够有效抑制爪极电机和横向磁通电机的齿槽转矩。针对软磁复合材料铁芯的爪极电机和横向磁通电机的结构特点,本文使用有限元法对多种能够抑制其齿槽转矩的其它方法进行了优化,并对优化后的电机的电磁性能进行了比较。研究结果表明,转子磁极分块偏移法是最为有效的减小爪极电机的齿槽转矩的方法。3、本文对成本软磁复合材料铁芯永磁电机的新型拓扑结构径向了研究。针对目前常使用稀土钕铁硼永磁设计软磁复合材料铁芯永磁电机使电机具有总体材料成本过高的缺点,本文提出了使用低成本铁氧体永磁材料来设计软磁复合材料铁芯永磁电机的新方法。就使用低成本铁氧体永磁材料设计低成本软磁复合材料铁芯永磁电机进行了理论研究。本文比较了具有不同转子结构的内转子式软磁复合材料铁芯爪极电机的性能,提出并研究了双转子聚磁式结构软磁复合材料铁芯轴向磁通永磁电机、轴向磁通软磁复合材料铁芯爪极电机、三维横向磁通磁通切换软磁复合材料铁芯永磁电机、三维径向磁通磁通切换软磁复合材料铁芯永磁电机、三维轴径向磁通软磁复合材料铁芯永磁电机。研究结果表明,这六种使用铁氧体永磁体设计的软磁复合材料铁芯永磁电机的新型电机拓扑结构均具有较高的电机性能价格比。4、本文对软磁复合材料电机的新型优化方法进行了研究。针对目前软磁复合材料永磁电机优化设计方法中存在的一些不足,如仅对电磁性能进行优化和优化所需时间较长的问题,本文提出了使用多物理场优化方法和多层优化方法对软磁复合材料铁芯永磁电机进行优化以使得电机的优化结果更符合实际需求。研究结果表明,本文提出的优化算法很好的解决了上述问题。5、本文对软磁复合材料铁芯的制造工艺进行了研究。分析了软磁复合材料铁芯电机在商业化大规模生产中所用的自动模压法及其相比硅钢片铁芯电机其所具备的优点。分析了线切割法制造软磁复合材料铁芯的缺点,提出需使用自动模压法制造软磁复合材料铁芯。研究结果表明,手动模模压法制造的软磁复合材料铁芯具有和自动模模压法的制造的软磁复合材料铁芯同样的性能。
【关键词】:软磁复合材料铁芯 永磁电机 齿槽转矩 有限元法 电机拓扑结构 多物理场优化 多层优化设计 制作方法
【学位授予单位】:河北工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM351
【目录】:
  • 摘要4-6
  • ABSTRACT6-13
  • 第一章 绪论13-29
  • 1.1 课题的研究背景及意义13-14
  • 1.2 永磁电机及其驱动14
  • 1.3 永磁同步电机分类14-23
  • 1.3.1 永磁同步交流电机和永磁同步直流电机15-16
  • 1.3.2 转子式永磁同步电机16-20
  • 1.3.3 定子式永磁同步电机20-22
  • 1.3.4 径向磁通、轴向磁通、横向磁通永磁同步电机22-23
  • 1.4 永磁同步电机中常用材料23-26
  • 1.4.1 软磁材料23-25
  • 1.4.2 硬磁材料25-26
  • 1.5 永磁同步电机设计方法26-27
  • 1.6 本文的主要研究内容27-29
  • 第二章 软磁复合材料及软磁复合材料铁芯永磁电机29-60
  • 2.1 引言29
  • 2.2 软磁复合材料29-33
  • 2.3 软磁复合材料电机33-41
  • 2.4 软磁复合材料铁芯电机的定性比较41-43
  • 2.5 轴向磁通、径向磁通、横向磁通电机转矩能力比较43-48
  • 2.5.1 横向磁通电机44-45
  • 2.5.2 轴向磁通电机45
  • 2.5.3 径向磁通电机45-46
  • 2.5.4 横向磁通、轴向磁通、径向磁通电机转矩能力比较46-48
  • 2.6 外转子爪极电机和横向磁通电机定量比较48-59
  • 2.6.1 爪极电机和横向磁通电机的功率方程49-50
  • 2.6.2 三维有限元数值分析50-51
  • 2.6.3 电磁参数分析51-53
  • 2.6.4 损耗分析53
  • 2.6.5 电机性能预测53-55
  • 2.6.6 实验验证55-58
  • 2.6.7 外转子爪极电机和横向磁通电机比较58-59
  • 2.7 本章小结59-60
  • 第三章 软磁复合材料铁芯爪极电机和三维横向磁通电机的齿槽转矩抑制研究60-88
  • 3.1 引言60
  • 3.2 齿槽转矩60-64
  • 3.2.1 齿槽转矩计算及分析方法61-63
  • 3.2.2 常用齿槽转矩抑制方法63-64
  • 3.3 横向磁通电机和爪极电机齿槽转矩分析64-65
  • 3.4 爪极电机齿槽转矩抑制65-82
  • 3.4.1 爪极形状和尺寸66-72
  • 3.4.2 转子磁极分块偏移72-77
  • 3.4.3 磁极轴向匹配77-79
  • 3.4.4 磁极整体偏移79-81
  • 3.4.5 爪极电机齿槽转矩抑制方法比较81-82
  • 3.5 横向磁通电机齿槽转矩优化设计82-87
  • 3.5.1 转子磁极尺寸82-83
  • 3.5.2 转子磁极偏移角度83-84
  • 3.5.3 齿槽转矩优化设计84-87
  • 3.5.4 横向磁通电机齿槽转矩抑制方法小结87
  • 3.6 本章小结87-88
  • 第四章 低成本软磁复合材料铁芯永磁电机研究88-137
  • 4.1 引言88-89
  • 4.2 使用软磁复合材料和铁氧体永磁设计磁路的特点89-91
  • 4.3 各种不同转子结构的爪极电机研究91-98
  • 4.3.1 不同转子结构的爪极电机的拓扑结构92
  • 4.3.2 三维有限元分析92-95
  • 4.3.3 性能比较95-98
  • 4.3.4 实验验证98
  • 4.3.5 本节小结98
  • 4.4 双转子聚磁结构轴向磁通电机研究98-104
  • 4.4.1 双转子聚磁轴向磁通电机的结构及运行原理99-101
  • 4.4.2 电磁参数分析101-103
  • 4.4.3 性能分析103-104
  • 4.4.4 本节小结104
  • 4.5 轴向磁通爪极电机研究104-110
  • 4.5.1 轴向磁通爪极电机拓扑结构104-105
  • 4.5.2 三维有限元分析105-107
  • 4.5.3 性能分析107-110
  • 4.5.4 本节小结110
  • 4.6 三维横向磁通磁通切换永磁电机研究110-119
  • 4.6.1 三维横向磁通磁通切换永磁电机的结构及主要尺寸111-112
  • 4.6.2 三维磁场分析及电磁参数计算112-116
  • 4.6.3 电磁性能分析116-119
  • 4.6.4 本节小结119
  • 4.7 三维径向磁通磁通切换永磁电机研究119-128
  • 4.7.1 三维径向磁通磁通切换永磁电机的拓扑结构和运行原理119-121
  • 4.7.2 三维磁场及电磁参数分析121-125
  • 4.7.3 性能分析125-128
  • 4.7.4 本节小结128
  • 4.8 三维轴径向磁通电机研究128-135
  • 4.8.1 轴径向磁通电机的拓扑结构和其主要尺寸参数128-130
  • 4.8.2 磁场分析及电磁参数计算130-133
  • 4.8.3 铁芯损耗分析133-135
  • 4.8.4 性能分析135
  • 4.8.5 本节小结135
  • 4.9 本章小结135-137
  • 第五章 软磁复合材料铁芯永磁电机优化设计研究137-162
  • 5.1 引言137-138
  • 5.2 多层优化设计方法在软磁复合材料铁芯电机中的应用138-154
  • 5.2.1 多层优化设计方法138-139
  • 5.2.2 参数敏感度分析法139-143
  • 5.2.3 软磁复合材料铁芯爪极电机优化设计143-145
  • 5.2.4 参数敏感度分析145-151
  • 5.2.5 多层优化设计方法结果分析151-153
  • 5.2.6 本节小结153-154
  • 5.3 多物理场优化设计方法在软磁复合材料铁芯电机中的应用154-160
  • 5.3.1 多物理场分析154-158
  • 5.3.2 多物理场优化设计158
  • 5.3.3 多物理场优化分析结果158-160
  • 5.3.4 本节小结160
  • 5.4 本章小结160-162
  • 第六章 软磁复合材料铁芯电机的铁芯制造工艺研究162-179
  • 6.1 引言162-166
  • 6.2 实验室阶段的软磁复合材料铁芯制造方法166-168
  • 6.2.1 线切割法制造软磁复合材料铁芯电机的铁芯166-167
  • 6.2.2 手动钢模模压制造软磁复合材料铁芯167-168
  • 6.3 手动模具设计原理168-169
  • 6.4 三维横向磁通磁通切换永磁电机手动模模具设计及铁芯压制过程169-175
  • 6.4.1 三维横向磁通磁通切换永磁电机主要电磁结构169-171
  • 6.4.2 转子模具设计及转子铁芯压制171-173
  • 6.4.3 定子模具设计及定子铁芯压制173-175
  • 6.5 爪极永磁电机手动模模具设计及铁芯压制过程175-178
  • 6.5.1 爪极永磁电机拓扑结构175-176
  • 6.5.2 爪极电机定子模具及铁芯压制176-178
  • 6.6 铁芯烧结178
  • 6.7 本章小结178-179
  • 第七章 结论179-182
  • 7.1 本文的工作总结179-180
  • 7.2 本文主要创新点180-181
  • 7.3 需要进一步研究的工作181-182
  • 参考文献182-194
  • 攻读博士学位期间所取得的相关科研成果194-196
  • 致谢196

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