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《上海大学》 2006年
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大功率聚磁式横磁通永磁电机设计及其优化技术研究

包广清  
【摘要】: 稀土永磁电机是现代材料科学、电力电子学及电工理论相结合的产物,体现着当今应用科学的许多最新成果,因而显示出广泛的应用前景和强大生命力。近年来,新的电机拓朴结构与控制方式层出不穷,尤其是横磁通永磁电机(TFPM)问世后,彻底打破了传统电机的设计方法和电源供电方式,为电力传动系统提供了全新的解决方案。由于TFPM电机结构复杂,它在小型化时不具备传统电机的尺寸优势,适宜采用多极多相结构形式,在低速、大转矩、直接驱动的工业和军事领域推广。本文在总结国内外现有TFPM电机主要研究成果的基础上,就一种新型结构大功率聚磁式横磁通永磁电机设计、分析及其控制系统进行了全面研究。 第一,提出一种新型双C结构的10.4MW聚磁式横磁通永磁电机设计。为降低加工成本,采用组合式定子结构,即电机定子由内定子铁芯、外定子铁芯和定子过渡铁芯三部分组成,具有设计新颖、工艺简单等特点,并已申请专利。同时针对该结构还设计了隔磁环固定结构,既避免了磁路间的相互影响,又可以使电机整体具有较高的机械强度和定位精度。 第二,聚磁式横磁通永磁电机是同时具有径向、周向和轴向磁通的典型三维磁场电机,需用三维场来分析,为此本文提出一种三维磁场数值计算方法——磁网络法。该方法将电流线圈等效为永磁体来处理,可以用标量磁位完整地描述场中每一点的特性,比矢量磁位减少了计算时间,具有剖分简单、收敛性好、后处理简单等优点。 第三,应用三维等效磁网络法分析了样机在不同工况下的磁场分布情况,分析了几个主要结构参数对TFPM电机力能指标的影响,从中得到一定的设计规律。另外就电磁负荷对电机功率因数的影响进行深入分析,并指出TFPM电机功率因数较传统电机偏低是其获得高转矩密度所必须付出的代价。 第四,对TFPM这一新型电机而言,进行优化设计不但可以提高设计质量,而且能够缩短设计周期。本文在深入分析标准粒子群算法(Standard ParticleSwarm Optimization-SPSO)的基础上进行改进研究,并把改进粒子群算法(Improved Particle Swarm Optimization-IPSO)与电机电磁场逆问题研究相结合,对TFPM电机进行优化设计。文中还详细介绍了TFPM电机优化模型的建立以及目标函数和优化变量的确定原则,并对不同优化方法得到的设计结果与原设计方案进行分析、比较。在不降低样机电气性能的前提下,优化后TFPM电机的转子磁钢用量和电机体积都可以显著减少,有效提高了TFPM电机的性价比。 第五,由于自定位转矩引起的转矩脉动问题使TFPM电机的速度控制特性恶化,严重影响了TFPM电机在直接电力传动系统中的广泛应用。本文充分利用TFPM各相独立的结构特点,从电机本体设计出发,提出一种新型多相(十相)聚磁式组合定子TFPM拓扑。经多相合成后,可以使部分自定位转矩相互抵消,从而减少了输出转矩脉动。 最后,论文为验证上述设计思想进行仿真研究,仿真结果验证了系统设计的正确性与合理性。因目前国内生产厂家尚无能力制造兆瓦级TFPM电机,课题组成功制造了200W和4.5kW同类型单C结构样机,本文取得的各项成果为今后大功率TFPM电机传动系统的研制、调试提供了有力参考。
【学位授予单位】:上海大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TM351

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【引证文献】
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1 包广清;郑文鹏;毛开富;;基于横磁通发电机的永磁直驱风力发电系统[J];电机与控制学报;2012年11期
2 包广清;郑文鹏;江建中;毛开富;;一种横磁通风力发电机的建模及参数优化设计[J];农业工程学报;2012年03期
3 颜建虎;林鹤云;冯奕;;磁通切换型横向磁通永磁风力发电机[J];中国电机工程学报;2010年21期
4 包广清;李战明;施进浩;;一种新型组合式横磁通永磁风力发电机[J];中国电机工程学报;2012年03期
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1 刘新华;新型磁场调制式磁性齿轮的设计研究[D];上海大学;2008年
2 张东;新型双定子永磁电机的设计与研究[D];上海大学;2008年
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1 周维正;双向交链横向磁通平板型永磁同步直线电机的基础研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
【参考文献】
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1 李亚旭;横向磁通电动机拓扑结构初析[J];船电技术;2003年01期
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3 李永斌,袁琼,江建中;一种新型聚磁式横向磁场永磁电机研究[J];电工技术学报;2003年05期
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9 李永斌,高瑾,江建中;横向磁场开关磁阻电机永磁屏蔽技术研究[J];中国电机工程学报;2003年11期
10 郑文鹏,江建中,李永斌,张东;基于三维磁网络法E型铁心横向磁场电机的设计与研究[J];中国电机工程学报;2004年08期
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1 崔巍;各相解耦永磁同步电动机设计及控制技术的研究[D];上海大学;2004年
2 郑文鹏;基于标量磁位三维有限元法新型横向磁场电机设计与研究[D];上海大学;2006年
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【共引文献】
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7 孙东森;葛宝明;毕大强;裴丽娜;;高速开关磁阻电机的电感计算与运行分析[J];北京交通大学学报;2010年05期
8 樊孝忠,柳林,任锋;汉字智能输入刍议[J];兵工自动化;1995年04期
9 于同刚;于洪敏;孙琰;;基于GASA混合优化策略的装备物资混装配载[J];兵工自动化;2005年06期
10 陈文凯;曹泽文;;基于模拟退火算法的部署图点军标自动避让[J];兵工自动化;2009年03期
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1 齐继阳;竺长安;曾议;;基于遗传禁忌混合搜索算法的设备布局研究[A];2004“安徽制造业发展”博士科技论坛论文集[C];2004年
2 冉文;全力;;车用交流伺服起动——发电集成系统的性能研究[A];第十四届中国科协年会第19分会场:电动汽车充放电技术研讨会论文集[C];2012年
3 高尚;江新姿;汤可宗;;蚁群算法与遗传算法的混合算法[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
4 孙俊清;李平;韩梅;;装卸桥调度问题及其混合智能优化算法GASA[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
5 曹浪财;罗键;;一种改进求解TSP问题智能蚂蚁算法[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
6 王应海;张好明;丁慎平;;新型永磁同步电机的计算机辅助设计及实验研究[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
7 徐耀群;何少平;;傅立叶混沌神经网络及其在优化中的应用[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
8 薛玉春;萩原一郎;张义民;;混合动力电动汽车的振动建模与仿真研究[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
9 ;An Improved Genetic Algorithm for Reactive Power Optimization[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年
10 高洁;孙鹤旭;董砚;何林;;开关磁阻电机RBF神经网络滑模控制器的设计与转矩脉动优化的研究[A];中国自动化学会控制理论专业委员会D卷[C];2011年
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1 戴运桃;粒子群优化算法研究及其在船舶运动参数辨识中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 孙明;基于小波和迟滞的混沌神经网络及其应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
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5 许爱德;开关磁阻电机在船舶电力推进中的应用研究[D];大连海事大学;2010年
6 王晋;多相永磁电机的理论分析及其控制研究[D];华中科技大学;2010年
7 梁桥康;特殊应用的多维力/力矩传感器研究与应用[D];中国科学技术大学;2010年
8 孔令启;基于内外圈协同优化策略的间歇化工过程不确定性调度研究[D];华南理工大学;2010年
9 陈军;曲线曲面的几何约束造型与近似合并[D];浙江大学;2010年
10 赵进慧;膜计算仿生优化算法及应用研究[D];浙江大学;2010年
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1 张志华;弧形直线电机伸缩门及其控制研究[D];河南理工大学;2010年
2 李坤;参数参与进化的自适应遗传算法研究[D];南昌航空大学;2010年
3 柳枝华;微粒群优化算法的改进及应用[D];南昌航空大学;2010年
4 张海峰;空间三维信息重构与飞行器路径规划[D];山东科技大学;2010年
5 肖小城;粒子群算法求解作业车间调度问题的研究[D];郑州大学;2010年
6 李跃;三维运动估计在织物动态仿真中的应用[D];浙江理工大学;2010年
7 辛贵州;无人飞行器航迹规划算法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 王博;大功率柴油机数字式电子调速器设计研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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10 闫颖;基于模拟退火和团划分的综合技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
【同被引文献】
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1 李亚旭;横向磁通电动机拓扑结构初析[J];船电技术;2003年01期
2 王群京,孙明施,李国丽,姜宏波,方凯;表面磁钢无刷直流电动机的电感计算和数字仿真研究[J];电工技术学报;2001年01期
3 李永斌,袁琼,江建中;一种新型聚磁式横向磁场永磁电机研究[J];电工技术学报;2003年05期
4 施进浩,李永斌,江建中;聚磁式横向磁场永磁电机自定位转矩研究[J];电工技术学报;2005年03期
5 刘哲民;陈谢杰;陈丽香;王秀和;唐任远;;基于3D-FEM的新型横向磁通永磁电机的研究[J];电工技术学报;2006年05期
6 包广清;江建中;;一种新型横向磁通永磁电机的建模与参数优化[J];大电机技术;2008年04期
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中国博士学位论文全文数据库 前9条
1 刘瑞芳;基于电磁场数值计算的永磁电机性能分析方法研究[D];东南大学;2002年
2 崔巍;各相解耦永磁同步电动机设计及控制技术的研究[D];上海大学;2004年
3 章跃进;旋转电机磁场计算数值解析结合法研究[D];上海大学;2005年
4 刘哲民;横向磁通永磁同步电机研究[D];沈阳工业大学;2006年
5 崔皆凡;永磁直线同步电机推力及其直接推力控制系统研究[D];沈阳工业大学;2006年
6 郑文鹏;基于标量磁位三维有限元法新型横向磁场电机设计与研究[D];上海大学;2006年
7 施进浩;新型横向磁场永磁电机设计与研究[D];上海大学;2006年
8 陶果;新型横向磁场永磁电力推进电动机的研究[D];清华大学;2007年
9 王建宽;横向磁场永磁电机及其驱动系统研究[D];上海大学;2008年
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1 张赫;集成绕组结构短行程直流平面电机的研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
2 张鲁;复合电流驱动的永磁同步平面电机基础研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 王骞;横向磁场永磁直线电机及其驱动的研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
4 陈忠松;TFLSRM牵引力直接控制[D];北京交通大学;2008年
5 薛斌峰;电动车用横向磁通式永磁直线发电机的研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
6 李鹏;初级绕组分段结构永磁直线同步电机的研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
【二级引证文献】
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1 王凤翔;;永磁电机在风力发电系统中的应用及其发展趋向[J];电工技术学报;2012年03期
2 包广清;郑文鹏;毛开富;;基于横磁通发电机的永磁直驱风力发电系统[J];电机与控制学报;2012年11期
3 包广清;刘新华;毛开富;;基于磁场调制式磁齿轮传动的永磁同步风力发电系统[J];农业机械学报;2011年05期
4 许泽刚;谢少军;毛鹏;;混合励磁磁通切换电机等效磁路模型[J];中国电机工程学报;2011年30期
5 朱婷婷;邓智泉;王宇;;并列式混合励磁磁通切换型电机及其电流矢量控制策略研究[J];中国电机工程学报;2012年15期
6 杨林;何永义;;盘式聚磁低速发电机[J];微特电机;2012年09期
7 寇宝泉;杨国龙;周维正;张赫;;双向交链横向磁通平板型永磁直线同步电机[J];中国电机工程学报;2012年33期
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1 邢敬娓;混合磁路永磁变速器的解析模型与参数特性研究[D];哈尔滨工业大学;2012年
2 汪昱;永磁开关磁链电机结构与控制的研究[D];浙江大学;2012年
3 陈进华;异向旋转双转子永磁电机研究[D];沈阳工业大学;2012年
4 冯垚径;永磁同步电动机设计关键技术与方法研究[D];华中科技大学;2012年
5 龚宇;新型双凸极记忆电机的研究[D];上海大学;2010年
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1 张军;横向磁通永磁电机涡流场及温度场计算分析[D];沈阳工业大学;2011年
2 聂雅慧;麦克斯韦力刀具伺服系统[D];天津大学;2010年
3 钱海荣;双整流器并联输出双绕组永磁同步风力发电机的研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
4 宁文飞;磁场调制式同心齿轮的设计研究[D];兰州理工大学;2012年
5 吴应军;电动汽车用直驱式轮毂电机的研究[D];武汉理工大学;2012年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李亚旭;横向磁通电动机拓扑结构初析[J];船电技术;2003年01期
2 张加胜,郝荣泰;滞环控制变流器的开关频率研究[J];电工电能新技术;1998年01期
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3 唐剑东,熊信银,吴耀武,蒋秀洁;基于改进PSO算法的电力系统无功优化[J];电力自动化设备;2004年07期
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5 陈志盛;李勇刚;;改进粒子群优化算法及其在磨削加工中的应用[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
6 马琰铭;;基于粒子群优化算法的晶体结构预测新技术及其在高压新结构研究中的应用[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
7 司维超;韩维;史玮韦;颜刚;;一种基于蜜蜂多群体觅食的粒子群优化算法[A];中国自动化学会控制理论专业委员会B卷[C];2011年
8 王群杰;齐美清;汪伟;李磊;;粒子群优化算法在波导高通滤波器设计中的应用[A];2011年全国微波毫米波会议论文集(上册)[C];2011年
9 张翔;李纲;熊伟清;;修正AHP中判断矩阵一致性的粒子群优化算法[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
10 卓永强;;船舶车舵联动协同控制最优化的研究[A];1995-2009航海技术论文选集(第1集)[C];2010年
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1 包广清;大功率聚磁式横磁通永磁电机设计及其优化技术研究[D];上海大学;2006年
2 戴运桃;粒子群优化算法研究及其在船舶运动参数辨识中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 刘波;粒子群优化算法及其在机电设备中的应用研究[D];中北大学;2011年
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6 徐星;融合热运动机制的粒子群优化算法研究及其应用[D];武汉大学;2010年
7 王大志;面向实际工程问题的粒子群优化算法应用技术的研究[D];东北大学;2009年
8 徐文星;混沌粒子群优化算法及应用研究[D];北京化工大学;2012年
9 张玮;粒子群优化算法研究及在阵列天线中的应用[D];太原理工大学;2010年
10 李丹;粒子群优化算法及其应用研究[D];东北大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 孙晶晶;粒子群优化算法的改进及其应用研究[D];陕西师范大学;2010年
2 王婧;基于粒子群优化算法的集群调度策略研究[D];中国石油大学;2011年
3 张新娟;改进粒子群优化算法及其在图像分割中的应用[D];陕西师范大学;2011年
4 刘煌;基于GA的改进粒子群算法研究及其在TSP上的应用[D];武汉理工大学;2010年
5 苗爱敏;基于动态特征的粒子群优化算法研究[D];云南大学;2010年
6 杨洋;基于粒子群优化算法的准循环LDPC码构造[D];北京交通大学;2011年
7 沈锡;基于粒子群优化算法的船舶航向PID控制[D];大连海事大学;2011年
8 刘现;蛋白质结构预测的粒子群优化算法研究[D];福建农林大学;2011年
9 王莹;基于粒子群优化算法的无功优化及规划[D];天津大学;2005年
10 马艳伟;基于粒子群优化的异构多处理器任务调度算法研究应用[D];杭州电子科技大学;2010年
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