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基于Halbach阵列盘式无铁心永磁同步电机的研究

王晓远  
【摘要】:盘式无铁心永磁同步电机作为一种现代高性能伺服电机和大力矩直接驱动电机,具有重量轻、体积小、结构紧凑、转子涡流损耗小、转动惯量小,机电时间常数小、转矩/重量比大、低速运行平稳、可以制成多气隙组合式结构进一步提高转矩等特点,在数控机床、机器人、电动车、电梯、家用电器等场合具有广阔的应用前景。 本课题是国家863计划项目《高性能稀土永磁电机技术集成及关键材料》(2004AA32G080)的研究内容之一,对新型结构钕铁硼永磁电机——盘式无铁心永磁同步电动机进行设计与集成技术研究。 本论文提出了一种新型电机—基于Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电动机,并对这种电机进行了磁场分析和计算,针对该电机永磁体和电枢的加工工艺进行了分析。接着从电机优化设计的角度出发,提出了一种新型的基于Halbach阵列楔形气隙盘式无铁心永磁同步电动机,该电机通过改变气隙结构以进一步提高盘式无铁心永磁同步电机的气隙磁密,达到提高电机性能的目的,并针对这种电机进行建模和电磁场分析计算。还提出了一种新型的基于Halbach阵列的多盘式无铁心永磁同步电动机,通过电磁场分析以及工艺方面的研究,多盘式永磁同步电机最后采用了单元电机组合式的结构。 由于此类电机的特殊结构,决定了盘式无铁心永磁同步电动机的气隙磁场属于三维开域磁场,如何确定三维开域场的边界条件和对计算结果进行有效的处理也是课题的研究重点。在处理复杂的三维开域电磁场的计算时,通过大量有限元的仿真分析确定了求解区域,简化了计算。 盘式无铁心永磁同步电动机在结构上与普通永磁电动机有很多不同之处,与传统的电机参数计算相比,有很多计算方法都不相同。结合已有的关于盘式电机和永磁电机的参数计算方法以及三维磁场的计算结果,经反复公式推导,归纳出基于Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电机的设计计算方法,并以场路结合的方法对电机进行优化设计,总结出优化设计规律,并最后编制出了一套电磁设计计算的CAD软件。 针对所研究电机自身的特点,结合具体应用中的限制因素,制定了适用于该类电机的设计规则。成功地研制出了高性能的基于Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电机。在保证电气性能和机械可靠性的前提下,优化选择此电机的气隙长度,确定永磁材料的体积、厚度,尽可能地提高了钕铁硼永磁材料的利用率。最后制作工艺上,整/半轴的加


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