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盘式无铁心永磁同步电机磁场分析及磁钢结构优化

作　者: 闫杰
导　师: 王晓远
学　校: 天津大学
专　业: 电机与电器
关键词: 盘式永磁电机无铁心 Halbach阵列磁场优化
分类号: TM341
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

盘式永磁同步电动机是一种性能优越、但结构特殊的电动机。作为一种理想的驱动装置,其应用范围遍及航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。本文利用稀土永磁材料钕铁硼的高矫顽力,提出了一种省却了铁心的双转子、单定子结构盘式无铁心永磁同步电机,进一步减轻了电机的质量并消除转矩脉动。对电机的设计、性能预测都离不开电机电磁场的计算。不同于传统的圆柱式径向磁通电机,盘式无铁心电机是轴向磁通电机,外加其无铁心的结构,决定了该电机的磁场呈三维、开域分布。对它的电磁场分析,不能采用对待径向磁通电机的化为二维磁场的分析方法。本文研究的重点内容分为两部分: (1)在盘式无铁心永磁同步电机的结构上,建立其磁场三维模型,由三维有限元法计算三维电磁场,分析计算结果,并总结出盘式无铁心永磁同步电机的磁场分布规律。(2)在磁场计算的基础上,将Halbach型永磁体阵列的理论应用到磁钢设计中来,提出磁钢结构优化方案,研究出适合于盘式无铁心永磁同步电机的磁钢结构,以获得理想的磁场波形和磁密值。本文首先从磁路计算的方法入手,通过磁路计算分析出盘式无铁心永磁同步电机的磁场分布特点。其后直接运用三维有限元法求解该电机的电磁场,分析计算结果。为了获得低漏磁、高气隙磁密值、正弦形的气隙磁场分布,本文先后提出普通轴向充磁磁钢结构、不等厚轴向充磁磁钢结构并将Halbach阵列的理论应用到盘式无铁心永磁同步电机的磁刚结构优化中,讨论了三种不同角度的Halbach型永磁体阵列。最后为了简化磁钢的加工工艺,将不等厚永磁体阵列与Halbach永磁体阵列相结合,提出了最经济、有效的改进型Halbach永磁体阵列,给出具体磁钢尺寸,并运用ANSYS软件对各种磁钢结构产生的磁场进行结果仿真。

全文目录

第一章绪论  7-13
  1．1 盘式永磁同步电动机的研究概况  7-9
    1．1．1 盘式永磁同步电动机的优越性和发展概况  7-8
    1．1．2 盘式永磁同步电机磁场分析的发展概况  8-9
  1．2 国内外研究现状  9-10
  1．3 本课题的研究意义  10-11
  1．4 本课题的主要研究内容  11-13
第二章盘式无铁心永磁同步电动机基本模型及磁路分析  13-28
  2．1 盘式永磁同步电动机的主要结构及其特点  13-16
  2．2 双转子单定子盘式无铁心永磁同步电动机  16-28
    2．2．1 基本结构及其运行基本原理  16-17
    2．2．2 永磁体的选择和磁极加工  17-18
    2．2．3 磁钢结构——Halbach 阵列的概念  18-20
    2．2．4 盘式无铁心永磁同步电机主磁路分析  20-23
    2．2．5 盘式无铁心永磁同步电机的基本电磁关系和主要尺寸关系  23-28
第三章盘式无铁心永磁同步电机内部的电磁场  28-38
  3．1 电机电磁场的基本理论  28-35
    3．1．1 电机电磁场的数理基础  29-30
    3．1．2 求解麦克斯韦方程的辅助位函数及其方程  30-33
    3．1．3 恒定磁场的边界条件  33-35
  3．2 盘式无铁心永磁同步电机的电磁场特点及其数学模型  35-36
  3．3 盘式无铁心永磁同步电机电磁场的求解  36-38
    3．3．1 求解电机电磁场问题的数学方法  36-37
    3．3．2 分析盘式无铁心永磁同步电机磁场的具体方法  37-38
第四章盘式无铁心永磁同步电机电磁场特性三维有限元分析  38-52
  4．1 针对盘式无铁心永磁同步电机电磁场的三维有限元基本理论  38-41
  4．2 盘式无铁心永磁同步电机电磁场的三维有限元分析  41-45
    4．2．1 电机基本尺寸及磁钢结构  41-42
    4．2．2 盘式无铁心永磁同步电机的电磁场三维有限元模型  42-45
  4．3 磁场仿真结果及其分析  45-52
    4．3．1 应用 ANSYS 的磁场三维有限元计算及结果仿真  45-48
    4．3．2 应用轴向充磁磁钢的盘式无铁心电机仿真结果及结论  48-52
第五章盘式无铁心永磁同步电机磁极优化研究  52-62
  5．1 不等厚轴向充磁磁极结构研究及结果仿真  52-53
  5．2 应用 Halbach 永磁体阵列结构的磁钢研究及结果分析  53-62
    5．2．1 三种不同结构 Halbach 永磁体阵列的磁钢及磁场仿真  53-58
    5．2．2 结果分析及比较  58-60
    5．2．3 改进 Halbach 永磁体阵列的研究  60-62
第六章结论  62-64
参考文献  64-67
发表论文及参加科研情况的说明  67-68
致谢  68

盘式无铁心永磁同步电机磁场分析及磁钢结构优化

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