定子无磁轭模块化轴向永磁电机弱磁能力研究

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1、定子无磁轭模块化轴向永磁电机弱磁能力研究AnalysisoftheField-weakeningPerformanceofYokelessandSegmentedArmatureAxialFluxMotor学科专业：电气工程作者姓名：许思佳指导教师：王晓远天津大学电气自动化与信息工程学院二零一七年十一月II摘要定子无磁轭模块化轴向永磁同步电机（YokelessandSegmentedArmatureAxialFluxMotor,YASA）是一种新型轴向永磁同步电机，有定子铁耗小、绕组端部短、槽满率高等一系列优点，适用范围广，尤其是轴向尺寸有限的应用场合，如电动汽车、可再生

2、能源、飞轮储能等相关领域，其特点是定子采用无磁轭且模块化的结构，由若干个相同的小模块组成，小模块中的铁芯与极靴可由硅钢片堆叠，也可采用软磁复合材料(SoftMagneticComposites，SMC)或非晶合金等新型材料制作，绕组通过绝缘材料处理直接绕在铁心外，无磁轭结构减轻定子铁心重量，简化了电机制造工艺。轴向永磁同步电机多采用永磁体表贴式结构，电机交、直轴电感相等且数值很小，矢量控制难度巨大且永磁体有不可逆退磁的风险，同时，过度增大直轴去磁电流会导致电机损耗增加、效率降低。首先，为了对新型电机进行深入分析与优化，本文建立了定子无磁轭模块化轴向永磁同步电机的有限元仿真

3、模型，基于其特殊的磁场分布，气隙磁场方向由N极指向S极，垂直于气隙平面，不能采用类似径向磁场电机将电机磁场转化为二维电磁场进行仿真分析的方法，必须采用复杂的三维有限元仿真分析。论文简述了不同结构下的轴向永磁电机以及SMC的特性，详细分析了软磁材料对电机磁场分布的影响。其次，为了改善永磁体表贴式定子无磁轭模块化轴向永磁同步电机的弱磁性能，本文提出了一种永磁材料和软磁材料组合式新结构磁极，形成低磁阻磁路，灵活控制磁通。建立新结构下的数学解析模型，分析不同组合方式下电机的空载反电势、电磁转矩和气隙磁通，并采用有限元法对电机进行仿真分析，探究软磁材料对电机气隙磁通的影响，仿真结果

4、验证了解析分析的正确性。最终，为了合理选择转子磁极软磁部分与永磁部分的组合方式，得到最优定子无磁轭模块化轴向同步永磁电机模型，本文设计了适用于该新型电机的优化目标函数，在不影响电机基速性能的前提下使其弱磁性能最大化，具有实际研究意义。关键字：轴向永磁电机，无磁轭模块化，弱磁，软磁复合材料，组合式磁极IABSTRACTTheyokelessandsegmentedarmature(YASA)topologyisanewtypeofaxialfluxpermanentmagnetsynchronousmotor.TheYASAmotorhaslessstatorironlos

5、s,noendwindings,highfillingfactor,andawideapplicationrange,especiallytotheapplicationsofthefinitesizeofshaft.Thus,thetopologyishighlysuitedforelectricvehicles,renewableenergysystems,flywheelenergystoragesystemsandsoon.Themotorischaracterizedbythestatorstructureofyokelessandmodular,whichis

6、composedofanumberofidenticalsmallmodules.Thecoresandshoesofsmallmodulescanbemadeofsteelsheetsstacked,orothernewmaterials,suchassoftmagneticcomposites(SMC),amorphousalloy.Thewindingsarewoundontheironcorethroughtheinsulationmaterials.Theyokelessstatorcorestructurecanreducetheweightandsimpli

7、fymanufacturingprocessofthemotor.Theaxialpermanentmagnetsynchronousmotorsaremostlywithpermanentmagnetmountingstructures,whichquadratureaxisanddirectaxisinductanceareapproximatelyequalandthevaluesareverysmall.Therefore,thevectorcontrolofaxialpermanentmagnetsynchronou