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

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1、上海大学博十学位论文摘要由于横向磁场永磁电机具有输出力密度高、起动转矩大、低速性能好以及设计灵活等特点，成为研究开发的一个热点。但是，又因为该类电机结构复杂、加工成本高、磁场分析难度大，而且功率因数较低，因此限制了横向磁场电机的广泛应用。本文的研究工作主要是围绕一种新型结构的横向磁场永磁电机设计与研究展开的。本文提出了一种新型结构的横向磁场永磁电机，定子铁心采用E形结构，其铁心内臂、外臂和背轭在同一个平面内，可以直接由硅钢片叠压而成，这就大大降低了加工的难度和成本；针对该结构还设计出一种过渡铁心固定坏结构，可以使得过渡铁心具有较高的机械强度和定位精度。各相之间依次错丌2kx+石／Ⅳ似

2、为整数，Ⅳ为电机相数1电角度，既可以防止电机存在起动转矩死点，又能有效削弱电机自定位转矩，减小电机输出转矩脉动。建立了E．TFM等效磁网络，推导了E．TFM主要尺寸的计算公式。。E形铁心横向磁场电机磁路复杂，采用平面磁场的分析结果不够精确，需采用三维磁场进行分析。在分析三维磁场时，存在的难点就是计算时间和精度问题。本文提出将横向磁场电机电流区域作适当处理，从而使用标量磁位求解，可以比矢量磁位具有少的未知量，减少计算时间。文中系统推导了应用标量磁位对电流区域及永磁体进行处理的一般方法，以及不同坐标系下特殊形状电流区域的简化处理方法。基于标量磁位法编制出三维有限元软件，用于TFM三维磁场

3、分析。在有限元求解过程中，采用系数矩阵的非零元素存储法、1CCG法以及非线性问题处理的Newton—Raphson法等措旌，提高了计算的速度和精度。利用所编制的三维有限元软件对E．TFM进行了磁场分析及参数的计算，得到的结果作为TFM电机性能分析和样机制造的依据。首先根据E—TFM结构特点，建立了简化到一对极结构的三维有限元模型，大大缩短计算时间。利用磁场分析结果对样机局部结构及尺寸进行优化，分析内容主要包括定子铁心厚度、转子磁钢厚度、过渡铁心径向尺寸、气隙长度等因素对电机性能的影响。分析结果表明，上述各值的取值在合适的范围之内时，可以获得较佳的性能。另外提出了电机绕组匝数的确定原则

4、，以及它对反电势、电感的影响，并对电机的静特性及其他主要参数进行了仿真计算。最后，设计并制造E．TFM样机一台，并将该样机的主V上海大学博士学位论文要性能、参数同普通永磁同步电机、无刷直流电机做了简单比较，证明E．TFM具有较高的输出力密度和有效材料利用率。试验结果也验证了理论的正确性。本文对电机控制系统进行了数字仿真。首先，阐述了E—TFM的基本控制原理，建立了电机数学模型。然后采用场路结合法，对两相样机输出特性进行了仿真，仿真结果表明横向磁场电机具有起动转矩大、低速性能好的特点。最后，重点讨论了不同导通情况对电机性能的影响，并提出通过改变导通模式可以达到提高电机的功率因数，从而在

5、一定程度上改善横向磁场电机功率因数低的问题。关键词：横向磁场电机E形铁心标量磁位三维有限元法功率因数Vr海大学博士学位论文ABSTRACTTransversefluxpermanentmagnetmachine(TFMorTFPM)hastheadvantagesofhighoutputforcedensity,largestartingtorqueandgoodlowspeedperformanceaswellasdesignflexibility．SoTFMhasattractedmoreattention．Butbecauseofitscomplexstructureandma

6、gneticfield，highmanufacturecost，andlowpowerfactor,theTFM’SapplicationislimitedSOfar．ThisdissertationfocusesonthedesignandresearchonanovelTFMwithE—shapedstatorcore．AnovelstructuredTFMisdevelopedinthisdissertationwithE—shapedstatorcore．Itsinnerarm，outerarmandyokeareinthesameplaneSOthattheyCanbest

7、ackedbylaminatedsiliconsteeldirectly,whichCangreatlyreducethemanufacturedifficultyandcost．Accordingtothisstructure，aspecialringisdesignedtofastenthebridgecore，whichcartkeepthebridgecoreinpositionaccuratelyandmakeithavegoodmechanic