不等厚磁极Halbach永磁电机气隙磁场解析与优化设计研究

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1、工程硕士学位论文不等厚磁极Halbach永磁电机气隙磁场解析解析与优化设计研究作者姓名李凡昌工程领域电气工程校内指导教师杨向宇教授校外指导教师陈传好高级工程师所在学院电力学院论文提交日期2017年11月ResearchonAirgapMagneticFieldAnalysisandOptimalDesignofHalbachPMSMwithUnequal-thickMagnetsADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：LiFanchangSup

2、ervisor：Prof.YangxiangyuSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TM3学校代号：10561学号：201521012217华南理工大学硕士学位论文不等厚磁极Halbach永磁电机气隙磁场解析与设计优化研究作者姓名：李凡昌指导教师姓名、职称：杨向宇教授陈传好高级工程师申请学位级别：工程硕士工程领域名称：电气工程论文形式：ꇶ产品研发ꇶ工程设计√应用研究ꇶ工程/项目管理ꇶ调研报告研究方向：永磁电机设计及控制论文提交日期：2017年

3、11月10日论文答辩日期：2018年3月17日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：蔡延光委员：杨向宇赵世伟刘永强陈渊睿摘要Halbach永磁电机是一种还比较新颖的永磁电机，其永磁体阵列充磁方向连续变化。理论上整环式Halbach永磁阵列充磁变化更连续、效果更好，但受限于加工工艺，目前的Halbach永磁电机大多采用分块式永磁阵列，在传统的分块式Halbach永磁电机中，每块永磁体等厚等角度，模拟一个均匀圆环。Halbach永磁电机主要特点在于极高的气隙磁密基波幅值、良好的磁场

4、波形正弦性和强大的磁屏蔽效应。本文首先介绍了Halbach永磁电机研究的背景和意义，阐述了目前Halbach永磁电机的应用领域和主要研究情况，分析了Halbach永磁电机的结构拓扑、性能优势以及主流的优化方向，提出了从采用不等宽且不等厚的磁极来优化Halbach电机性能的方案。然后，本文对比了传统Halbach永磁电机与不等厚磁极Halbach永磁电机的结构和性能差异，基于电机设计理论和给定的性能指标设计了一台不等厚磁极Halbach永磁电机。在设计过程中分析了重要参数和电机主要尺寸的选取原则和计算方法，经

5、过初步计算和核算给出了详细的设计结果。完成样机设计后，本文基于电磁场理论和保角映射理论对留有极间隔断的不等厚磁极Halbach永磁电机气隙磁密解析分布以及齿槽转矩、波形畸变率解析进行了推导，利用设计的样机参数进行有限元仿真，对比有限元法和解析法的结果验证了解析模型的准确性。随后本文将永磁体的结构优化简化为角度比和厚度比两个变量的选取，利用验证后的解析模型设计对照实验，详细分析了这两个变量对三个主要优化目标的单独影响，并讨论了电机设计中多目标优化的原则。最后，本文设计了一套遗传算法，通过对各个优化目标的权重设

6、定将对多目标优化问题转化为对目标函数的单目标优化问题，对该电机的永磁体结构设计进行了优化，通过仿真实验结果对比验证了在永磁体用量相同情况下不等厚磁极Halbach永磁电机相对传统永磁电机的性能优越性，为不等厚磁极Halbach永磁电机的后续研究提供了较好的理论基础。关键字：Halbach永磁电机；不等厚磁极；解析法；遗传算法IAbstractHalbachpermanentmagnetsynchronousmotor(PMSM)isarelativelynewkindofPMSMwhosemagnetiza

7、tiondirectionofmagnetarraychangecontinuously.Theoretically,awhole-ringHalbachpermanentmagnetarrayhasabettereffectonthegradualchangeofmagnetizationdirection.However,HalbachPMSMmostlyadoptsablock-typepermanentmagnetarrayduetotheimmatureprocessingtechnology.I

8、nthetraditionblock-typeHalbachPMSM,Eachpieceofpermanentmagnetsequalthicknessandangletosimulateauniformmagnetring.HalbachPMSMischaracterizedbyaveryhighair-gapmagneticfluxamplitude,goodmagneticfieldwaveformsine