论文总字数：29747字

摘 要

磁通反向电机（flux reversal machine，FRM）兼具开关磁阻电机和永磁电机的优点，永磁置于定子上，方便散热，而凸极转子结构简单，鲁棒性强，因此在低速直驱和高速运行方面具有良好的应用前景，近几年受到了广泛的关注。但传统FRM由于自身结构问题，永磁漏磁较严重，转矩脉动较高。

本文将“非对称定子永磁极”的设计理念融入FRM的结构设计中，提出了一种新型非对称FRM。与传统对称FRM相比，非对称FRM主要不同之处在于永磁体的排布形式，由传统FRM对称的“NS-NS-NS-NS”排布变为不对称的“N-SNS-N-SNS”排布。本文所提出的非对称FRM较之传统结构具有永磁漏磁少和参与转矩产生的磁密谐波多的优点，进而可以获得更高转矩能力和更低转矩脉动。

本文的主要研究工作包括：1）分析了新型非对称FRM的工作原理，并基于JMAG 15.1建立了电机的二维有限元模型，进行电磁仿真分析；2）选取主要结构参数作为变量，以平均转矩最大和转矩脉动最小为优化目标，通过遗传算法进行优化，确定了12定子槽/17转子齿非对称FRM的最优结构参数，并分别分析单个结构参数对平均转矩的影响规律；3）将12/17极传统对称FRM和新型非对称FRM的电磁性能进行了对比研究，研究表明新型非对称FRM的电磁性能较之传统结构显著提升；4）制造了一个12定子槽/17转子齿的新型非对称FRM样机以验证电磁设计的可行性。

关键词：磁通反向电机（flux reversal machine, FRM），永磁电机，定子永磁，非对称，电磁设计

Abstract

Flux reversal machines (FRMs) combine the advantages of switched reluctance machines and permanent magnet machines. The permanent magnets (PMs) are placed on the stator, which can facilitate heat dissipation. In addition, the salient pole rotor has the merits of structural simplicity and strong robustness. Therefore, the FRM is suitable for low-speed direct-drive systems and high-speed applications. However, due to its own structural problems, the conventional FRMs generally suffer from serious PM flux leakage and large torque ripple.

In this thesis, the design concept of "asymmetric stator PM pole" is extended to the design of FRMs. The proposed FRM has different PM arrangement with the conventional FRM, of which the PM arrangement is symmetric such as “NS-NS-NS-NS”, while that of the proposed FRM features an asymmetric configuration such as “N-SNS-N-SNS”. The proposed asymmetric FRM has the merits of low flux leakage and effective field harmonics contributing to the torque production, and hence achieving a larger average torque and a lower torque ripple than the conventional FRM.

The major research works of the thesis include: 1) the working principle of the proposed FRM is analyzed, and the two-dimensional finite element model of the proposed FRM is built and investigated by JMAG 15.1; 2) the main geometric parameters are selected as variables, and the maximum average torque and the minimum torque ripple are selected as the optimization target. Through the optimization of the genetic algorithm, the optimal design parameters of the 12-stator-slot/17-rotor-tooth FRM are obtained. In addition, the influence rule of each geometric parameter on the average torque is analyzed; 3) the electromagnetic characteristics of the 12/17-pole conventional and proposed FRMs are compared. It shows that the proposed asymmetric FRM can achieve the performance improvement compared to the conventional counterpart; 4) a 12-stator-slot/17-rotor-tooth FRM prototype is manufactured to verify the feasibility of the electromagnetic design analyses.

KEY WORDS: Flux reversal machine (FRM), permanent magnet machine, stator permanent magnet, asymmetry, electromagnetic design

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 永磁电机 1

1.3 开关磁阻电机 1

1.4 磁通切换型电机 2

1.5 传统磁通反向电机 2

1.5.1 磁通反向电机的起源 2

1.5.2 传统磁通反向电机的结构和原理 3

1.5.3 磁通反向电机的国内外研究现状 4

1.5.4 磁通反向电机的应用前景 6

1.6 本文主要工作 6

第二章 新型非对称磁通反向电机的结构和原理 7

2.1 新型非对称磁通反向电机的基本结构 7

2.2 新型非对称磁通反向电机的工作原理 7

2.3 本章小结 10

第三章 新型非对称磁通反向电机的设计参数优化 11

3.1 JMAG软件及有限元电磁仿真分析 11

3.1.1 JMAG软件 11

3.1.2 有限元电磁分析 11

3.2 转子齿数选取 11

3.3 设计参数全局优化 14

3.4 单一参数对转矩能力的影响 18

3.4.1 裂比优化 18

3.4.2 定/转子槽口比例系数优化 19

3.4.3 定子齿宽优化 20

3.4.4 定子齿极靴优化 21

3.4.5 永磁体厚度优化 22

3.4.6 转子齿优化 23

3.5 本章小结 24

第四章 传统和新型非对称磁通反向电机的电磁性能对比 25

4.1 空载磁链和相反电动势 25

4.1.1 空载磁链 25

4.1.2 相反电动势 26

4.2 永磁磁动势和气隙磁密 27

4.2.1 永磁磁动势 27

4.2.2 气隙磁密 28

4.3 转矩性能 29

4.3.1 转矩-电流角特性 29

4.3.2 稳态转矩 30

4.3.3 转矩-电流特性 30

4.4 功率因数 31

4.5 本章小结 31

第五章 新型非对称磁通反向电机实验研究 33

5.1 样机和实验平台 33

5.2 空载反电动势实验 34

5.3 本章小结 35

第六章 总结与展望 36

6.1 总结 36

6.2 展望 36

参考文献 37

致 谢 39

绪 论

引言

电机作为电能生产、输送和应用过程中的能量转换装置，在电力行业、工、农业、交通运输业、国防及日常生活等方面都是十分重要的设备。电机用途广泛，种类很多。按照能量转换职能来分，可分为发电机和电动机，前者将机械功率转换为电功率，后者将电功率转换为机械功率。按照电枢电流种类，电机可分为直流电机和交流电机。电机的结构和功能在一代又一代的科研工作者的努力下，不断发生着变化。近些年，作为永磁电机和开关磁阻电机结合体的磁通反向电机（flux reversal machine，FRM），以其独特的优势和广阔的应用前景而逐渐进入电机学者的视野中。

永磁电机

为了建立电机机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法。一种是在电机绕组内通电流来产生磁场，即电励磁；另一种是由永磁体（permanent magnet，PM）来产生磁场，采用这种励磁方式的电机即为永磁电机。永磁电机的发展与永磁材料的发展密切相关，从最初的天然磁铁矿石，到碳钢、钨钢、钴钢，到铝镍钴永磁和铁氧体永磁，再到如今的稀土永磁，每一次的优质永磁材料的发现与应用，都会大大促进永磁电机的发展。与传统电励磁电机相比，永磁电机具有结构简单、运行可靠、转矩密度高、效率高等显著优点^[1]。

开关磁阻电机

开关磁阻电机（switched reluctance machine，SRM），通常作为电动机运行和功率变换器以及转子位置检测器等共同组成为SRM调速系统^[2]。SRM基本结构图如图1-1所示，其定、转子都是由硅钢片叠压而成，转子上不仅没有绕组，也没有永磁体，结构简单，适于高速运行。然而，SRM由于其凸极转子的结构，转子表面周向呈现周期性起伏，故当转子旋转到不同位置时，某一固定轴线上磁路的磁阻不同。其定子齿上通常缠绕集中绕组，径向相对的两个绕组串联起来，成为一相，并通以一定脉宽的直流开关脉冲。SRM的极数和相数可以设计成多种不同的组合。相数越多，步距角越小，转矩脉动越小。但是，随着相数的增多，电机几何结构也将变得更为复杂，这对设计制造提出了更高的要求，同时向SRM定子绕组供电所需的开关器件也将增多，这也会显著地增加成本。所以，目前应用比较多的是四相（8/6）结构和三相（12/8）结构。SRM工作遵循“磁阻最小原理”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而转子铁心在移动到磁阻最小的位置时，必定会使自己的主轴线与磁场的轴线重合。因此按一定顺序和间隔给定子每一相绕组通电，即可带动SRM的转子旋转。SRM具有高机械可靠性、高容错性、制造简单和成本低等优点，在纺织工业、风力发电、采矿业、家电行业等多方面得到了广泛的应用，但同时也有控制复杂、转矩密度较低、转矩脉动较大、噪声和振动较大等缺点。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：29747字