（机械设计及理论专业论文）新型横向磁通永磁电机研究.pdf

1 1 1 111 1i i iii tl li ii l y 17 5 7 9 3 3 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特i i i i 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：五j 至丝杰日期： 丝! ! ：2 ：呈 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 毛气正贼日期：垄o 、弓、y 日期：望，口二兰罗 北京邮电大学硕士学位论文 新型横向磁通永磁电机研究 摘要 横向磁通永磁电机同时具备良好的低速特性、高转矩密度和高功 率密度的特点，在许多低速大转矩应用领域具有广阔的应用前景，特 别是在电动机车、轮船军舰、航空航天、风力发电等领域的电力驱动 方面。本文以横向磁通永磁电机为研究对象，提出了一种新型横向磁 通永磁电机，分别利用磁路解析法和电磁场有限元方法对电机参数进 行分析，论文的主要研究成果如下： 提出了新型横向磁通永磁电机的结构：表面式永磁体转子结构和 硅钢片叠加与卷绕式定子结构。根据横向磁通永磁电机的结构，给出 新型电机的运行原理。推导出电机定、转子以及绕组参数与电机输出 转矩和转矩密度的关系，得出合理选择电机结构尺寸参数的方法。 建立了电机等效磁路结构模型。为了简化磁路模型，忽略定子铁 心磁阻，得出电机空载磁路简化结构模型。根据磁路简化结构模型， 给出电机空载主磁通、空载感应电动势以及空载电感参数的求解方法。 采用a n s y s 有限元分析软件建立了电机的三维有限元模型并对 三维模型进行网格划分。通过给定不同的绕组电流大小和定、转子位 置，对电机求解模型进行计算，得出磁通密度分布、磁场强度分布、 电机输出转矩以及电感参数结果。有限元方法分析结果表明，本文所 提出的电机结构设计合理并具有较高的性能。 分析了对新型横向磁通永磁电机功率因素、转矩密度以及电机中 各电磁参数之间的制约关系，得出进一步提高横向磁通电机性能的方 法。针对这种新型横向磁通永磁电机的结构，给出了详细的电机主要 部件加工制造方法。 关键词：横向磁通永磁电机功率因素转矩密度有限元分析 北京邮电人学硕士学位论文 北京邮电大学硕士学位论文 r e s e a r c h0 nan o v e lt r a n s v e r s ef l u x p e rm an e n tm a g 卜压tm o t o r a b s t r a c t t r a n s v e r s ef l u xp e r m a n e n tm a g n e t m o t o r ( t f p m ) h a sg o o d c h a r a c t e r i s t i c sw i t hl o w - s p e e d ，h i g ht o r q u e d e n s i t ya n dh i g hp o w e r d e n s i t y t f p mh a sb r o a da p p l i c a t i o nf i e l d se s p e c i a l l yi nt h ef i e l do f e l e c t r i cd r i v e ss u c ha sm o t o rv e h i c l e s ，s h i p s ，w a r s h i p s ，a e r o s p a c ea n d w i n dp o w e rm o t o re t c t h i sp a p e rp r e s e n t san e wt y p eo ft r a n s v e r s ef l u x p e r m a n e n tm a g n e tm o t o r , a sw e l la sa n a l y s e st h em o t o r p a r a m e t e r su s i n g m a g n e t i c c i r c u i tm e t h o da n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h e m a i n c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： an e wt y p eo ft f p m ，w i t hs u r f a c e t y p ep e r m a n e n tm a g n e tr o t o r s t r u c t u r ea n ds i l i c o ns t e e ls t a t o rs t r u c t u r e ，w a sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h e n e ws t r u c t u r eo ft r a n s v e r s ef l u xp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r , t h em o t o r s o p e r a t i n gp r i n c i p l ew a sg i v e n t ：b i sp a p e ra l s od e d u c e st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h em o t o rt o r q u ed e n s i t ya n ds t a t o r , r o t o ra sw e l la sw i n d i n g p a r a m e t e r s ，a n dc o m e st oar e a s o n a b l em e t h o do fd e s i g n i n gm o t o rs i z e p a r a m e t e r s as t r u c t u r em o d e lo fm o t o r e q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i tw a sc r e a t e d i nt h i sp a p e r i no r d e rt os i m p l i f yt h em a g n e t i cc i r c u i tm o d e l ，as i m p l i f i e d s t r u c t u r em o d e lo fm o t o re q u i v a l e n t m a g n e t i cc i r c u i tw a sg i v e nb y i g n o r i n gt h es t a t o rc o r er e l u c t a n c e m o r e o v e r , t h es o l v i n gm e t h o do f n o l o a dm a i nm a g n e t i cf l u x ，n o 1 0 a di n d u c e de l e c t r o m o t i v ef o r c ea n d n o - l o a di n d u c t a n c ew a sg i v e nb a s e do nt h es i m p l i f i e ds t r u c t u r em o d e l at h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h em o t o rw a sc r e a t e d a n dt h em o d e l 鲥dd i v i s i o nw a sd o n eu s i n ga n s y sf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r e a c c o r d i n gt od i f f e r e n tw i n d i n gc u r r e n tv a l u e sa n d d i f f e r e n tp o s i t i o n so fs t a t o ra n dr o t o r , t h em o t o rm a g n e t i cf l u xd e n s i t y d i s t r i b u t i o n ，m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yd i s t r i b u t i o n ，t h eo u t p u tt o r q u ea n d 北京邮电人学硕士学位论文 i n d u c t a n c e p a r a m e t e r w e r e g i v e nt h r o u g hc a l c u l a t i n g t h et h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t ss h o w t h a tt h en e wm o t o rs t r u c t u r ei sr e a s o n a b l e t h ec o n s t r a i n tr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nm o t o rp o w e rf a c t o r , t o r q u e d e n s i t ya n dt h em o t o re l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r sw e r ea n a l y z e da n dt h e w a y st oi m p r o v em o t o rp e r f o r m a n c ew e r eg i v e n i nr e s p o n s et ot h i sn e w t y p eo ft r a n s v e r s ef l u xp e r m a n e n tm a g n e tm o t o rs t r u c t u r e ，t h ed e t a i l e d m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s i n go ft h em a i nc o m p o n e n t so ft h em o t o rw a s g i v e n k e yw o r d s ：t r a n s v e r s ef l u xp e r m a n e n tm a g n e tm o t o rp o w e rf a c t o r t o r q u ed e n s i t y f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 北京邮电大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究现状6 1 3 新型永磁电动机的提出一7 1 4 本文研究内容一8 第二章新型横向磁通永磁电机的结构设计9 2 1 新型电机结构选取的基本思路。9 2 2 新型电机的基本结构9 2 3 新型电机的运行原理1 3 2 4 电机的结构尺寸参数的选择1 4 2 5 本章小结1 8 第三章新型横向磁通永磁电机磁路分析。1 9 3 1 新型电机磁路设计与分析1 9 3 1 1 新型电机空载磁路结构1 9 3 1 2 新型电机空载主磁通求解2 2 3 1 3 新型电机负载磁路结构2 3 3 2 空载感应电动势及其电感参数求解2 3 3 3 本章小结2 4 第四章新型横向磁通永磁电机的电磁场分析2 5 4 1 电磁场有限元法基本原理2 5 4 2 基于有限元分析的参数计算2 6 4 2 1 磁通和磁链的计算。2 6 4 2 2 气隙磁通密度径向分量的分布2 7 4 2 3 电感参数的计算2 7 北京邮电人学硕士学位论文 4 2 4 电磁转矩的计算2 7 4 2 5 电机损耗计算2 8 4 3 新型电机的三维有限元模型2 9 4 3 1 三维有限元模型的建立2 9 4 3 2 三维模型电机材料的选择一3 2 4 3 3 三维模型网格划分一3 3 4 3 4 有限元计算条件的求解3 5 4 4 三维有限元计算结果与分析3 6 4 4 1 磁通密度分布3 7 4 4 2 磁场强度分布3 8 4 4 3 电机输出转矩。3 8 4 4 4 电感参数求解j 4 2 4 4 5 电机感应电动势求解4 3 4 4 6 电机额定性能分析4 4 4 5 本章小结4 5 第五章新型电机的性能分析及其加工工艺4 7 5 1电机性能特性分析4 7 5 1 1电机功率因数分析。4 7 5 1 2电机转矩密度分析4 9 5 2 新型电机的加工工艺s 0 5 2 1 转子加工工艺5 0 5 2 2 定子加工工艺5 0 5 3 本章小结5 2 第六章结论s 3 参考文献5 5 致谢s 7 作者攻读学位期间发表的学术论文目录5 9 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论弟一早瑁了匕 电机作为一种机电能量转换装置，是电能的生产、输送、变换和应用中的核 心设备，不仅在国民经济各行各业中发挥着重要作用，而且在人们日常生活中的 应用也日益广泛。随着电动车、磁悬浮列车和舰船电力推动等大功率电气传动技 术的发展，人们对低速、高转矩密度、直接驱动电机的要求日益迫切【i 捌。 在传统的电机结构中，磁通经过的齿部和定子绕组所在的槽占同一截面，磁 力线所在平面平行于电机的旋转方向，槽的宽度与齿部宽度互相制约。如果需要 流过较大的电流，就需要较大的线圈截面空间，齿的宽度就受到影响( 由于饱和 的作用，会使磁通减小) ；反之亦然。如果齿宽和槽宽同时增大，则会增大电机 的半径，使电机的转矩密度降低。因此，输出转矩难以得到根本的提高。 横向磁通永磁电机采用独特的结构，解决了上述矛盾，具有较高的转矩密度。 横向磁通永磁电机是由德国不伦瑞克理工大学h e r b e r tw e h 教授和他的合作者在 1 9 8 6 年提出的【2 训。横向磁通( t r a n s v e r s ef l u x ) 电机结构，对提高电机的功率密 度和转矩密度具有重要意义。随着相关理论、方法、材料等相关技术的发展，横 向磁通永磁电机逐渐引起研究者的广泛关注。 定干 绕组 图1 1横向磁通永磁电机 所谓横向磁通永磁电机( t r a n s v e r s ef l u xp e r m a n e n tm a c h i n e ，简称t f p m ) ，是 相对于传统结构的径向磁通和轴向磁通电机而言，目前还没有统一的、严格的定 义。可以通过简单结构电机主磁路中的闭合磁力线对二者进行描述。在传统结构 的电机中，磁力线所在平面平行于电机的旋转方向。如图1 1 所示为典型的聚磁 北京邮电大学硕士学位论文 结构横向磁通电机，它采用了双边结构，永磁体均匀地分布在转子表面，相邻的 永磁体极性相反，磁通在u 形定子铁心内，磁力线所在平面垂直于电机的旋转 方向。 当定子线圈通电时，u 形定子元件中会产生径向和轴向磁场，通过定子元件 的一个齿部到转子，再到另一个齿部，形成了磁力线回路。可以等效地把定子的 两个齿部看成是两个不同的磁极，根据同性相斥、异性相吸的原理，定子磁场和 转子永磁体产生的磁场相互作用，使转子转动。当转子每转过一个极距时，只要 相应地改变线圈中的电流方向，就可以使转子连续运转。 横向磁通永磁电机的每相绕组环绕所有u 形定子铁心，定子齿槽结构和电 枢线圈在空间上互相垂直，因而铁心尺寸和通电线圈的大小互相独立，在一定范 围内可以任意选取，这是横向磁通永磁电机的优势所在。由于定子各相之间没有 耦合，便于设计为多相结构，具有良好的控制特性。同时由于横向磁通永磁电机 具有较高的转矩密度，在相同转矩情况下，它的体积和重量相对于传统结构电机 较小。 横向磁通永磁电机的特点是可以获得高的转矩密度，但同时也有很多问题有 待进一步研究。目前，世界上公认的横向磁通永磁电机存在两个问题，成为横向 磁通永磁电机研究开发的难点和焦点。其一是结构复杂、工艺性差，不适于工业 生产，阻碍了横向磁通永磁电机的推广应用；其二是目前的横向磁通永磁电机功 率因数普遍较低，造成驱动系统容量增大、成本增加。 横向磁通永磁电机同时具备高转矩密度和高效率的特点，在许多低速大转矩 应用领域受到关注，特别是在车、船等运输工具的电力驱动方面降7 】。同时相对 于传统结构电机，横向磁通永磁电机既节约原材料又节约能源，因此具有重要的 研究意义。 目前，各发达国家竞相开发横向磁通永磁电机，并且取得了一些阶段性的进 展。我国对横向磁通永磁电机的研究刚刚起步。在这种形势下，为了推动我国横 向磁通永磁电机的研发工作，使横向磁通永磁电机尽快应用于各领域，促进国民 经济的发展和技术进步，国家将横向磁通永磁电机的研究列入了国家高技术研究 发展计划。 ， 1 2 国内外研究现状 随着稀土永磁材料的问世，其高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁 曲线的优异磁性能特别适合于制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历 史时期。我国的稀土资源丰富，稀土矿石和稀土永磁材料的产量都居世界前列。 北京邮电人学硕士学位论文 因此，充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机 为代表的各种永磁电机，对实现我国社会主义现代化建设具有重要的理论意义和 实用价值【2 ，8 1 。 由于横向磁通永磁电机具有很高的转矩密度，相同转矩情况下，它的体积和 重量是传统结构电机的几分之一，并且具有很高的效率，特别适用于车、船等的 电力直接驱动。国内外对不同类型的横向磁通永磁电机展开了研究工作，根据不 同的目标和用途，已在不同研究方向取得了进展，并研制出各种类型的样机【蛇1 1 。 1 2 1 国外研究现状 1 ) 劳斯莱斯公司( r o l l s - r o y c e ) 英国皇家海军在1 9 9 7 年3 月与英国劳斯莱斯国际研究与发展公司签订了一 项研制2 m w 横向磁通电动机的3 年期4 0 0 万英镑的合同，其目的是为永磁推进 系统建立一个用于舰船上的2 0 m w 、18 0r m i n 的横向磁通电动机提供参考。 图1 - 22 m w 横向磁通电机结构 图1 2 是劳斯莱斯公司横向磁通电机的结构示意图，由文献 9 介绍这是 一台圆柱面气隙两相同轴排列开关磁阻电机，其设计参数为2 m w ，1 9 5 h z ， 3 0 8 r m i n ，电机重量为1 3 t ，外形尺寸为1 4 7 5 m x1 5 m x1 5 5 m 。 图1 3 是劳斯莱斯公司横向磁通电机改进的结构示意图f 6 】，由于c 形铁心两 端需要与不同极性磁极对应，因此必须扭斜一个极距。这种形状的铁心不能由硅 钢片制成，只能由软铁经机械加工或由粉末软磁复合材料s m c 压制而成。这两 种材料的磁性能都比硅钢片差，软铁的涡流损耗比较高，s m c 软磁复合材料的 磁导率只有硅钢片的1 0 【1 6 1 。 3 北京邮电大学硕士学位论文 图1 - 3 横向磁通电机改进型结构 2 ) 英国南安普敦大学( s o u t h a m p t o nu n i v e r s i t y ) n d u 醴 图1 4 英国南安普敦大学电机样机示意图 英国南安普敦大学电机是单边结构横向磁通永磁电机【l ，采用外转子结构， 如图1 4 所示。气隙外部不需要安装绕组的空间，在同样气隙面积情况下，电机 外径和体积较小。定子内部液体冷却，散热好，便于选择较大的电磁负荷以获得 大的转矩密度。定子线圈绕制简便，易于机械绕制。但外转子结构不易与被驱动 机械进行联接，该设计用机械结构进行了转换，结构较为复杂。同时外转子圆筒 与驱动轴同心度的加工精度要求高。 3 ) 丹麦阿尔伯格大学( a a l b o r gu n i v e r s i t y ) 4 北京邮电人学硕+ 学位论文 图1 5 丹麦阿尔伯格大学样机 丹麦阿尔伯格大学研制的横向磁通永磁电机采用“e ”型铁心结构，为目前已 知的极数最少的横向磁通电动机，它更适合于转速相对较高的汽车等直接驱动场 合，如图1 5 所示。锤”形铁心结构其铁心可以由硅钢片叠制，采用了小线圈环 绕每个磁极，制造简便。该样机由2 3 蚝叠片铁心和0 7 5 k g 铜组成，转速为1 0 0 0 r r a i n 时转矩大于4n m ，效率高于7 0 。 4 ) 瑞典皇家技术学院( r o y a li n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 图l 一6 瑞典皇家技术学院电机样机示意图 瑞典皇家技术学院横向磁通永磁电机样机的结构如图1 6 所示。此结构将三 相布置在同一圆周上，定子三相共用一个转子，每一相的定子磁路和绕组各占据 1 2 0 0 的扇形区域，转子上的磁极没有采用聚磁式结构，适用于功率较小的场合。 该电机结构易于加工，但其线圈安装工艺性较差。 s 北京邮电人学硕士学位论文 5 ) 德国亚琛技术学院( a a c h e n ) 图1 7 德国亚琛技术学院样机结构示意图 如图1 7 所示为德国亚琛技术学院样机结构示意图。此结构为典型外转子聚 磁结构，其机械结构特点与英国南安普敦大学样机相似，但其定子铁心形状复杂， 加工难度较大。 1 2 2 国内研究现状 1 ) 上海大学( s h a n g h a iu n i v e r s i t y ) 光电管 编码盘 图1 - 8 上海大学样机结构示意图 如图1 8 所示是上海大学研制的两相新型横向磁通永磁电机的结构示意图 1 7 - 1 8 1 。该横向磁通永磁电机的定子采用了组合式定子结构形式，即定子铁心由外 定子铁心、内定子铁心和定子过渡铁心三部分组合而成，其中内、外定子铁心与 转轴平行放置，并且错开半个极距，过渡铁心呈环形与转轴垂直放置，与内、外 两个定子铁心相连形成闭合磁路。转子由铁心冲片和永磁磁钢组合而成，采用双 边聚磁结构。 北京邮电人学硕十学位论文 2 ) 沈阳工业大学( s h e n y a n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y ) 电机结构示意图电机样机实物图 图1 - 9 沈阳工业大学横向磁通永磁电机 在国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 的支持下，沈阳工业大学特种电机研究 所对横向磁通永磁电机进行了广泛的研究，如图1 - 9 所示为沈阳工业大学开发的 横向磁通永磁电机【1 9 】。该电机采用定子单边结构、卷绕式定子铁心、内置式聚 磁式转子结构，结构简单，易于制造。文献表明，该样机的功率因素达到了0 8 ， 处于国际先进水平。 除此以外，清华大学、华中科技大学等科研单位也对横向磁通永磁电机进行 了相关的研究与探索【2 睨1 1 。但就整体研究水平而言，我国在这方面的研究处于起 步阶段，与国外的先进研究水平还有很大的差距。 1 3 新型永磁电动机的提出 横向磁通永磁电机是矛盾的统一体，主要体现在制造工艺性与转矩密度及功 率因数的矛盾。结构简单的电机性能指标较低，但较易制造；性能指标高的电机 结构复杂，加工工艺困难。目前已有的各种不同结构的横向磁通电机在不同的方 面各有特点，并没有简单的优劣之分。要想提高横向磁通永磁电机的性能，需要 从电机结构、铁心材料、加工制造工艺三个方面去改进。因此，在现有的加工工 艺水平下，应该主要从电机结构设计和铁心材料两个方面进行深入研究。 在结构方面，目前国内外的横向磁通永磁电机，定子结构基本上都采用在圆 周方向均匀分布的方式，每两个定子铁心之间存在较大的间隙，因而在一定程度 上造成了空间浪费。鉴于此，导师提出将定子做成一体的想法，同时通过计算选 择合适的齿形与壁厚，进而使磁力线所通过的面积近似相等。采用这种思路，可 7 北京邮电大学硕十学位论文 以有效地减小电机的尺寸，但同时也增加了加工、制造、装配工艺上的困难。 在铁心材料方面，目前横向磁通电机的定子一般为软铁、硅钢片或者软磁复 合材料( s m c ) 。由硅钢片叠压制成的定子铁心，制造简便、工艺性较好，要求 定子形状规则且磁力线方向在同一平面内，但工作频率受限制；采用s m c 软磁 复合材料制成的定子铁心可以定向三维磁通，涡流损耗小，适用于高频电机，但 饱和磁感应强度和最大磁导率较低。为了获得较高的气隙磁密，转子上的永磁体 采用聚磁式分布方式，材料可以选择钕铁硼。 在现有的加工工艺水平和铁心材料的情况下，应该主要从电机结构设计进行 深入研究。因而，本文提出的横向磁通永磁电机的研究主要集中在：采用硅钢片 作为定子铁心，重点研究转矩密度、功率因素同电机结构参数的关系，研制出一 种高转矩密度、高功率密度、高效率同时加工工艺简单的新型横向磁通永磁电机。 1 4 本文研究内容 目前国内对于横向磁通永磁电机的研究还很少，本文以横向磁通永磁电机为 研究对象，利用电磁场的基本理论和电磁场有限元计算工具，对新型高性能横向 磁通永磁电机进行研究，计划主要研究内容如下： 通过对横向磁场结构的电机特点进行分析，结合现有的各种结构型式横 向磁通永磁电机，提出一种新结构型式的横向磁通永磁电机。 设计新型横向磁通永磁电机的基本结构，分析电机的运行原理，同时对 于电机的尺寸参数的选取进行详细分析。 建立新型横向磁通永磁电机的磁路解析模型。由于横向磁通永磁电机的 北京邮电人学硕士学位论文 第二章新型横向磁通永磁电机的结构设计 目前，世界上公认的横向磁通永磁电机存在两个问题，成为横向磁通永磁电 机研究开发的难点和焦点【2 2 】。其一是结构复杂、工艺性差，不适于工业生产， 阻碍了横向磁通永磁电机的推广应用；其二是目前的横向磁通永磁电机功率因数 普遍较低，造成驱动系统容量增大、成本增加。同时，如何进一步提高横向磁通 永磁电机的转矩密度和功率密度也是研究的重点。 2 1新型电机结构选取的基本思路 横向磁通永磁电机是矛盾的统一体，主要体现在制造工艺性与转矩密度及功 率因数的矛盾。结构简单的电机性能指标较低，但较易制造；性能指标高的电机 结构复杂，加工工艺困难。目前已有的各种不同结构的横向磁通电机在不同的方 面各有特点，并没有简单的优劣之分。 。 要想提高横向磁通永磁电机的性能，需要从电机结构、铁心材料、加工制造 工艺三个方面去改进。因此，在现有的加工工艺水平和铁心材料的情况下，应该 主要从电机结构设计进行深入研究。 目前，国内外的横向磁通永磁电机，定子结构基本上都采用在圆周方向均匀 分布的方式，每两个定子铁心之间存在较大的间隙，因而在一定程度上造成了空 间浪费，同时也增加了电机的漏磁，使电机的功率因数降低。 鉴于此，本文提出将定子做成一体的想法，同时通过计算选择合适的齿形与 壁厚，进而使磁力线所通过的面积近似相等。采用这种思路，可以有效地减小电 机的外径尺寸，降低电机的漏磁通，同时定子结构加工工艺较为简单，在一定程 度上缓解了加工、制造、装配工艺上的困难。 本文采用叠加的硅钢片作为定子铁心，重点研究转矩密度、功率因素同电机 结构参数的关系，旨在研制出一种高转矩、高功率、高效率同时加工工艺简单的 新型横向磁通永磁电机。 2 2 新型电机的基本结构 新型横向磁通永磁电机主要是为直接电力驱动服务，需要在性能上满足电力 驱动的需求，通常工作在较低转速的场合。假设电机的额定转速设定在2 5 0r m _ i n 左右，以我国交流电源的工作频率5 0 w 为电机的额定频率，则可将电机的极对 9 北京邮电人学硕士学位论文 数为p = 1 2 。 结合3 1 节的电机结构选取的基本思路，新型横向磁通永磁电机的基本结构 为：电机定子采用硅钢片作为铁心，采用硅钢片叠加的方法；电机转子采用硅钢 作为铁心，铁心上面均匀地分布着永磁体。采用这种结构方案简化了定、转子结 构，而采用这种定子结构有利于提高电机的性能。 新型横向磁通永磁电机的定子结构和现有横向磁通电机的u 形定子均匀分 布结构有所不同，定子铁心采用硅钢片作为材料，由左、中、右三部分配合而成。 左、右部分定子铁心采用圆形硅钢片叠加并经机械加工制造而成，内部形状为等 径、对称的齿形，外部形状为一个圆锥面；中间部分采用硅钢片沿轴向缠绕成薄 壁桶状，并加工生成与左、右部分定子铁心相配合的圆锥面。电机的定子结构图 如图2 1 、2 2 、2 3 所示： 左 中右 图2 1 电机定子结构分布图 图2 - 2 电机定子磁极剖视图 右部 北京邮电人学硕士学位论文 一 图2 3 电机定子结构组合图 电机的线圈绕组形状为缠绕成一体的圆环，圆环外径大小等于定子铁心中间 部分的内径大小，线圈镶嵌在定子铁心当中。由于定子铁心采用硅钢片进行叠加， 线圈通电时，磁力线沿着硅钢片的方向分布，因而电机的涡流损耗较低。绕组的 结构示意图如图2 4 所示： 爹罗鼹? 瀑孥缀哪删黟 魏 爹 一一，茹釜一一 o j 0 k _ ，。，矗；， 0 。，。“。襁：鬈一。! 。一。一羹 鲁，i ，二- j | ? 。；，。：，。 一一。2 i ，t l 豫 图2 4 电机线圈绕组前视图与右侧视图 电机转子由永磁体和转子铁心组成。其中，转子铁心采用硅钢作为材料，永 磁体采用性能优良的钕铁硼。为了简化转子结构，本文设计的电机转子采用表面 式结构，永磁体均匀地分布在转子铁心上，相邻的永磁体呈现不同的极性。转子 铁心为外径设有多个u 型凹槽的薄壁圆筒状构件，多个条状永磁体均匀地紧固 在转子铁心外径的各个u 型凹槽中，组成表面式结构的转子，与该电机的定子 1 l ；蕊，一 k ? ；貔 北京邮电火学硕士学位论文 相配合。转子铁心以及转子结构示意图如图2 5 、2 - 6 所示： n s 图2 5 转子铁心示意图 图2 6 转子结构示意图 采用图2 - 6 所示的转子结构，磁路从永磁体s 极出发，经过转子铁心到达永 磁体n 极，转子铁心为公用磁路。由于永磁体均匀地分布在转子表面上，且曾 对称分布，因而每一对磁极经过转子铁心的磁路面积占转子铁心横截面积的2 p 分之一( p 表示定子磁极对数) 。 采用这种定、转子结构可以有效地减小电机的外径和体积，提高了电机的转 矩密度；定子是由硅钢片叠加而成，磁力线沿着硅钢片方向分布，降低了电机定 子铁心的涡流损耗：同时由于定子轭部为一整体结构，不存在间隙，因而在一定 程度上降低了电机的漏磁，提高了功率因数。电机的一相定、转子整体结构图如 图2 7 、2 8 所示( 红色、绿色永磁体极性相反) 。 北京邮电大学硕士学位论文 2 - 7 定、转子结构立体图2 - 8 定、转子结构轴向视图 2 3 新型电机的运行原理 上面所叙述的定转子结构模块只是其中的一相( 即m = 1 ) ，若该电机要产生 恒定转矩，其相数至少大于等于2 ，即沿轴向平行安放至少大于或等于2 个定转 子结构模块。转子通过键连接的方式定位在转子轴上，各个模块的转子相位相同， 但每相定子铁心相互要错开一定的电角度。电机相数不同错开的电角度也不同， 错开的电角度大小口与电机的相数所的关系为： 口：望( 2 1 ) 口= 一 l z lj ，以 本文以三相( m = 3 ) 电动机为例，简单介绍其工作原理：当m = 3 时，电动 机定子铁心结构的各相之间在圆周方向相差1 2 0 0 电角度。当电机的一相绕组通 以正弦交流电时，电流产生的磁场与永磁体产生的磁场相互作用，两个分布磁场 之间试图对齐的趋势产生转矩，将转子磁极沿一定的方向拉向与定子齿相一致的 位置。 当某一相定子齿的中心线( 圆周方向) 与转子永磁体的中心线重合时，该相 产生的转矩为零。此时，另外两相的定子齿的中心线( 圆周方向) 与相应的转子 磁极相差1 2 0 0 电角度和2 4 0 0 电角度，相应的定子电流产生的磁场会继续与转子 永磁体磁极相互作用，拉动转子继续向相应的方向运动，产生恒定的电磁转矩。 三相电机的运行示意图如图2 - 9 所示： 北京邮电大学硕士学位论文 图2 - 9 三相电机的运行不意图 如图2 - 9 三相电机的运行示意图表示：此时1 相电机的定子磁极正对转子上 永磁体的n 极，2 相定子和3 相定子磁极相对应的位置从图中可以看出，与l 相 电机的定子磁极相差1 2 0 0 电角度和2 4 0 0 电角度。电机运转过程中任意时刻至少 有两相定转子模块产生作用力，电机的输出转矩可以采用电机相数乘以每相的平 均输出转矩求得。 这种电机结构设计具有很大的灵活性，电动机的相数变更时，电动机的定、 转子模块结构不需要作改动，只需要选择相应的定、转子模块数，然后相应的位 置关系组装起来即可，方便根据需要对电动机进行设计与调整。对于多相的电机 结构，其基本运行原理与三相电机类似。 2 4 电机的结构尺寸参数的选择 新型横向磁通永磁电机的结构形式与普通径向结构的电机存在较大差异，在 电机的基本结构尺寸确定方法上也有所不同。确定了电机的基本结构形式以后， 需要根据设计要求，结合电机本身的结构特点确定电机的基本结构尺寸。本文参 考普通三相交流电机的设计过程，并结合电机本身的结构特点进行修正。 由于新型横向磁通永磁电机的各相之间相互独立，电机的计算电磁功率可以 表示为： p = m 日( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中m 为电机的相数，e 为绕组的相电动势，为绕组的相电流。 设定电机共有p 对磁极，则绕组的相电动判2 3 1 可以表示为： e = 4 k , f p n ( 2 3 ) 式( 2 - 3 ) 中k 为气隙磁场波形系数( 方波时，如= 1 ；正弦波时，k = 1 1 ) ， 厂为电流工作频率，为绕组匝数，为每极磁通。 1 4 一 f；，l一 北京邮电大学硕士学位论文 每极磁通的求解公式如下： 西= 易彳= b a a 罢乙 ( 2 4 ) l p 式( 2 - 4 ) 中伤气隙磁通密度，么表示磁力线通过磁极的面积或每个永磁体 的表面积，乙表示定子齿部的轴向长度，d 表示转子外径或气隙外径，口表示电 机的极距系数。 将式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 带入式( 2 2 ) ，可以得到： p = 2 z c f k , a m n b j d l , i ( 2 。5 ) 由于电机的机械角速度为： c o = 2 z r f p 将上式带入式( 2 5 ) ，可以得到电机的转矩为： p t = 二- = k , , , a m p n b a d l , i ( 2 6 ) 03 假设每相定子轴向长度为，取电机的体积近似等于y = m a r d l ，则电机的 转矩密度为： 丁：j 二：k , a p b jd1 , n i( 2 7 ) m z d l万dl 由式( 2 7 ) 可得，增加极距系数、气隙磁通密度、极对数，可以同比例增 加电机的转矩密度。但由于随着级数的增加，定子磁极宽度会相应减小，会使电 机增加漏磁，因而需要根据电机的整体参数来确定合适的极对数。同时，转矩密 度和匝数、电流大小、定子齿轴向宽度成正比，和每相定子轴向长度、定子外径 成反比。 当极距系数、气隙磁通密度、极对数这些参数都确定时，可以通过式( 2 7 ) 结合电机结构参数之间的制约关系，得到最大的转矩密度，即在电机体积一定的 情况下实现最大的输出转矩，进而初步确定电机的参数。 图2 1 0 定、转子结构示意图 一 一1 一c u f | | s 一 一tl x t 一 d d 北京邮电大学硕士学位论文 假设电机体积一定，参数d 和已知，为了提高铁心的利用率，磁路的铁心 面积处处近似相等，因而定子左、右齿部的面积等于中部铁心的截面积，同时假 定电机的极距系数达到最大值l ，结合图2 1 0 可以得到如下关系： 三( d 2 - - d 1 2 ) = 孚乙 ( 2 8 ) 由式( 2 8 ) 可以得到绕组的外径： d l ；d 2 2 e l , , ( 2 9 ) 由式( 2 9 ) 结合图2 1 0 可以得到绕组的窗口面积大小为： s ：掣x ( h 乙) ：望等型( h 乙) ( 2 - 1 0 ) 由绕组的分布方式，可知电机的匝数与电流j 的乘积m 和绕组的窗口面 积大小成等比例关系。由式( 2 7 ) 、( 2 1 0 ) 可知： ，芘妥生丝型型( h 乙) (2-l2d 、w 由式( 2 1 1 ) 可知，当给定电机参数d 和工时，选择合适的d ( d 【d , 1 = m e s h g r i d ( 0 ：2 ：8 0 ，【0 ：0 5 ：2 0 】) ； t = ( ( s q r t ( 6 4 0 0 - 2 毒d 木1 ) - d ) 宰( 4 0 2 奉1 ) 奉d * 1 ) 6 4 0 0 ； m e s h ( d ，1 ，t ) ，x l a b e l ( d ) ，y l a b e l ( 川1 ) ，z l a b e l ( t ) 得到函数t ( d ，) 三维曲线图如下： 北京邮电大学硕士学位论文 6 0 4 0 2 0 o 2 0 4 0 2 0 图2 - i l 函数r ( d ，) 三维曲线图 为了更直观看出，函数在那个区域得到最大值，将三维图描述成等值线图， m a t l a b 求解程序如下： d ，1 - - m e s h g r i d ( 0 ：2 ：8 0 ， o ：o 5 ：2 0 】) ； t = ( ( s q r t ( 6 4 0 0 2 奉d 宰1 ) 一d ) 宰( 4 0 一2 宰1 ) 拳d 枣1 ) 6 4 0 0 ； c o n t o u r ( d , 1 ，t ) ，x l a b e l ( d ) ，y l a b e l ( l ) 得到函数r ( d ，) 等值线如图2 1 2 所示： 图2 1 2 函数t ( d ，) 三维等值线图 1 7 北京邮电人学硕士学位论文 结合图2 1 1 和图2 1 2 ，可以看出当，取值为1 0 ，d 取值接近4 0 时，函数t ( d ，) 取得最大值，此时可以得到最大的电机转矩密度。需要注意的是，为了保证电机 每个磁极永磁体周