（电机与电器专业论文）轴向磁场磁通切换型永磁同步风力发电机分析与优化.pdf

a n a l y si sa n do p i m i z a t i o no f a x i a lf i e l df l u x s w i t c h 烈g p e r m a n e n tm a g n e t sy n c h r o n o u sw 烈d g e n e r a t o r ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o so u t h e a s t u n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i c d e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y z h a n gl e i s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rl i n m i n g - - y a o s c h o o lo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g so u t h e a s tu n i v e r s i t y m a r c h ，2 0 10 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 为获得东南大学或其它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。 研究生签名：主益盈日期：之! ! ：生：! 至 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除 在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部 内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：主暨磊 导师签名： 摘要 摘要 直驱型风电机组因其具有能量转换效率高、可靠性高、并网功率控制灵活等优点，成为了继双馈型 风电机组之后风力发电技术领域的重要研究方向。轴向磁场磁通切换型永磁( a x i a lf i e l df l u x s w i t c h i n g p e r m a n e n tm a g n e t ，a f f s p m ) 电机具有转子结构简单、效率和功率密度高、可靠性高等优点，在风力发 电领域是一种很有发展潜力的新型双凸极电机。本文的研究工作主要围绕a f f s p m 电机的分析与优化 展开，具体内容包括如下几个方面： 根据a f f s p m 电机的功率尺寸方程，得出三相1 2 1 0 极a f f s p m 电机结构参数初始设计尺寸，考 虑到加工工艺和制作成本，将电机定子u 形铁心设计成平行齿平行槽结构，在此基础上，研究各结构参 数对电机性能的影响，并对电机进行优化。 为了深入研究电机结构参数对a f f s p m 电机性能的影响，经过有限元计算，将电机定子设计成平 行槽平行永磁结构，在此基础上，研究各结构参数对电机性能的影响，并对电机进行优化。 对a f f s p m 电机进行有限元分析时，通过在电机有限元模型外围加上模拟空气环境的虚拟空气罩 来考虑电机外围漏磁对计算结果的影响，使计算出的磁场分布与实际情况更接近，但也延长了计算时间。 为了在计算时间与求解精度之间实现最优化，本文提出一种在程序中容易实现的能量法，对虚拟空气罩 尺寸进行量化，并通过与永磁磁通法的计算结果相比较，说明该法的正确性和可行性。 推导a f f s p m 电机齿槽转矩的解析表达式，然后采用全场域三维有限元法，分析定子槽口加倒角、 转子齿表面开辅助凹槽等对a f f s p m 电机齿槽转矩的影响，对a f f s p m 电机齿槽转矩进行探索性研究。 关键词：磁通切换，轴向磁场，永磁电机，有限元分析，风力发电 a b s t r a c t a b s t r a c t d i r e c t d v ew i n dg e n e r a t i o ns y s t e mi sc o n s i d e r e dt ob ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o ni nw i n dg e n e r a t i o n t e c h n o l o g ya r e ad u et oi t ss u p e r i o r i t i e so fb e i n gg e a r l e s s ，n os l i pr i n g sa n db r u s h e s ，f l e x i b l ep o w e rc o n t r o l a b i l i t y , e t c a x i a lf i e l df l u x - s w i t c h i n gp e r m a n e n tm a g n e t ( a f f s p m ) m a c h i n eh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s s i m p l er o t o r ，h i i g he f f i c i e n c ya n dh i g hp o w e rd e n s i t y , h i g hr e l i a b i l i t y t h ek i n do fn e wm a c h i n eh a sh i g h p o t e n t i a li nw i n dg e n e r a t i o na r e aa n di n d u s t r ya p p l i c a t i o n sw h i c ha l es t i l li nd e v e l o p m e n t t h er e s e a r c ho ft h i s t h e s i sf o c u s e so nt h ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no fa3 - p h a s e12 10 一p o l ea f f s p mm a c h i n e 1 1 1 ek e yp o i n t so f t h i st h e s i sa lea sf o l l o w s ： c o n s i d e r i n gt h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dm a n u f a c t u r ec o s t ，t h es t a t o ri r o nc o r e so ft h ea f f s p m m a c h i n ea l ed e s i g n e dt ob ep a r a l l e l t o o t h s l o ts t r u c t u r eb a s e do nt h ei n i t i a ls i z e so fa l ls t r u c t u r ep a r a m e t e r s ， w h i c ha l eg o t t e na c c o r d i n gt ot h ep o w e r - s i z ee q u a t i o no ft h ea f f s p mm a c h i n e 1 1 1 ei n f l u e n c e so fs t r u c t u r e p a r a m e t e r so nt h ep e r f o r m a n c e so fp a r a l l e l - t o o t h - s l o ta f f s p mm a c h i n ea r es t u d i e d ，a n dt h eo p t i m a lr e s u l t sa r e o b t a i n e d i no r d e rt og i v eat h o r o u g hs t u d yt ot h ei n f l u e n c e so fs t r u c t u r ep a r a m e t e r so nt h ea f f s p mm a c h i n e s ，t h e s t a t o ri sd e s i g n e dt ob ep a r a l l e l - s l o t p ms t r u c t u r eu n d e rt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so ff i n i t ee l e m e n t ( f e ) m e t h o d 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目勇匙i i l 第1 章绪论1 1 1 研究背景与选题意义l 1 2 永磁同步发电机概况与拓扑结构l 1 2 1 径向磁通永磁同步发电机2 1 2 2 轴向磁通永磁同步发电机。2 1 2 3 横向磁通永磁同步发电机3 1 3 轴向磁场永磁电机发展概况4 1 3 1 轴向磁场电机的发展情况一4 1 3 2 轴向磁场电机的研究现状4 1 4 磁通切换型永磁电机发展概况5 l - 4 1 国外研究现状5 1 4 2 国内研究现状。5 1 5 本文研究内容和论文结构6 1 5 1 本文研究内容一6 1 5 2 论文结构6 第2 章a f f s p m 电机结构与运行原理7 2 1 引言。7 2 2a f f s p m 电机结构7 2 3 磁通切换原理8 2 4 绕组一致性9 2 5 绕组互补性12 2 6 a f f s p m 电机运行原理一1 3 2 6 1 发电机运行13 2 6 2 电动机运行l3 2 7 本章小结1 4 第3 章平行齿平行槽a f f s p m 电机分析优化15 3 1 弓l 言l5 3 2a f f s p m 电机的初始设计1 5 3 3 基于a n s y s 的有限元参数化建模1 7 3 3 1a f f s p m 电机三维有限元计算的基本原理1 7 3 3 2a f f s p m 电机三维有限元模型1 9 i i i 目录 3 3 3a f f s p m 电机有限元模型外围虚拟空气罩尺寸的确定2 0 3 3 3 1 径向外围虚拟空气罩尺寸确定2 0 3 3 3 2 径向内侧虚拟空气罩尺寸确定2 1 3 3 3 3 端部虚拟空气罩尺寸确定2 1 3 3 3 4 虚拟空气罩尺寸对永磁磁通幅值计算结果的影响2 2 3 4 电机结构参数对平行齿平行槽a f f s p m 电机性能的影响2 3 3 4 1 转子结构参数对电机性能的影响2 4 3 4 1 1 转子斜极2 4 3 4 1 2 转子齿宽2 7 3 4 1 3 转子齿形2 9 3 4 1 4 转子厚度3 l 3 4 2 定子结构参数对电机性能的影响3 2 3 4 2 1 永磁体磁化厚度一槽宽3 2 3 4 2 2 定子厚度3 4 3 4 2 3 轭部厚度3 6 3 4 3 气隙长度对电机性能的影响3 7 3 5 绕组匝数验算。3 8 3 6 优化结果3 9 3 7 本章小结3 9 第4 章平行槽平行永磁a f f s p m 电机分析优化4 0 4 1 弓言4 0 4 2 平行槽平行永磁电机结构4 0 4 3 转子结构参数对电机性能的影响。4 0 4 3 1 转子齿宽4 0 4 3 2 转子齿形4 2 4 3 3 转子厚度4 2 4 3 4 转子斜极4 3 4 4 定子结构参数对电机性能的影响4 3 4 4 1 定子齿宽。4 3 4 4 2 永磁体磁化厚度4 4 4 4 3 定子厚度4 4 4 5 绕组匝数验算4 5 4 6 优化结果一4 5 4 7 本章小结4 6 第5 章a f f s p m 电机齿槽转矩分析4 7 5 1 引言4 7 5 2a f f s p m 电机齿槽转矩解析分析4 7 目录 5 3a f f s p m 电机齿槽转矩有限元分析5 2 5 3 1 定子槽口加倒角5 2 5 3 1 1 平行齿平行槽a f f s p m 电机5 2 5 3 1 2 平行槽平行永磁a f f s p m 电机5 4 5 3 2 转子齿表面加辅助凹槽5 6 5 3 2 1 平行齿平行槽a f f s p m 电机5 7 5 3 2 2 平行槽平行永磁a f f s p m 电机6 0 5 3 3 定子铁心之间加铁心桥6 0 5 3 4 削减永磁体轴向厚度6 2 5 3 5 定子齿错开一定角度6 3 5 4 本章小结6 4 第6 章总结与展望6 5 6 1 本文主要工作6 5 6 2 后续工作展望6 6 参考文献6 7 攻读硕士期间参与的科研项目7 1 攻读硕士期间发表的论文7 l 攻读硕士期间申请的专利。7 l 攻读硕士期间获得的奖励7 1 致谢7 2 v 第l 章绪论 1 1 研究背景与选题意义 第1 章绪论 随着全球经济的发展，世界范围内对能源需求持续增加，风能作为一种清洁的可再生能源，越来越 受到世界各国的重视。风能在全球蕴藏量巨大，据统计其总量约为2 7 4 x 1 0 9 兆瓦，其中可利用的风能为 2 1 07 兆瓦1 1 1 。中国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力大 2 1 。风能的利用包括很多方面，目前最主 要的形式是风力发电。中国风电起步并不晚，2 0 世纪7 0 年代，我国通过研制和推广离网型小型风力发 电机组，解决了大量边远牧区和海岛等无电地区的用电；2 0 世纪8 0 年代，中国陆续研制过几种并网型 风力发电机组，但是由于多种原因，均未能转化为商业化生产。阻碍中国风电发展的主要因素，一是技 术落后，缺少具有自主知识产权的风力发电机及发电系统，发电设备主要依靠进口，价格昂贵；二是发 电成本高，与常规火力发电相比还处于劣势1 2 弓j 。近年，我国制定了新的能源政策1 4 1 ，积极发展新能源发 电成为政策中的重要内容，风力发电必将成为最具活力和最富前景的新兴产业。 近年来，电力电子技术蓬勃发展，直驱型风力发电技术越来越受到人们的亲睐。在直驱型风力发电 系统中，风力机与发电机直接相连，取消了笨重的增速齿轮箱，提高了可靠性和效率。典型的直驱型风 力发电机分为电励磁和永磁励磁两大类。随着永磁材料的更新换代，国内外对各种新型结构永磁电机的 研究越来越多，在很多场合，永磁电机已经取代了传统感应电机。同时，我国稀土资源丰富，稀土矿的 储藏量为世界其他各国总和的4 倍左右，稀土矿石和稀土永磁的产量都居世界前列，稀土永磁材料和稀 土永磁电机的科研也都达到了国际先进水平i 。因此，充分发挥我国丰富的稀土资源优势，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将具有重要的理论意义和工程实用价值。本课题将磁通 切换的理念与传统轴向磁场永磁电机有效结合起来，提出了一种新型a f f s p m 电机1 6 1 ，并将风力发电作 为其应用背景，先后获得江苏省自然科学基金项目和国家自然科学基金项目的资助。本文的意义在于在 文献【6 】的基础上进一步揭示a f f s p m 电机结构参数与其性能之间的关系，为其作为风力发电机并网及 a f f s p m 电动机的后续研究奠定基础。 1 2 永磁同步发电机概况与拓扑结构 1 9 世纪2 0 年代，世界上出现了第一台永磁电机，但是由于当时采用的天然铁磁材料磁能密度很低， 用它制成的电机体积庞大，不久便被电励磁电机所取代。随着高性能永磁材料的不断开发和相继问世， 永磁电机的开发和应用又重新得到迅速发展，特别是第三代稀土永磁材料的研制成功，为高效永磁同步 电机的开发提供了重要条件。 国内外利用稀土永磁的优异磁性能研制开发高效永磁同步电机已有2 0 多年的历史。1 9 7 8 年，法国 c e m 公司推出i s o s y n 系列0 5 5 - - 0 8 5 k w 稀土钴永磁同步电机，其效率比一般感应电机提高2 8 ， 功率因数提高0 0 5 0 1 5 ，起动转矩倍数为1 6 2 2 ；随后，英国、前苏联和美国等也相继推出类似系 列的永磁电机，但功率普遍都做得不大。目前，稀土永磁电机正向大功率化、高功能化和微型化方向发 展，其单台容量已超过1 0 0 0 k w ，最高转速已超过3 0 0 0 0 0 r m i n ，最低转速低于0 0 1 r m i n ，最小电机的外 径只有o 8 m m ，航天用高速稀土永磁同步发电机的功率质量比可高达2 0 w k g l 5 1 。我国于8 0 年代初期率 先研制成功4 0 - 1 6 0 k v a 稀土永磁发电机，用以配备2 0 0 6 0 0 m w 汽轮发电机后大大提高了电站运行的 可靠性。现在我国很多高校和科研单位都在进行高效永磁同步电机的研制，并取得了明显的节能效果。 特别是0 8 k w 纺织专用永磁同步电动机，效率高达9 1 ，功率因数高于0 9 5 ，节电率高达1 0 以上， 东南大学硕士学位论文 已经进行批量生产并获得用户的一致好评。 与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质 量轻；损耗少，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点；另外，永磁同步电机不需要励磁 绕组和直流励磁电源，取消了容易出问题的集电环和电刷装置，结构简单，运行更为可靠【5 j ，因此在风 力发电、余热发电、小型水力发电、小型内燃发电机组等场合正在得到逐步推广应用，尤其是采用永磁 发电机的直驱型风力机的概念在当今变得越来越具有吸引力。尽管永磁发电机具有巨大的商业应用潜 力，在风力发电领域也具有很好的应用前景，但是目前在大型风力发电机的商业应用却十分有限，限制 永磁发电机商业应用的原因可以大致概括如下【_ 7 】： 永磁发电机在m w 级风力机中的应用是一种相对新型并且尚未成熟的技术； 夺永磁发电机的组装困难，并且所需永磁材料的价格昂贵； 在某些恶劣工作环境下，如海上风电场，永磁材料的可靠性会降低； 在高温下永磁体容易被去磁。 近年来，随着永磁材料性能的提高与价格的降低，永磁电机的各种缺陷逐渐被克服，永磁发电机也 有望成为直驱型风力发电机的主流。典型的直驱型风力发电机可分为两大类，即电励磁同步发电机和永 磁同步发电机，其中永磁同步发电机有很多不同的拓扑结构，根据电机中磁通的不同路径，主要分为以 下几种： 1 2 1 径向磁通永磁同步发电机 径向磁通永磁同步发电机( r a d i a lf l u xp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，r f p m s g ) 分为内转 子和外转子两种拓扑结构降9 1 ，分别如图1 1 ( a ) 和图1 1 ( b ) 所示。这种电机结构简单，加工相对容易，电 机轴长可以独立选取；与电励磁同步电机相比，功率密度较高。与内转子r f p m s g 相比，外转子r f p m s g 由于外径较大，容易实现多极结构；此外，由于转子安装在外面，电机散热性能也更好，可以有效防止 高温造成的永磁体不可逆退磁现象的发生。 ( a ) 内转子结构( b ) 外转子结构 图1 - i 径向磁通永磁同步发电机 1 2 2 轴向磁通永磁同步发电机 轴向磁通永磁同步发电机( a x i a lf l u xp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，a f p m s g ) ；是- - 种可 产生轴向磁通的永磁同步电机4 1 ，如图1 2 所示。a f p m s g 有单转子双定子、单转子单定子和双转子 单定子等多种拓扑结构。与r f p m s g 相比，a f p m s g 具有绕组简单，其无槽结构具有齿槽转矩与噪声 小、轴向长度短等优点，然而a f p m s g 也有一些缺点，如电机定子外径大、定子铁心制造困难和难以 保持气隙均匀等。 2 第l 章绪论 ( a ) 单转子双定子( b ) 单转子单定子 ( c ) 双转子单定子 图1 - 2 轴向磁通永磁同步发电机 1 2 3 横向磁通永磁同步发电机 横向磁通永磁同步发电机( 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 ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，t f p m s g ) 是一 种电机磁通路径与电机旋转方向垂直的永磁同步电机1 1 5 - 1 8 】，如图1 3 所示。自w m m o r d a y 于1 8 9 5 年申 请世界上第一个横磁通技术的专利以来，横向磁通概念的诞生已经有了1 0 0 多年的历史，直到1 9 8 6 年， h w e h 教授首次设计出横向磁通旋转电机，t f p m s g 在其应用领域才得到进一步推广。与r f p m s g 和 a f p m s g 相比，t f p m s g 具有转矩密度高、绕组结构简单和铜损小等优点；但是t f p m s g 结构比较复 杂，功率因数偏低。 永 ( a ) 表面贴装式( b ) 组合定子聚磁式 图1 3 横向磁通永磁同步发电机 3 东南大学硕士学位论文 1 3 轴向磁场永磁电机发展概况 直驱型风力发电系统取消了增速齿轮箱，发电机直接连接到风力机组的轴上，转子的转速随风速而 改变，这样，随之而来的问题是，直接驱动的电机的转速一般会很低，工作效率会下降。文献【1 9 】对用 于风力发电的不同拓扑结构的永磁发电机进行了比较研究，得出轴向磁场永磁电机轴向尺寸短，功率密 度高，与风机直接相连可形成结构紧凑的风力发电系统，在直驱型风力发电方面具有明显的优势。 1 3 1 轴向磁场电机的发展情况 1 8 2 1 年，法拉第发明了第一台异步电动机盘式异步电动机，因为其绕组沿盘状电枢铁心径向放 置，产生沿轴向的气隙磁通，因而也称为轴向磁场电机。但由于当时此类电机的定、转子铁心制造困难， 采用铣槽工艺不仅生产率低，还会造成齿槽宽度分布不均，引起铁心钢片间短路，增加铁耗；其次是运 行时定、转子之间产生轴向电磁吸力，使轴承负荷增大，寿命缩短，机械损耗增加，效率降低1 5 1 。因此， 当1 8 3 7 年柱式电机，即径向磁场电机问世以后，轴向磁场电机便受到冷落。一百多年来，径向磁场电 机一直处于主导地位，具有明显的优势。但是，径向磁场电机也有一些固有缺点，如转子散热条件不好， 转子铁心利用率不高等1 2 0 1 。随着现代工业的发展和人民生活水平的提高，对电机及电器提出了小型化和 薄形化的要求，因此结构扁平的轴向磁场电机近年来又得到了迅速发展，应用领域也进一步扩大。另外， 在铁心材料的利用上，径向磁场电机只能达到7 0 7 5 ，而轴向磁场电机可达到9 5 以上，这也是 轴向磁场电机再度受到重视的重要原因之一【2 0 1 。随着技术的进步，特别是微机控制的定、转子铁心自动 冲卷机的问世，解决了轴向磁场电机制造工艺的关键装备问题，使其批量生产及多种拓扑结构的设计成 为可能，促进了轴向磁场电机的推广和应用1 5 1 1 2 0 。 在直驱型风力发电机组中，电机的转速很低，如中大型风力机的转速约为1 0 - 4 0 r m i n ，比水轮机 的转速还要低【7 j 。这么低的转速直接驱动发电机，势必会要求发电机的转子磁极数增多，因此采用轴向 磁场结构代替以往的径向磁场结构，不但可以使转子结构简化，而且轴向磁场永磁同步电机的定子内径 很大，从而使得转予尺寸及转动惯量都很大，这样就不会因为风力机的一个轻微扰动而对发电机的输出 产生很大的影响，这对平抑风力起伏引起的感应电势的波动是有利的。因此，轴向磁场永磁同步发电机 作为风力发电机的研究和应用越来越受到国内外学者的关注，相应的研究成果也正在不断涌现。 1 3 2 轴向磁场电机的研究现状 国外在轴向磁场永磁电机的研究和应用方面做得比较多，研究方向主要集中在风力发电、电动汽车、 电梯驱动和船舶驱动等1 2 卜2 ，例如： 文献 2 l 】设计了一台5 k w 、额定转速为9 5 r m i n 的双转子轴向磁场永磁电机，指出其轴向尺寸短， 特别适合用于严格要求薄形安装的场合，如风力发电和电动汽车等。 文献【2 2 】以船舶驱动为背景，改变传统的电枢绕组结构，提出一种新型轴向磁场永磁电机，并对电 机的性能进行分析，同时试制和测试了一台小型样机，证明所得结论的正确性。 文献【2 3 】在有限元法分析的基础上，分别利用基于群体增量学习算法和p o w e l l 法，对无铁心轴向磁 场永磁电机的效率和永磁体的用量进行了分析和优化，并将所得结果进行比较。 文献 2 4 1 介绍了两种磁路不同的轴向磁场永磁电机，并指出这两种电机在拓扑结构上的异同，然后 对这两种电机的磁密、转矩、功率密度等进行对比研究。 国内对轴向磁场永磁电机的研究相对较少，目前研究的单位多集中于西安交通大学、湖南大学、上 海大学和沈阳工业大学等高等院校和科研院所，但只有湖南大学等极少数单位对轴向磁场永磁同步电机 展开研究，而将轴向磁场永磁发电机用于风力发电系统的研究，则鲜有高校和科研院所涉足。 4 第1 章绪论 1 4 磁通切换型永磁电机发展概况 磁通切换型永( 越( f l u x - s w i t c h i n gp e r m a n e n tm a g n e t ，f s p m ) 电机不存在励磁损耗，定、转子铁心均为 双凸极结构，转子上既无永磁体也无绕组，结构简单、工作可靠、效率高、冷却方便，具有较高的功率 密度和效率【2 8 - 3 0 】。经过十几年的发展，f s p m 电机在基于有限元法和磁网格法的磁场分析、静态特性计 算、铁耗模型建立、控制系统数字仿真、弱磁扩速运行、齿槽转矩以及风力发电等诸多方面都取得了大 量的研究成果，下面将总结一下国内外对f s p m 电机的研究现状，并就取得的成果作简明阐述。 1 4 1 国外研究现状 1 9 9 7 年，法国学者e h o a n g 第一次发表了f s p m 电机的学术论文【3 1 1 ，并引起了学术界的广泛关注。 随后，英国l e i c e s t e r 大学和s h e f f i e l d 大学等高校和科研院所对f s p m 电机做了较为深入的研究，并取 得了大量的成果。 文献【3 l 】介绍了一种永磁体嵌入定子铁心的三相1 2 1 0 极f s p m 电机，阐述了磁通切换的原理以及 定、转子齿配合对该电机性能的影响；并采用二维有限元法分析了该电机的静态特性，指出该电机从本 质上可以看作为一台永磁同步电机；并可通过传统的交直轴理论分析其数学模型；建立了采用电流滞环 比较的控制系统；实验结果表明该电机具有良好的转矩输出能力和恒功率弱磁扩速能力，在交流调速领 域具有明显的优势。 文献 3 2 q b ，z q z h u 教授等建立了f s p m 电机的磁网格模型，利用解析法计算了1 2 1 0 极f s p m 电 机的静态特性，并通过与有限元法的计算结果相比较，证明所建立的磁网格模型的正确性；同时对电机 样机的反电势与电感等静态参数进行了测试。 文献【3 3 】【3 4 】建立了f s p m 电机铁耗计算的数学模型，给出了电机铁耗的计算方法，并通过实验验 证了所建立模型和计算方法的正确性。 文献【3 5 】研究了定子齿宽、永磁体厚度和形状等结构参数对f s p m 电机输出转矩的影响。 文献【3 6 】提出了一种三相多齿结构f s p m 电机，与传统的f s p m 电机相比，该电机减少了永磁材料 的用量。 文献【3 7 】以航空航天为应用背景，对f s p m 电机进行设计，并采用有限元法分析了所设计的f s p m 电机的静态特性。 文献【3 8 】指出f s p m 电机具有低成本、可靠性高和使用寿命长等优点，从而可以为电动汽车等交通 工具提供动力。 1 4 2 国内研究现状 国内对f s p m 电机的研究尚处于起步阶段，目前主要集中于东南大学和浙江大学。经过几年的发展， 目前国内对f s p m 电机的研究也涌现了一些研究成果。 文献【2 9 】和【3 9 】采用有限元法分析了三相1 2 1 0 极f s p m 电机的静态特性，推导了径向磁场磁通切换 型永磁电机的数学模型，并从理论上证明了该数学模型的正确性。 文献 4 0 】在三相1 2 1 0 极f s p m 电机基础上，提出了两相8 6 极结构f s p m 电机，并针对f s p m 电 机的结构特点，提出了通用的设计方法，同时给出了电机部分结构参数的选择范围。 文献【4 l 】研究了端部效应对三相1 2 1 0 极f s p m 反电势的影响，并通过有限元计算，得出合适的修 正系数以使得二维有限元计算结果逼近其参数的实测值。 文献【4 2 】分析了三相1 2 1 0 极f s p m 电机的电感特性。 文献【2 9 】【4 3 】【4 4 】研究了f s p m 电机的控制策略，并对其控制系统进行了仿真和实验测试。 5 东南大学硕士学位论文 文献 7 】针对f s p m 电机存在齿槽转矩大、永磁材料消耗多的缺点，将f s p m 电机改进成定子内永磁 电机，并将其应用于直驱型风力发电。 文献 4 5 4 6 4 7 1 6 j 究了三相6 5 极和三相6 ，4 极f s p m 电机的静态特性，其中文献【4 7 】还研究了转子 齿高、齿宽对f s p m 电机直轴电感和弱磁扩速性能的影响。 1 5 本文研究内容和论文结构 1 5 1 本文研究内容 a f f s p m 电机是一种新型定子永磁型双凸极电机，转子结构简单、轴向尺寸短，适于要求薄形安装 的场合。本文以一台0 6 k w 三相1 2 1 0 极单转子双定子结构a f f s p m 电机为研究对象，在初始设计的基 础上，分析其感应电势和齿槽转矩等性能，并综合考虑各结构参数对电机这几方面性能的影响，对电机 进行优化。具体研究内容主要包括以下几个方面： 1 建立基于a n s y s 的a f f s p m 电机全场域三维有限元模型；通过在电机有限元模型外围加上模 拟空气环境的虚拟空气罩来考虑电机外围漏磁对计算结果的影响；为了在计算时间与求解精度之间达到 最优化，需要将空气罩的尺寸量化。为此，本文提出一种在程序中容易实现的电机外围漏磁场有限元处 理方法一能量法，来解决这一问题，并通过与永磁磁通法的计算结果相比较，说明该法的正确性。 2 考虑到电机的加工工艺和制作成本，将a f f s p m 电机的定子u 形铁心设计成平行齿平行槽结构， 在此基础上，分析各结构参数对电机感应电势和齿槽转矩等性能的影响，并对电机进行优化。 3 考虑到平行齿平行槽a f f s p m 电机的感应电势总谐波畸变率( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t h d ) 偏 大，为了深入研究各结构参数对电机性能的影响，经过有限元计算，将电机定子槽和永磁体都设计成平 行结构，在此基础上，分析各结构参数对电机感应电势和齿槽转矩等性能的影响，并对电机进行优化。 4 以机电能量转换理论为基础，采用“能量差分法”对a f f s p m 电机齿槽转矩进行解析推导；同 时，采用有限元法，对a f f s p m 电机齿槽转矩的削弱方法进行探索性研究。 5 对全文工作进行总结，对课题需要继续深入研究的方向给出具体意见。 1 5 2 论文结构 第一章为绪论，说明本课题的研究背景和选题意义，介绍永磁同步发电机的几种拓扑结构，综述轴 向磁场永磁电机的概况和f s p m 电机的国内外发展现状，阐明本文所研究的内容。 第二章介绍三相1 2 1 0 极单转子双定子a f f s p m 电机的拓扑结构，分析a f f s p m 电机的结构特点 和运行原理。 第三章以一台0 6 k w 三相1 2 1 0 极a f f s p m 电机为例，利用能量法确定电机有限元模型外围虚拟空 气罩的尺寸；同时根据a f f s p m 电机功率尺寸方程确定的电机结构参数初始设计尺寸，考虑到电机的 加工工艺和制作成本，将定子u 形铁心设计成平行齿平行槽结构，在此基础上研究各结构参数对电机性 能的影响，并对电机进行优化。 第四章采用全场域三维有限元法，对平行槽平行永磁定子结构a f f s p m 电机进行分析和优化。 第五章针对a f f s p m 电机特殊的结构，在对电机参数做一些合理假设的基础上，采用“能量差分 法”对a f f s p m 电机齿槽转矩进行解析推导；同时，采用全场域三维有限元法，探索性地研究定子槽 口加倒角和转子齿表面开辅助凹槽等对平行齿平行槽与平行槽平行永磁这两种结构a f f s p m 电机齿槽 转矩的影响。 第六章对全文总结，并指出课题继续开展的方向和有待研究的具体内容。 6 第2 章a f f s p m 电机结构与运行原理 第2 章a f f s p m 电机结构与运行原理 2 1 引言 永磁电机以永磁体提供的磁通替代电励磁提供的励磁绕组励磁，使其结构较为简单，降低了加工和 装配费用p j 。过去的几十年来，研究热点一直集中于以永磁体表面贴装式、插入式和嵌入式为代表的转 子永磁型电机。然而将永磁体置于转子，在电机运行过程中会产生一系列的问题，如对于永磁体粘贴在 转子表面或插入转子凸极之间的结构，为了克服电机高速运行所产生离心力的影响，通常要制作辅助的 永磁体固定装置，这会导致转子散热困难，过高的温升会使永磁体发生不可逆退磁，限制电机出力；而 对于永磁体埋入转子铁心内部的内嵌式结构，会影响转子的机械强度。另外，对于转予永磁型电机，定 子绕组产生的电枢反应磁通会进入转子，与永磁体相互耦合，存在一定程度的去磁危险。针对这些问题， 早在1 9 5 5 年就有学者对定子永磁型电机进行了研究郴j ，然而直到1 9 9 2 年美国学者t a l i p o 教授提出双 凸极永磁电机之后，定子永磁型电机才得到学术界的广泛关注。 传统的轴向磁场永磁电机，无论是单气隙还是双气隙，转子大多是由高性能永磁材料粘结在实心钢 或硅钢片上构成，这样，电机运行过程中，也会产生上述转子永磁型电机存在的问题。a f f s p m 电机是 一种新型结构的定子永磁型电机，该电机将永磁体和电枢绕组都置于定子，转子上既无永磁体也无电枢 绕组，其结构完全不同于转子永磁型电机。本章首先以一台三相1 2 1 0 极a f f s p m 电机为例，在分析其 结构特点的基础上，解释磁通切换的过程以及绕组一致性与互补性，然后对该类电机发电运行和电动运 行的原理分别做简单阐述。 2 2a f f s p m 电机结构1 4 9 l 三相1 2 1 0 极a f f s p m 电机由两个相同结构的外定子和一个中间转子组成，如图2 1 所示。每个定 子由1 2 个u 形导磁铁心、1 2 块永磁体和1 2 个线圈组成。u 形导磁铁心和永磁体交替放置构成定子圆 盘，每个线圈横跨在两个相邻的u 形定子齿上，永磁体沿切向充磁，嵌在两个定子齿的中间；两侧定子 上相对的永磁体充磁方向相反。每个定子上的1 2 个集中绕组线圈分成三相，其中每相隔两槽的4 个线 圈串联成一相，即a 、b 、c 三相绕组两两相隔1 2 0 。电角度相串联；两侧定子相对的同相电枢绕组相串 联或者相并联。为了提高a f f s p m 电机的额定电压，本文中电枢绕组采用相串联的方式，但如不做说 明，文中所给感应电势波形为一