（电机与电器专业论文）聚磁式横向磁场永磁电机的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n v e n t e di nt h ee n do fe i g h t i e so ft h et w e n t i e t hc e n t u r y , t 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 a c h i n e ( t f p m ) ，p o w e rs u p p l i e db yi n v e r t e gi san e w f o r mo f e l e c t r o m o t o ri nc o n f i g u r a t i o nt f p mm a c h i n e sh a v eb e e na p p l i e di nt h ef i e l do f i n d u s t r ya n dm i l i t a r ya f f a i r sf o rt h e i rf a v o r a b l ef e a t u r e so fh i g ht o r q u ed e n s i t y , h i g h r e l i a b i l i t ya n do v e r l o a da b i l i t y f o r e i g ne x p e r t sh a v er e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dm a n y f o r m so ft f p mm a c h i n e sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n dc h a r a c t e r i s t i c sb ys i m p l i f y i n g t h e i rc o m p l i c a t e dm e c h a n i s ma n dc o m b i n i n gt h em o d e mm a n u f a c t u r ec r a f t s t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sac o m p r e h e n s i v ev i e wo ft h e d e v e l o p m e n ta n d p r e s e n t s i t u a t i o no ft f p mm a c h i n e ，a n ds e l e c t e do n e p a r t i c u l a r f o r mo ft f p m m a c h i n ea sar e s e a r c ho r i e n t a t i o n af l u xc o n c e n t r a t i o nf 0 1 t no ft h et f p mm a c h i n e w i t hc o m b i n e ds t a t o ri s d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e da s w e l la st h ec o n t r o ls y s t e m s o m ev a l u a b l ea c h i e v e m e n t so fr e s e a r c ha r ea c q u i r e da sf o l l o w i n g ： 1a ni n n o v a t i o ni sm a d eo nt f p mm a c h i n e sm e c h a n i s mo ft h i sf l u x c o n c e n t r a t i o nd e s i g n t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sas p e c i a lc o m b i n e ds t a t o ra n dt h e s i n g l e s i d e dr o t o rt h a tc o n s i s t s o fl a m i n a t e dp o l ep i e c e sa n dm a g n e t sa r r a n g e di na f l u xc o n c e n t r a t i n gc o n f i g u r a t i o n m e a n w h i l e ，s p e c i a ls t r u c t u r e sa r ed e s i g n e dt om o u n t a n df a s t e nt h es t a t o ra n dr o t o r t h en e wi n v e n t i v ep a t e n ta p p l y i n gf o rt h e s ed e s i g n si s e x a m i n e da n da p p r o v e d 2 t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h e3 d f es o f t w a r et h a ti sb a s e do nt h et h e o r y o ft h r e e d i m e n s i o n a l m a g n e t - n e t w o r kt og e n e r a l l ya n a l y z et h em a g n e t i cf i e l d a n d c o m p u t e t h ee l e c t r o m a g n e t i s mp a r a m e t e r so ft h i sn e w t y p eo f t f p mm a c h i n ea n dt h e i n f l u e n c eo f c o g g i n gt o q u ei sd e t a i l e da n a l y z e d 3 t h ec o n t r o la n dd r i v e s y s t e mb a s e do nt h ed s p a r ed e s i g n e di nt h e p r o c e s s ，t h ec o n d u c t i n g m o d e so ft h e t w o - p h a s e t f p mm a c h i n ea r e a n a l y z e d ， c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e i sc o m p i l e da n dt h ec o n t r o ls y s t e mi sd e b u g g e d 4 s e v e r a la s p e c t so ft h em o t o r p e r f o r m a n c el i k et h es t e a d yt o q u ea n db a c k e m f o nn o l o a dr u n n i n ga r ec o m p u t e d b y3 d f e a n ds u b a s s e m b l yt e s t i f i e dt h r o u g ht h e e l e m e n t a r ye x p e r i m e n t sa n dt h er e s u l t sa c c o r dw e l lw i t he a c ho t h e r t h e s er e s e a r c h e so nt h ef l u xc o n c e n t r a t i n gf o i n no ft f p mm a c h i n eh a v en o t o n l ye n r i c h e dt f p mm a c h i n e s t o p o l o g i e so fm e c h a n i s m b u ta l s ow i d e n e dt h e i r f i e l d so fa p p l i c a t i o n a saw h o l e ，o u rs t u d i e sh a v er e c e i v e ds t a g e da c h i e v e m e n t so n t f p mm a c h i n e s r e s e a r c h i i 上海大学硕士学位论文 k e y w 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 a c h i n e ( t f p m m a c h i n e ) ，f l u x c o n c e n t r a t i o nf o r m , t h r e e - d i m e n s i o n a lm a g n e t - n e t w o r k ，d s pc o n t r o ls y s t e m i i i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着社会生产力的发展，人们生活水平的提高，需要不断地开发各种新型 电动机。科学技术的进步，新技术新材料的不断涌现，更促进了电动机产品的 不断推陈出新。 横向磁场永磁电机是在永磁同步电机的基础上发展而来的。由驱动控制的 永磁同步电机加上转子位置闭环控制系统后即构成自同步永磁电机，既具有永 磁直流电机的优异调速性能，又实现了无刷化。永磁同步电机分为f 弦波永磁 同步电机( p m s m ) 和无刷直流电机( b l d c m ) ，其中，具有f 弦波反电动势 的电机被称为正弦波永磁同步电机，而具有梯形波反电动势的电机被称为无刷 直流电机。由于两种电机磁场分布不同，反电势波形不同，所以其工作原理和 控制方式也不同。横向磁场永磁电机的反电动势波形是梯形波，供电电流波形 是矩形波，所以它属于无刷直流电机。 许多新型的高性能半导体功率器件，如g t r 、g t o 、m o s f e t 、i g b t 、 i g c t 等相继出现，以及高性能永磁材料，如钐钴、钕铁硼等稀土永磁材料的问 世，均为无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基础。由于无刷直流电动机既 具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备永磁 直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，所以在当 今国民经济各个领域的应用r 益普及。 随着永磁材料性能和电力电子器件性能价格比的不断提高，随着现代控制 理沦、微机控制技术和电机制造工艺的迅猛发展，以及新磁路结构的不断涌 现，在永磁电机理论分析、设计和运行控制中出现了许多有待进一步深入研究 的新课题。其中，横向磁场永磁电机以其转矩密度大的优异性能和本身结构上 同传统电机的较大差异，受到了国内外学者的普遍关注。这种新型的电机发展 至今不过十几年的历史，经过各困的学者对其复杂的结构进行改进后。结合当 代制造】：二艺，又研究发明了具有多种不同结构不同性能的横向磁场永磁电机。 n 这种发展尚未完全成熟的电机具有比较大的玎发与研究潜力，因此对其进 j ：研究具有l | 分重要的意义。 上海大学硕士学位论文 1 2 横向磁场永磁电机的综述 1 2 1 横向磁场永磁电机的发明 永磁电机提高转矩密度比较困难，因为它的定子槽和齿分布在同一截面， 如图1 1 所示，在定子外径确定情况下，导电所需的槽截面积与导磁所需的齿 宽存在矛盾。如式( i - 1 ) ( i - 2 ) 所示，根据安培力定律推导，力密度，。的大 小和气隙磁密以、电负荷爿的乘积有关。一定齿数的电机中，当齿磁密b 不变 和电流密度不变时，只的大小就确定了。如果定子槽选得太窄，允许安放导 线的槽截面积s 。变小，电流，减少，由式( 1 4 ) 可得相应的电负荷一变小，虽 然由于齿宽以的增加，由式( i - 3 ) 可得b 的值增加，但是代入式( i - 2 ) 可得 电机的力密度只难以增加。与此相反，如果定子槽面积s 。太大，定子齿宽6 ，就 小，根据推导得电负荷4 增大，气隙磁密见减小，从而也导致f 。难以增加。 因此，a 、b 两者存在矛盾，在确定的冷却方式下，不可能同时增大。 ，一一”一4 f s ：_ - j e 。、u ；一 kr p ，一 1 。k 图卜l 传统电机的齿槽结构 f = b 6 i 1 只= 等- b 6 吾哦爿 b ：堕 。 6 爿：丛 c i 一1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 2 上海大学硕士学位论文 为克服这一缺陷，进一步提高电机的转矩密度，1 9 8 6 年，德国的h w e h 教授发明了横向磁场永磁电机 3 。如图1 2 所示，该电机的定子齿槽结构和电 枢线圈在空间位置上互相垂直，从而没有被限制在个平面中，电机中的主磁 通方向如图1 2 中箭头所示，因而铁心尺寸和通电线圈的大小相互独立，在一 定范围内可以任意选取，所以横向磁场永磁电机以其转矩密度大的优异性能受 到人们的关注。 1 2 2 横向磁场永磁电机的工作原理 如图1 - 2 所示为早期的聚磁式横向磁场永磁电机 3 。下面对其工作原理进 行分析：图中所示的一个个均匀分稚的u 形铁芯为电机的定子铁心，因为它位 于转子内、外两侧，故称双定子结构，并且内外定子铁心元件各错开一个极 距；永磁体和转子铁芯一起构成电机的转子，转子中的永磁体和转子铁芯相间 均匀分布于转子上，相邻的永磁体极性相对，s 极对着s 极，n 极对着n 极， 转子内部磁场沿切向方向从一块永磁体的s 极到达n 极聚磁后沿径向进入定 子。线圈嵌在定子u 形大槽中，根据槽口的大小和输出转矩和转速的需要，可 以确定线圈的线规和匝数。 图卜2 聚磁式横向逡场永磁电机 当定子线圈通电流后，u 形的定子铁心中会产生径向和轴向的磁场，磁力 线接着沿径向穿到转子罩，沿切向由一个磁极穿到另一个磁极，从而形成了磁 回路。这时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，这两个齿部的磁场和转子中的永磁体所产生的磁场相互 3 上海大学硕士学位论文 作用产生转矩，驱动转子旋转。每当转子移过一个极距后只要相应地改变线圈 中的电流方向，转子就可以连续地运转了。如果起动时线圈通电的顺序相反， 转子转动的方向也相反。所以横向磁场永磁电机除了有定子和转子组成电动机 的本体以外，还要有由位置传感器、控制电路以及功率变换器共同构成的换相 装置，才能使之产生方向不变的旋转。 1 2 3 横向磁场永磁电机的分类 在横向磁场永磁电机发明之后的十几年旱，各国的学者对其复杂的结构进 行改进，并结合现代制造工艺，发明了目前具有多种拓扑结构的横向磁场永磁 电机。按转予中永磁体的放置方式，它基本上可以分为平板式、聚磁式和磁阻 式三类。 1 平板式横向磁场永磁电机 图1 - 3 ( a ) 早期单边平板式结构 警耄象澎 蘸、i i 眨i ，j，。 4 上海大学硕士学位论文 内定子 图：- 3 ( c ) 三相平扳式结构 外转子 在平板式横向磁场永磁电机中，永磁体被放置于转子表面，图1 3 ( a ) ( c ) 分别是平板式横向磁场永磁电机3 种不同的拓扑结构。其中图1 3 ( a ) 为 早期单边平板式结构，图1 3 ( b ) 为早期双边平板式结构 2 】，图1 3 ( c ) 为德 国a a c h e n 工业大学于1 9 9 7 年发明的三相外转子结构平板式横向磁场永磁电 机，在此结构中各相定子平行放置，而各相的转子在相位上错开1 2 0 0 电角度 1 1 】。 2 聚磁式横向磁场永磁电机 聚磁式横向磁场永磁电机的永磁体放置于转子铁芯磁极之间，这样的结构 利于聚磁，如图1 - 4 ( a ) 所示为早期单边聚磁式横向磁场永磁电机 2 ，前面分 析原理时介绍的图1 2 是早期双边聚磁式横向磁场永磁电机。 图1 - 4 ( a ) 早期单边聚斑式结构 为，简化聚磁式横向磁场永磁电机的结构，节约铁芯材料的同时又不影响 电机的性能，r o l l s - r o y c e 国际研发有限公司j 二1 9 9 7 年发明了一种新的拓扑结 5 上海大学硕士学位论文 构，如图1 - 4 ( b ) 所示，该聚磁式横向磁场永磁电机对定子结构进行了较大的 改进，将早期的u 形定子改成图中所示的c 形定子结构，且定子铁芯的两个齿 部错开一个极距，分别对应转子的不同极性，从而使得转子中的永磁体得到充 分的利用 6 。 图1 - 4 ( b ) c 型定子的聚磁式结构 图1 4 ( c ) 所示的聚磁式结构也对定子部分进行了改进，用软磁材料将其 做成一个整体，这样可以简化电机的固定装置和电机的整体结构 7 。 图1 4 ( c ) 3 磁阻式横向磁场电机 如图1 - 5 所示，磁阻式横向磁场电机的结构和平板式横向磁场永磁电机很 相似，只是它的转子部分才i 需要放置永磁体。为了减少漏磁，可以在定于的齿 部侧面装永磁体进行磁屏敝。因为该电机的转子中没有永磁体，所以它的工作 原理与磁阻式步进电动机一样，遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的原 理，产生磁拉力形成转矩磁阻性质的电磁转矩 8 】。 6 上海大学硕士学位论文 图卜5磁阻式维构 1 2 4 横向磁场永磁电机的特点 以上所介绍的三种横向磁场电机中，平板式和磁阻式的结构比较简单，易 于加工制造，但是它们的力矩性能不及聚磁式结构。其中以磁阻式的出力最 差，但由于它的旋转方向和电流方向无关，只与通电顺序有关，所以控制比较 简单，可以采取传统的开关磁阻电机的控制方式。总的来说，目前各国以聚磁 式横向磁场电机的研究最为普遍广泛，因为它出力性能最佳，而且输出力能指 标远大于其余两种横向磁场电机，虽然结构较复杂，但是随着制造工艺水平的 提高，它最具有发展前途。顾名思义，由于聚磁的作用，这种电机能在气隙产 生比较大的磁密，通以一定的电流可以提供比较大的输出转矩。 本人设计的电机就是新型聚磁式横向磁场永磁电机，同其它电机相比， 它具有如下几个显著的结构特点： 1 1 政电机中的磁场分布是三维的，除有通常电机的径向、切向磁场外，还 有轴向( 横向) 磁场，故称之为横向磁场电机。 2 】各相之间没有耦合，可以独立分析与控制。 3 每相只需一组线圈绕组构成简单方便。 f 4 1由硅钢片叠成的转子铁芯部份和嵌入式永磁体共同构成聚磁的结构，能 产：生较高的气隙磁密。 【5 结构设计的自由度大，线圈截面积不受制约，可达到较高线负载。 6 1可以实现多极结构，特别适合于低速高转矩输出的应用 l f i 是具有如上的结构特点，横向磁场永磁电机除了工作可靠稳定外，还能 够提t f ：_ i 比传统电机大得多的转矩密度，因而特别适用于低转速、大转矩需要的 7 上海大学硕士学位论文 场台。由于转速不高，因此取消了齿轮传动，简化了传动机构，提高了整个装 置的精度和可靠性，消除了由齿轮传动引起的噪声，从而提高系统的使用寿 命。不仅如此，使用类似无刷直流电机的控制驱动装置就可对其进行控制，因 此横向磁场永磁电机的研究得到了各国电机科研、生产和使用部门的重视。 当然横向磁场永磁电机也有缺点：首先，它的结构比较复杂，没有较高的 工艺技术水平很难制造；其次，如果设计不当的话，可能导致功率因数和效率 的降低。 1 2 5 横向磁场永磁电机的应用与发展状况 目前，各发达国家f 在竞相丌发横向磁场永磁电机，并且己经取得了一些 阶段性进展。横向磁场永磁电机的结构比较复杂，它在小型化时不具备传统尺 寸设计的优势，所以这种电机特别适合于低速大转矩的工业领域和军事领域应 用，如可以作为风力发电机、水轮机、游轮、军舰用的大功率电机。在英国国 防部的资助下，由英国r o o l s r o y c e 国际研究发展中心( i r d ) a j m i t c h a m 等 教授组成的课题组，于1 9 9 8 年开始了电力推进船用横向磁场电机的研究，并已 研制成功了如图1 4 ( b ) 所示结构形式的3 m w 实验用聚磁式横向磁场永磁电 机，在此基础上还准备进一步研究制造2 0 m w 的舰船用推进电动机 6 ，从而证 明其有重要的军用价值。 目前，我国对横向磁场永磁电机( t f p m ) 的研究刚刚起步，为使我国 t f p m 电机的发展走在世界前列，我们应该吸收国外的一些先进经验和成果， 结合我国的实际情况，探索合适的途径。 1 3 课题主要研究内容 本谍题设计了两相二1 _ - 极组合定子聚磁式横向磁场永磁电机，研究的主要 内容如4 卜： 1 在 j 口人研究的基础上对聚磁式横向磁场永磁电机复杂的结构进行了适当 改进，尤其是对其定子部分进行了创新，设汁了如图1 6 所示的组合式的定予 结构，陔电机的定子由内定子铁芯、外定子铁芯和定子过渡铁占。二部分组 成，使其更适合于中、小型电机的应用，并在此基础上设汁了套蚓定定了 和转予的特殊装置，具体的工艺结构将在第四章介绍。 8 上海大学硕士学位论文 永磁 外定子铁芯 线圈 定子过渡铁芯 转子铁芯 图1 6 新的定子结构 内定早铁芯 2 聚磁式横向磁场永磁电机内部的电磁场分布比较复杂，需用三维场来分 析，为此本文在第二章介绍了一种三维磁场数值计算方法：磁网络法，该方 法具有剖分简单、可视性好、精度高、后处理简单等优点。 3 第三章采用根据磁网络法编制的3 d f e 软件进行该t f p m 样机的磁场分 析，并对样机的性能及参数进行了计算。 4 第五章介绍了基于a d m c f 3 4 0 d s p 的横向磁场永磁电机控制系统，其中 包括功率变换电路、驱动电路、位置检测电路以及电流采样保护电路等。 5 最后在样机实验平台上进行了初步的实验研究，验证了样机设计过程中 的稳态转矩计算及空载反电势计算的准确性。 9 上海大学硕士学位论文 第二章三维磁网络法 2 1 概述 电机中的一切电磁过程都可以从麦克斯韦方程组出发进行分析，自从麦克 斯韦1 8 6 2 年提出“位移电流”新概念、1 8 6 4 年建立麦克斯韦方程组以来，电 磁场研究一直在电工技术领域蓬勃地发展着。在2 0 世纪5 0 年代以前，人们对 场的研究以麦克斯韦方程为依托，采用一些简化措施，可以得出近似的解析 解。在相当长的时间内，把场的问题转化成路的问题进行处理 4 3 】 4 4 。数字计 算机出现以后，计算机作为计算工具使电磁场理论的应用取得了巨大进展，解 决了许多以往不能解决的问题，逐渐形成了一种依赖计算机和计算技术的新学 科：电磁场数值分析。 数值解法是将所求电磁场的区域划分成有限多的网格或单元，通过数学上 的处理，建立以网格或单元上各节点的求解函数值为未知量的代数方程组，通 过电子计算机解出这组庞大的代数方程组，从而得到各节点的函数值。由于计 算机的应用日益普遍，所以电机电磁场的数值解法在近期内有很大的发展，它 的适用范围超过了所有其他各种解法，并且可以达到足够的精度。近2 0 年，由 于数值处理技术的提高，使得有限元法在电磁场数值计算中越来越占据主导地 位。不仅如此，新的数值解法也在不断地应运而生，磁网络法就是其中的一种 2 】。 横向磁场永磁电机内部的磁场分布较为复杂，需要从三维场的角度进行分 析，磁网络法的网络剖分灵活性大、适应性强、解的精度较高、后处理简单， 所以比较适合于这类电机的磁场计算。磁网络法将电流线圈及其所包含的空f a j 等效为一块永磁体束处理，使其中要求解的磁场强度分量满足了磁场强度的旋 度为0 的条件，就可以引用标量磁位u ，并且用标量函数来完整地晚明场中每 一点的特性，大大减少了方程的阶数，简化了计算。 首先将场的求解区域剖分成有限个磁网络单元，各单元相交点便是磁场方 袱的尊：点。荦元内任一点的求解函数可以由相邻四个点的函数表示，然后用 r u 路原理中的节点电压法柬处理标量磁位，磁势，磁导之问的关系，列出方程 组进行求解。此后，在每个网络单元的任一点，根据其坐标可构造出插值函 数，进而求出浚点的磁位值。 1 0 上海大学硕士学位论文 下面主要对磁网络法的基本原理作一晚明。 2 2 电机的三维磁网络模型 旋转电机的磁场一般沿电机的圆周呈周期性变化，具有周期性条件，可以 取一个周期的范围作为求解区域。 图2 - 1 ( a ) 横向磁场水磁电机 图2 1 ( b ) 磁网络模型 如图2 1 ( a ) 所示，该横向磁场永磁电机的每对极可以作为一个处理周 期，而且磁场的分布沿着轴向对称，所以可以耿轴向一半如图2 1 ( b ) 所示的 三维磁网络模型作为求解横向磁场永磁电机场量的一个区域，由此推广剑整个 电机的计算。这罩采用了正交坐标系中的圆柱坐标系，将电机的轴向方向定为 z 轴的方向，旋转方向定为0 轴的方向，径向方向定为r 轴方向。各个方向根据 1 1 上海大学硕士学位论文 需要可以划分有限个剖分点，然后将整个区域剖分成( ，。一1 ) ( ，。一1 ) ( k 。一1 ) 个网络单元。 2 3 磁网络参数的计算 2 3 1 电磁场的基本方程 麦克斯韦方程是电磁场的基本方程，是研究电机电磁场的理论基础。在恒 定磁场中，横向磁场永磁电机的磁场强度h 。和磁通密度b 分别遵守安培全电 流定律和磁通连续性定律，它们的微分形式分别为： r o t h g e s = ， ( 2 - 1 ) 西v b = 0( 2 2 ) 磁密占可表示为： b = p ( 2 3 ) 在永磁体内和电流区内的磁场强度日。可分别表示为： l 2 日c + 兰( 2 - 4 ) i h = h j + 其中h 。为永磁体的磁感应强度矫顽力，简称矫顽力：h ，为线圈通电后所 产生的磁场强度的一个分量。而磁场强度h 可由标量磁位u 表示如下： h = - g r a d u ( 2 5 ) 从矢量分析可知，任何标量函数梯度的旋度恒等于零，即 r o t h = - r o t g r a d u = o ( 2 6 ) 按照磁场强度的旋度是否等于零，恒定磁场分为无旋场和有旋场两种。而 永磁体内的磁场为无旋场，故 r o t h f = r o t h f j r o t h = 0 0 = 0 ( 2 - 7 ) 载流区内的磁场为有旋场，所以 r o t h j = f o r g e s r o t h = r o t g e s = ( 2 8 ) d j ( 2 - 8 ) 式可知，在电流密度l ，0 处，载流区内部的磁场厅，为有旋 场，它是不能用标量磁位来描述的，但片。经分解为h ，和后，就可以用 标量磁位来描述。为了要应用标量磁位这个非常便于计算的工具，需要加进 1 2 上海大学硕士学位论文 些附加条件来设法利用它，后面将会介绍如何用永磁体来等效电流的导体部 分。 2 3 2 磁网络单元磁导的计算 将电机的计算区域划分成一个个网络单元以后，就可以对网络单元边界上 的各点进行磁导的计算。图2 2 为网络单元示意图，为方便起见，下面以直角 坐标系来描述，圆柱坐标系也适用，只是0 轴方向的弧长用r e 表示。 下面将以坐标点( f ，) 为例，计算点( i ，j ，女) 的g p 它是y 方向点( f ，j ，女) 与点( i ，j + l ，女) 之间的平均磁导。先计算( f ，女) 邻近的四个网络单元i 、i i 、 i i i 、i v 的磁导，表达式如下： g , i2 ，。 d d ：ti d ，g 2 t 3 h ，drh d ：女d n ， g ，2 ，一1 ，i 。l d 一l d ：女一l d 。，g “- 2 雎n 一1 d d = 女一l d n ， ( 2 9 ) 式c 扎，f 。，r 。卅，1 t 卅。，r 。一网格单元i 、i i 、1 1 1 、i v 的磁导率 d 。，d 。一。一网格单元i 、i l 、i i i 、i v x 边长 d ：t ，d = 一网格单元i 、i i 、i i l 、i v z 边长 d 、，一网格单元i 、l i 、i i i 、i v y 边长 13 以上各值取平均值后就是点( i ，t ) 的g 。 g f 。j k = 0 2 5 ( y 。? i jk d ：j 。d ：jk + “i _ jj k d 。j ? 。d ! jk + 一1 + j 女一i d 十1 d ： 一1 + u 。 一l d d ：女一1 ) d 。， 同理，可以得到点( f ，女) 的g 。和g ， g ，= 0 - 2 5 ( 麒_ d d ：1 + f “i d ”，一l d = 女+ 岸，一1 ，t 一1 d 川一1 d ：+ 一l + 麒，女一1 d d ： 一i ) d 。f g ：一， = 0 2 5 ( , u ， d ，d + a d l d 。，+ 一一1 一i 女d 。i d ，j 一1 + i ht d 。d ，一1 ) d ： 2 3 3 永磁体的磁导、磁势计算 每口 0 h l l 6 目 。_ 瓦- b l ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 一1 2 ) li , t 1 k l “- 址警占_ “从 图2 - 3 永磷体的磁网络模型 上海大学硕士学位论文 图( a ) 表示了永磁体的矫顽力h 。的方向，那么它可以等效成如图( b ) 所示由一个恒磁动势源目。，与个恒定的内磁导g ，。相串联的磁动势源。图 ( c ) 所示为永磁体的磁网络剖分单元，这里选择了点( f ，j ，k ) 沿y 和z 轴方向 相邻的四个网络单元，图( d ) 所示为这四个网络单元等效的磁导和磁动势源， 图( e ) 为节点( f ，j ，k ) 到节点( i + 1 ，k ) 之间的等效磁导和磁动势源。 永磁体所产生的磁感应强度占和磁场强度之间的关系如下： b = u p ( ，+ h ) ( 2 - 1 3 ) 所以 b ，= p ( 片。+ h ，) ( 2 - 1 4 ) 在网络单元i 中，沿x 轴方向通过y ，z 面的磁通为： o 。，= 多d d y d ：= ( ，d ，d ：d 。) ( h “d 。+ h ，d ，) ( 2 - 1 5 ) 令 g = “p d v d ：； 8 p m “= h c d d x u u = h 。f d ： 可得 o 。i = g 。| t 8 | + u w 、 式中，g 。为网络单元i 沿x 轴磁导 【，。，为网络单元i 沿x 轴内部磁压降。 ( 2 一1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 一1 8 ) ( 2 1 9 ) 分。，为网络单元i 沿x 轴磁动势 点( f ，j ，t ) 沿x 轴方向的磁导和磁动势为各网络单元i ，i i ，i i i ，i v 所计算 的值的平均值，表达式如下： g 。? = o 2 5 ( g “+ g x f i + g 。i ! + g 。f r 、 2 - 2 0 ) 0 p l | = 0 2 5 ( g “e p m d + g 讲8 p if + g m j 8 p 州i + g 。! v e p m 。l y ) g 。二 i 乒呻 x i z k x f p z k x i z k x f p z k x i z k p x i p z k p x i z b x t p z k p x i y j z k x p y ，z 女 x i y j p 2 i x i p y j p z k x i y j z , 。p x 口y i z 如 x ”p z b x y p z i p u j ， u 女 u i ? ? k u p ji p ? k u f ，如 u 。唔 u ：j ? 唔 u ，m 。b 其中 。= j + 1 ， k ，= k + 1 ， f ，h 。二一o5 h 2 h 。h 、h 。h ：l ，= lh ，h ，h 、! 一0 5 ，u - h !t h ，h =i l th = h 。 h ：h h = 2 一o 5 h 2 j ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) ( 2 4 5 ) 2 0 m西即以如即跆咿 瓢“巩办加细纫加 巧乃m乃 所砌崩却n砌斯斯 i i 1 l 上海大学硕士学位论文 正= 2 0 h ，h ：， f y = “o 。hy 。hz ， = 0 5 ，t 。( ：2 一日，2 一日，2 ) ， ( 2 - 4 6 ) 以上就是磁网络法的基本思想及其部分公式推导，用此方法编制的3 d f e 软件可以求出所需的场量，为了将求得的结果应用于电机的具体分析，还可以 利用这些算出的场量来计算电机的感应电动势、电磁力、输出转矩、损耗等等 2 。 2 1 上海大学硕士学位论文 第三章电机的磁场计算 3 1 电机的主要尺寸 本课题所设计的聚磁式横向磁场永磁电机结构简单，不仅适合于大型电机 的应用，如低速大转矩输出的场合，而且还适合于中、小型电机的应用。考虑 到该电机是实验用电机，主要的目的是在现有的资金、设备条件下研究横向磁 场永磁电机的有关技术性能，且考虑到工厂己有的工艺装备，尽可能地简化电 机结构，减少原材料的消耗，降低成本，故选择的主要技术数据如下表 l 额定功率只= 2 0 0 w 额定电压 n = 2 4 v 额定转速 ”= 3 0 0 r m i n 相数掰= 2 极对数p = 1 0 电动机主要尺寸确定电动机的外形转廓、重量及材料费用，它和电动机的 技术性能指标有着非常密切的关系。主要尺寸选择得合理，整个电机的设计工 作就有了一个良好的基础，就有可能获得比较好的技术经济指标。电动机主要 尺寸与电动机的容量、转速、气隙磁感应强度等参数有关 2 9 ，本聚磁式横向 磁场永磁电机的主要尺寸如下 内定子外径 d 。= 6 6 4 m m 内定子内径 d ：j = 4 0 m m 定予过渡铁心外径 d 。：。= 9 8 8 r a m 定予过渡铁心内径 d 。= 6 6 4 r a m 外定子外径 d o 。= 1 2 5 2 m m 外定子内径 d 。，= 9 88 m m 气隙长= 度= o 6 m m 转子外径 p 。= 9 7 6 m m 2 2 上海大学硕士学位论文 3 23 d f e 软件的应用 3 2 1 网格单元的剖分 上一章对三维磁网络数值计算方法进行了介绍，并且对直角坐标系的情况 迸行了公式推导，3 d f e 就是基于该方法用f o r t r a n 语言编写的软件。该软件适 用于各种f 交坐标系，电机电磁场中常见的是直角和圆柱两种坐标系，下面就 3 d f e 软件在圆柱坐标系中的应用作一介绍。 在满足周期性条件下，选择了聚磁式横向磁场永磁电机中的一对极进行了 分析，如第一章图1 6 所示。图3 - 1 ( a ) 为图1 - 6 的轴向投影图，图3 - i ( b ) 为图1 6 的周向投影图。 如图所示，将电机的径向定为r 轴，共剖分2 8 个节点；周向定为0 轴，共 剖分3 7 个节点，隔1 。机械角度分一个节点：轴向定为z 轴，共剖分17 个节 点。值得注意的是，电机中存在着两个气隙，虽然内、外气隙长度很小，只有 6 m m ，但为了分析气隙中的磁密分粕，气隙中也需要剖分节点，如r 轴的节点 1 0 、l l ( 9 、1 2 之问) 和18 、1 9 ( 1 7 、2 0 之f h j ) ；除了剖分一对极的域外， 图中还加入了计算边缘区域磁场的节点，如r 轴的节点1 、2 和2 7 、2 8 ，z 轴的 节点l 、2 和i1 6 、1 7 ：在整个计算区域中，材料相同的部分节点+ 般均匀剖 2 3 上海大学硕士学位论文 分，如内定子铁芯沿r 轴从节点3 到节点9 共6 等分，内气隙沿r 轴从节点9 到 节点1 2 共3 等分，以此类推。 图3 1 ( a ) 标明了r 轴方向定、转子各个部分的节点剖分情况，而图3 - 1 ( b ) 标明了z 轴方向定、转子各个部分的节点剖分情况，为了能清楚地标明o 轴方向的节点，这里将图3 1 ( a ) 展开成如图3 1 ( c ) 所示。当转子转动时， 它沿着e 轴运动，故r 轴方向和z 轴方向的节点位置不变，而0 轴方向的节点 位置就会有所改变，图3 1 ( d ) 则为转子转动9 0 0 电角度后的情况。 日 i23 + 56789 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 饽2 02 1 2 2 2 3 2 4 2 舱6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 13 ：1 1 3 3 4 3 卵83 7 广t t 广t l l ij liil l ij l 上j l 上u 日 l254 - 5s 780 1 0 1 1 2 1 3 1 1 5 1 6 1 7 l a l 9 2 02 1 2 2 2 j 2 帕譬b 0 7 0 b 曲j 0 3 1 3 卫3 3 4 3 5 3 63 7 2 4 门 上海大学硕士学位论文 将定、转子的剖分情况输入d i s l d a t 文件，并选定电负荷、永磁体的矫顽 力、铁心的相对磁导率后，便可运行3 d f e 程序进行磁场计算，从而可以算得 各个节点的标量磁位，磁通密度，电机的出力情况等等。电机的转子旋转时， 为了能够分析转子在一对极下不同位置时的磁场分布及出力情况，我们在转子 每转过1 0 。电角度后，相应地改变d i s l d a t 文件中的节点数据并再次进行3 d f e 程序的计算，一个极下可以迸行1 8 次计算。出于每次数值计算反复迭代的次数 比较多，所以计算量很大。为了计算得更准确，节点就得剖分更多，计算量就 会相应增加。 3 2 2 空载电势的计算结果 在没有负载的情况下，当电机被带动以角速度旋转时，永磁激磁磁场在相 绕组中感应出一反电势，通常称之为空载电势。聚磁式横向磁场永磁电机的空 载电势同磁链的变化率有关，它随着转子位置的改变而改变。 磁通丸可以从磁场计算结果中获得，因此，每相绕组的磁链为： 五= 呒= 呒+ p + 声。 ( 3 - 1 ) 式中：为每相绕组的串联匝数，p 为极对数。 空载电势计算公式为： e ：塑塑：塑叮( 3 - 2 ) ”d od td o 其中刃为转速，d 占为转子位置角的变化量，可以通过简单的微分运算，方 便地获得等，下面用二点法求解： c t 氅塑：一d 2 万：型生万： d 9d td 8d 8 一 鉴丝二型万 0 2 一曰l ( 3 3 ) 该电机的p = 1 0 ，所以转子每次所变化的角度为1 。机械角度，在额定转速下 的空载电势计算公式为： 毛吡。耪+ 万= 岷蚋等堋吣3 0 0 6 * 。2 型= 1 8 0 0 0 呢叫( 3 4 ) 所计算区域铁芯中的磁通变化量 确定导线规格： 中。、= 2 1 8 8 1 0 。t 时取e o = 1 9 v 2 5 上海大学硕士学位论文 w a = e o o 1 8 0 0 0 = 4 8 2 匝，取w a = 4 8 匝 s ，= 1 5 1 3 = 1 9 5m m 2 ，d d 尸1 3 2 1 4 m m s c u = w + d t 。= 9 4 0 8 m m 槽满率s 。s 。= 4 8 2 5 图3 2 所示为电机转动一个极即半个周期情况下的一相空载电势波形图， 其波形为梯形波。图中，横坐标0 0 和1 8 0 。电角度的位置均代表定子铁芯中心和 转子铁芯磁极中心对齐时的位置：而9 0 0 电角度的位置代表定子铁芯中心和转 子永磁体中心对齐时的位置。 3 2 3 气隙磁密的计算 图3 3 为定、转子如图3 1 ( c ) 所示位置时钕铁硼永磁体在气隙中产生的 磁通密度分布波形，其中图3 3 ( a ) 为内气隙的磁密分布图，图3 3 ( b ) 为外气隙 的磁密分柿图。0 、z 轴上的数字表示在气隙平面沿着0 轴、z 轴方向剖分的节 点号，图中显示了一对极下的气隙平面中各个节点的磁密值。 图3 - 4 ( a ) 、( b ) 为定子铁芯中心和转子铁芯磁极中心对齐时的空载气 隙磁密分枷，即如图3 1 ( d ) 所示的转子位置时的空载气隙磁密分却情况。 2 6 上海大学硕士学位论文 圈3 - 3 ( a ) 空载时内气辣的磁密分布 图3 - 3l b ) 里载对外气腺的鞋密分布 9 圈3 一日( a ) 空戴时内气障的碱密分布 日 图3 - 4 ( b ) 空载时外气隙的磁密分布 图3 - 5 ( a ) 、 ( b ) 为定子铁芯中心和转子铁芯磁极中心对齐时通以6 a 电 流情况下的合成气隙磁密分布情况。从图可见，图3 4 的空载气隙磁场和图3 5 的合成气隙磁场并没有较大变化，说明在该位置电枢反应磁场相对永磁体磁场 来说影响不大。 2 7 上海大学硕士学位论文 困3 - 5 ( a ) 内气昧的台成蠢密分布圜3 - 5 ( b ) ，b 气球豹营成鼓露分布 3 2 4 输出转矩的计算 采用3 d f e 软件可以算出转子的上、下表面受力情况，转矩的公式可以表 示如下： r = p 魄吃2 一 + d 。1 2 ) 其中p 为极对数，上代表转子上表面所受的力，冉代表转子下表面所受 力，珥为转子内径，d 。为转子外径a 图3 - 6 为电机通以不同电流情况下的每相输出转矩波形： 舛予擅置电囊度 冒3 - 6 不同电滴下的输出转矩