（电力电子与电力传动专业论文）新型横向磁场永磁电机设计与研究.pdf

上海大学博士学位论文 段。 最后，对试制样机进行了实验研究。测试结果与设计计算相符合，验证了设 计计算的正确性。 关键词： 横向磁场永磁电机，公共联结铁心，拓扑结构，三维等效磁网络，数字仿真 控制系统 v 上海大学博士学位论文 a b s t r a c t a san o v e li n v e r t f e de l e c t r i cm a c h i n e ，t h et r a n s v e r s ef l u xp e r m a n e n t m a g n e t e l e c t r i cm a c h i n e ( t f p m ) p r e s e n t sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl o w e rs p e e d ，h i g h e r t o r q u e - - d e n s i t y , h i g h e rr e l i a b i l i t ya n dh i g h e ro v e r - l o a da b i l i t y , a n dt h e r e f o r et h e t r a n s v e r s ef l u xp e r m a n e n t m a g n e te l e c t r i cm a c h i n e ( t f p m ) b e c o m e sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n ti nt h ee l e c t r i cd i r e c td r i v i n ga r e a h o w e v e r ，t h ec o m p l i c a t e ds t r u c t u r e ，t h e d i f f i c u l t yi nm a n u f a c t u r i n g ，h i g h e rc o s to fp r o d u c t i o n ，a n d s h o r t a g eo fd e s i g n i n ga n d a n a l y s i n gm e t h o d sf o rt f p ml i m i ti t sd e v e l o p m e n t i nt h i st h e s i s ，an o v e lt o p o l o g y s t r u c t u r eo ft f p mw a sp r o p o s e d b a s e do nt h i sp r o t o t y p e ，a ni n d e e pr e s e a r c hw o r k w a s p r o c e e d ，a n dh a v eag o o ds u c c e s sa sb e l o w f i r s t l y , o nt h eb a s i so fi n d e p t ha n a l y s i n ga n du n d e r s t a d i n gt h ee x i s t i n gv a r i o u s t o p o l o g y s t r u c t u r e sa n dt h e d e v e l o p m e n t s t u t u so ft h et r a n s v e r s ef l u x p e r m a n e n t - m a g n e te l e c t r i cm a c h i n ea th o m ea n da b r o a d ，p r o p o s e dan o v e lt o p o l o g y s t r u c t u r eo ft f p mw h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h o s eo ft h et r a d i t i o n a lt f p m s u s i n ga c o m m o n l i n k a g es t a t o rc o r e o nw h i c ht h e r ei sal o to fs l o t sf o rp o s i t i o n i n ga n d m o u n t i n gi nt h i sn o v e lt o p o l o g ys t r u c t u r e ，t h eo u t s i d ea n di n s i d ec o r eo fs t a t o r - p o l e s c a nb ei n s e r t e di n t os l o t se a s i l yj u s tl i k et h eb u i l d i n gb l o c k s ，t h e r e f o r e ，t h i sn e w s t r u c t u r ec a ns i m p l i f i e st h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，r e d u c e st h ec o s to fp r o d u c t i o n ， e n h a n c e st h ea c c u r a c i e sf o rp o s i t i o n i n ga n dm o u n t i n g ，s t a n d a r d i z e st h es t a t o rp a r t s ，e t a 1 t h i sn o v e lt o p o l o g ys t r u c t u r ei sa ni n n o v a t i o n ，a n dh a sab e t t e rp r a c t i c a b i l i t y s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ec o m p l i c a t e ds t r u c t u r eo fm a g n e t i cc i r c u i to ft h e t f p m ，a n dt h ef e a t u r et h a tt h es t a t o r - m a g n e t i cf i e l dc r e a t e db ya r m a t u r ec u r r e n ta n d t h er o t o r - m a g n e t i cf i e l dc r e a t e db yp e r m a n e n t - m a g n e ta r en o tl o c a t e di nas e r i e so f p a r a l l e l p l a n e s w h i c hh a v et h es a m ed i r e c t i o n ，m a k eat h o r o u g h s t u d yo ft h e f u n d a m e n t a lt h e o r yo ft h r e e d i m e n s i o n a l e q u i v a l e n tm a g n e t i c n e t w o r km e t h o d ( 3 d e m n ) a n di t sa p p l i c a t i o ni nt h ei n s i d ea r e a so fp e r m a n e n t - m a g n e ta n da r m a t u r e c o i l u s i n gt h i sm e t h o dc a l c u l a t et h em a i np a r a m e t e r sa n dp e r f o r m a n c eo ft h e p r o t o t y p e t h i sp r o j e c ti m p r o v et h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h es c i e n t i f i cr e s e a r c h a n d e n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o np r a c t i c e t h i r d l y , a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ef e a t u r ea n do p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c eo ft h e t w o p h a s et f p m ，ac o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e da n dp r e p a r e d t h ep e r f o r m a n c eu n d e r u n i p o l a rc o n d u c t i n gm o d ew a sa n a l y s e di nd e t a i l ， f o u r t h l y , an o n 1 i n e a rm a t h e m a t i cm o d e lf o rt f p mw a se s t a b l i s h e d ，a n da l l v i i 上海大学博士学位论文 u n i v e r s a lm o d u l a r i z e dd i g i t a ls i m u l a t i o nm o d e lw a sd e v e l o p e do nt h ef l a t f o r mo f m a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e p a c k a g e b a s e d o nt h i s p l a t f o r m ，d y n a m i cd i g i t a l s i m u l a t i o nf o rt h ep r o t o t y p ea n di t sc o n t r o ls y s t e mw a se x e c u t e d ，c o n t r o ls t r a t e g yw a s t ob eo p t i m i z e d ，t h eo p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n tm o d e sw a st ob ea n a l y s e d m e a n w h i l e ，af u l ls o f t w a r ep l a t f o r mf o rt h ed e v e l o p i n go ft f p m sw a se s t a b l i s h e d t o g e t h e rw i t i l3 d e m n ，t h e r e f o r e ，ag o o d s c i e n t i f i cr e s e a r c hm e a s u r ef o rf l l r t h e r r e s e a r c h i n ga n da n a l y s i n gt f p m sa n dt h e i rc o n t r o ls y s t e m sw a s c r e a t e d f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t sf o rt h ep r o t o t y p eh a v eb e e ne x e c u t e d t h et e s tr e s u l t s h a v eag o o dc o i n c i d e n c ew i t ht h o s eo fd e s i g n i n g ，t h ec o r r e c t n e e so fd e s i g n n ga n d a n a l y s i n gw a s t ob ei d e n t i f i e d k e ”v 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 te l e c t r i cm a c h i n e ( t f p m ) ；c o m m o n l i n k a g e s t a t o rc o r e ； t o p o l o g ys t r u c t u r e ；t h r e e d i m e n s i o n a le q u i v a l e n tm a g n e t i cn e t w o r km e t h o d ( 3 d e m n ) ；d i g i t a l s i m u l a t i o n ；c o n t r o ls y s t e m v i i i 上海大学博士学位论文 原创性声明 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。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：越丝日 本论文使用授权说明 期：2 卯z 职27 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：2 邑上洼导师签名：乡，辽中日期：二。g g 上海大学博士学位论文 第一章绪论 1 1引言 随着电动车、磁悬浮铁路和舰船电力驱动等大功率电气传动技术以及大功率 风力发电技术的发展，人们开始对低速、高转矩密度、直接驱动电动机的要求日 益迫切。其中稀土永磁电机以其效率高、体积小以及转矩密度大等特点成为了直 驱电机的主流n “1 。 目前直接驱动永磁电动机以其励磁磁场方向进行分类主要有两种结构形式： 径向励磁和轴向励磁，并且由于径向励磁的永磁电动机结构简单，与传统电机的 加工工艺相类似，成为直驱永磁电动机的主流，例如在目前电动自行车中就广泛 采用了这种径向励磁的、外转子直驱永磁电动机。然而对于有更大转矩输出和更 小体积要求的场合，这种传统径向励磁结构的直驱电动机很难满足转矩提升的要 求。这主要是由于磁通流经的齿部和电流流过的电枢绕组在同一截面上，这就存 在着增加气隙磁通与提高绕组电流密度之间的矛盾，即磁通量与电流密度的乘积 基本保持在一定范围内，因此输出转矩密度难以得到更高的提升”。为了进一 步减小大功率直驱电动机的体积、重量和原材料的消耗，提高材料利用率，研究 新型结构形式的高转矩密度直驱电机具有重要的学术价值和实用意义。 1 2 横向磁场永磁电机工作原理和特点 横向磁场永磁电机从理论上较好地解决了上述转矩密度提升问题。横向磁场 永磁电机( t r a n s v e r s ef l u xp mm a c h i n e 一- - t f p m ) 最早是上世纪八十年代末由德 国著名的电机专家h w e h 教授提出的一种新型电机结构形式7 1 。为了更好地 说明横向磁场永磁电机的特点，首先来讨论传统电机的转矩密度以及制约转矩密 度提升的因素。 1 2 1 传统电机的转矩密度 图卜1 为传统的径向式永磁电机的结构示意图。我们首先来讨论这种传统电 机的转矩密度。由电磁学的安培力定律知道，1 ，电机的平均电磁力可表示为： 上海大学博士学位论文 f d = b 占j f ( 卜1 ) 式中，b 占为气隙磁通密度， ，为电枢槽电流， z 为电枢轴向长度。 相应的电磁转矩为： ：堕：r s ，盟(1-2)t a 2 f a 了2 b j l 了 。 式中，d 。为电枢直径。 为了更好地衡量电机转矩输出的能力，定义转矩密度乃为单位气隙表面的 电磁转矩蚴，则有 乃2 毒= 南百1 驯 s ， 由于 既= - b t t 3 ，= ，- s ， ( 1 4 ) 所以，转矩密度t 。的表达式( 1 - 3 ) 可以写成： 乃= 瓦1 争b t 如瓦1 了b t 母b j ( 1 - s ) 式中，t 为电机的定子齿距， b 为定子齿宽， b 为齿部磁密， s ，为槽面积， 。，为电流密度。 上海大学博士学位论文 图l l 传统电机的齿槽结构 由式( 1 - 5 ) 的转矩密度公式可以看出：电流密度j 和齿部磁密b ，分别取决 于电机冷却方式和铁磁材料特性。因此，在一定条件下，电流密度j 和齿部磁密 b 基本为常数，只有通过增加齿宽b ，和槽面积只来实现转矩密度的提高。但是， 由于传统电机的定子槽截面s 。与齿宽b ，处在同一剖面内，在定子外径一定的情 况下，存在着同时增加放置电枢绕组所需的槽面积和增加磁通所需的齿宽之间的 矛盾，即如果增加槽面积s 。，定子齿宽b ，就要减小，反之亦然，因此很难从根 本上进一步提高电动机的转矩密度。 为进一步提高电动机的出力，1 9 8 6 年，德国的h w e h 教授提出了横向磁场 永磁电动机的设计思想，从理论上较好地解决了上述转矩密度的提升问题。 1 2 2 横向磁场永磁电机的转矩提升原理 w e h 教授提出的t f p m 原型机如图1 - 2 所示“，该原型机分别由上下两层 ( 或者说内外两层) 均匀分布的u 形( 凹字型) 铁心构成，为双定子结构，内 外定子铁心正交放置，即错开半个定子极距，两个环形的集中绕组分别放置于内 外定子铁心的凹槽中；转子的前后两端均装配由稀土永磁体和叠片式扇形铁心组 装而成的圆环形结构的磁极组件，相邻两个永磁体之间是一个叠片式扇形铁心， 呈拼块式永磁结构。前后磁极组件内的两个相应的永磁体的极性必须相对配置； 同一组件内的两个相邻永磁体的极性也必须相对配置。 其基本工作原理如下：静止平衡位置时，永磁转子磁场( 或永磁体发出的磁 上海大学博士学位论文 通) 由转子前端磁极组件的n 极出发，经过外( 上) 定子铁心前端一外( 上) 定子铁 心背部一外( 上) 定子铁心后端一转子后端磁极组件的s 极一转子后端磁极组件的 n 极一内( 下) 定子铁心后端一内( 下) 定子铁心背部一内( 下) 定子铁心前端一转子 前端磁极组件的s 极一转子n 极形成闭合回路，如图( 1 - 2 ) 中箭头所示。 图1 2 聚磁式横向磁场永磁电机 当定子线圈通电流后，u 形的定子铁心中也产生磁场，这时可以等效地把定 子的前后两个齿部看成是两个不同的磁极，为产生运动转矩，其极性应与转子的 极性正交，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 体所产生的磁场会相互作用，使得转子转动起来，转子移过一个极的距离后，只 要相应地改变定子线圈中的电流方向，转子就可以连续地运转了。所以横向磁场 永磁电动机除了有定子和转子来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流装置，属于自控式同步电动机的范畴。 综上分析，t f p m 电动机具有不同于传统永磁同步电动机的磁路结构：在传 统的永磁同步电动机中，定子线圈产生的磁场和转子永磁体产生的磁场均处在一 系列相互平行的共用平面内；而在t f p m 电动机中，由定子线圈产生的磁场和由 前后圆环形转子组件内的永磁体所产生的磁场各自分别处在一系列相互垂直的 平面内。因此，在t f p m 电动机中，电枢电流产生的定子磁场和永磁体产生的转 子磁场在结构上解耦的，不存在着增加电枢电流所需的槽面积与增加磁通所需的 上海大学博士学位论文 齿宽之间的矛盾。设计人员可以根据需要沿轴向调整磁路尺寸和线圈窗口面积来 调节气隙磁通量和绕组磁势的大小，以获得较高的转矩密度【1 3 l 。 1 2 。3 横向磁场永磁电机的特点 综上所述，t f p m 电机具有以下鲜明的结构特点： ( 1 ) 结构的模块化 t f p m 电动机是以u 形定子冲片为基本单元模块组合而成的，通过不同规格 的u 形铁心模块的不同组合就可以形成不同功率等级的t f p m 电动机，容易实 现系列化：同时对u 形单元模块而言，其体积小，易于加工，工装模具成本低。 这种模块化结构是t f p m 电机的主要结构特点。 ( 2 ) 磁路的解耦性 在t f p m 电动机内，电枢电流产生的定子磁场和永磁体产生的转子磁场之间 的相互解耦有利于力矩密度的提高。同时，磁路结构上的解耦可以简化控制方法， 为电动机控制的实时性、准确性提供了可能和条件。 ( 3 ) 材料利用率高 对u 形定子铁心而言，其齿部和轭部具有相同的截面积，磁通密度均匀， 铁心材料的利用率高；同时，t f p m 电动机的电枢绕组没有传统电机的绕组端部， 显著地节省了铜材；因此t f p m 电动机有效材料的利用率高，原材料成本低，这 也是近来t f p m 电动机受到世界各国重视的主要原因之一。 ( 4 ) 低速特性好 t f p m 电动机可以比较容易地通过增加磁极对数来实现低速运行；同时通过 增加电流和磁通密度来提高输出转矩。因此，t f p m 电动机特别适合于低转速、 大力矩和直接驱动的电力传动领域。 当然横向磁场永磁电动机也有某些缺点：首先，它的加工、安装工艺比较复 杂，制造难度大；其次，磁场是三维的，磁路复杂，分析、计算相对困难。 上海大学博士学位论文 1 3 横向磁场永磁电机的分类 按照t f p m 电动机的磁路特点，t f p m 电动机基本上可以分为平板式、聚磁 式和无源转子式等类型。 1 3 1 平板式横向磁场永磁电机 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 ) 为单边平板式结构，图1 - 3 ( b ) n 弼2 边平板式结构，图1 - 3 ( c ) 为德国a a c h e n 工业大学于1 9 9 7 年设计的三相外转子结构平板式横向磁场永磁电机“。由于这 种结构形式的t f p m 电机的永磁体是平铺于转子表面的，因此称之为平板式横向 磁场永磁电机( f l a tf o r mt f p m ) 。平板式横向磁场永磁电机结构简单，但气隙磁 通密度较低，转矩密度不高。 图1 - 3 ( a ) 早期单边平板式结构 图1 - 3 ( b ) 早期双边平板式结构 上海大学博士学位论文 内定子 外定子 图1 - 3 ( c ) 三相平板式结构 图1 - 3平板式横向磁场永磁电机的拓扑结构形式 1 3 2 聚磁式横向磁场永磁电机 平板式横向磁场永磁电机虽然结构简单，但是漏磁大，磁钢利用率低；同时 由于辅助磁路的存在，不仅使得定予结构复杂，而且占用了定子绕组的有效空间， 增加了f t f p m 电机的体积，因此各项性能指标均低于t f p m 原型机。前面分析 原理时介绍的图i - 2 就是早期双边聚磁式横向磁场永磁电机的原型机。 为了简化聚磁式横向磁场永磁电机的结构，世界著名的劳斯莱斯公司 ( r o l l s r o y c e ) 国际研发中- 1 1 , 于1 9 9 7 年提出了一种新的t f p m 电机拓扑结构， 如图1 - 4 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 形定子铁心旋转9 0 度成为图中所示的c 形定子结构，且定予铁芯的两个 齿部错开一个极距，分别对应不同极性的永磁体，从而使得转子中的永磁体能够 得到充分的利用“，达到了节约铁芯材料的同时又不影响电机的性能的目的。 上海大学博士学位论文 图1 4c 形铁心聚磁式横向磁场永磁电机 另外，图l 一5 所示的聚磁式结构也对定子部分进行了改进，用软磁材料 ( s m c ) 将其做成一个整体，这样可以减小电机的固定装置，简化电机的整体结 构n 刚。 图1 5s m c 聚磁式横向磁场永磁电机 1 3 3 无源转子横向磁场永磁电机 前面两种t f p m 电动机的转子上均由永磁体和铁磁材料组成，因此转子本身 具有磁性，是有源的( 磁势源) 。这种有源转子存在加工困难、机械结构性差以 及振动等问题，在1 9 9 9 年加拿大a l b e r t a 大学的b e h a s u b e k 等设计了无源转 子t f p m 电动机( p a s s i v er o t o rt f p m p r t f p m ) “，如图1 6 所示。它是将 t f p m 电动机转子上的永磁体移到定子上，同时将转子铁心倾斜个极距，以简 化转子的加工工艺，但这样增加了永磁体的用量。 上海大学博士学位论文 定子铁心 定子磁钢 绕组 转子贴心 图1 6 无源转子t f p m 电机 1 4 横向磁场永磁电机的发展现状及存在的问题 1 4 1 横向磁场永磁电机的发展现状 随着电动车、电力推进装置等研究的深入，人们对高功率密度、低速直接驱 动电机的要求更加迫切，t f p m 电机成为研究热点，许多欧美经济发达国家投入 了大量的人力、物力和财力进行t f p m 电机理论和应用研究。目前，各发达国家 正在竞相开发横向磁场永磁电机，并且已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、高速领域目前尚不具备优势，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”。“。例如，在英国国防部的资助下，由英 国劳斯莱斯( r o o l s r o y c e ) 国际研究发展中心的a j m i t c h a m 教授等组成的课题 组，于1 9 9 8 年开始了电力推进船用横向磁场永磁电动机的研究，并已研制成功 了3 m w 实验用聚磁式横向磁场永磁电动机，如图1 - 4 所示的结构形式；在此基 础上，该研究中心正准备进一步研究制造2 0 m w 的舰船用推进电动机，如图l 一7 所示，从而证明其有重要的军用价值。 上海大学博士学位论文 图1 72 0 m w 的舰船用t f p m 推进电动机 德国于1 9 8 8 年率先完成了首台4 5 k w 横向磁场永磁电动机( t f p m ) 样机后， 在1 9 9 9 年又将t f p m 电机作为今后电动车发展的优选部件之一( 即o k o f e h 计 划1 加以资助和研究；图1 8 是德国v o i t h 公司制作的2 4 0 0 n m 、1 5 0 k w 的t f p m 电动机外形和展开示意图。 ( a ) 外形图 ( b ) 展开示意图 图1 - 8 德国v o i t h 公司t f p m 电机外形和展开示意图 上海大学博士学位论文 美国通用汽车公司也于1 9 9 9 年开始研制3 0 k w 电动车用横向磁场永磁电动 机；瑞典等国将横向磁场电机应用于直接驱动风力发电机的研究。另外横向磁场 电机对直线驱动、磁悬浮技术等也有很大的借鉴作用，因此具有较高的理论研究 和应用价值。 在国内，上海大学特种电机研究室江建中教授领导的课题组在9 0 年代初率 先开展了横向磁场永磁电机的理论研究 2 ，编制了相应的分析和设计软件， 奠定了良好的理论基础和软件设计平台；近年来设计了多种新型拓扑结构的横向 磁场电机，取得了丰硕的研究成果。本课题就是在国防预研项目的支持下，在上 述研究基础上，在江建中教授的指导下开展的更深入细致的研究。 1 4 2 横向磁场永磁电机存在的问题 t f p m 电机与传统电机原理上有很大不同，因此在丰富电机拓扑结构的同 时，也对电机设计理论和设计方法提出新的要求，目前对t f p m 电机还存在许多 问题，主要体现在以下几个方面： 1 、结构和工艺 复杂的结构和工艺是制约t f p m 电机发展的主要原因之一，简化设计结构和 制造工艺一直是t f p m 电机的研究热点7 2 。由于结构、工艺复杂，目前横向 磁场电机还主要应用于大功率、大转矩的场合，在中小功率场合应用较少，这进 一步制约了横向磁场电机的更加广泛研究。因此如何简化加工工艺，提出适合中 小功率的t f p m 电机结构形式，对推进t f p m 电机的发展具有更加重要的意义。 2 、t f p m 电机磁场计算 在传统电机内，由于电枢电流产生的定子磁场和永磁体产生的转子磁场处在 同一空间平面内，因此一般均采用二维场进行分析，其理论和技术成熟，并且能 达到足够的设计精度；t f p m 电机则不然，其电枢电流产生的定子磁场和永磁体 产生的转子磁场各自处在相互垂直的不同平面内，因此最好采用三维场进行分析 “。但是三维磁场的计算复杂，同时其剖分效果和磁场的描述不直观，因此 人们曾经试图采用简化二维场的方法进行t f p m 磁场分析1 9 ，捌，这种计算可以 上海大学博士学位论文 在一定程度上对t f p m 电机进行定性的分析，但是作为定量计算则误差较大；从 目前的研究成果来看，基于等效磁网络的三维磁场数值计算是分析t f p m 电机的 有效手段溉3 43 。 纵观国内外研究开发现状，由于横向磁场永磁电机( t f p m ) 在结构上实现 了电磁解耦，可以在较大的范围内提高气隙磁通密度崩一和电枢电流1 0 的数值， 从而能够显著地提高电机的转矩密度1d ；同时，结构上的电磁解耦致使设计更 加灵活，拓扑结构多种多样，特别适宜于大直径、扁平式、多极、低转速的应用 领域。但是，横向磁场永磁电机( t f p m ) 还存在着不少技术问题，诸如结构复 杂、功率因数比较低等，有待于进一步深入研究改进。 1 5 本论文主要研究内容 针对上述问题，本论文从电磁设计、加工工艺、磁场分析、系统仿真、控制 系统的设计以及样机试验等方面，对一种新型的具有公共联结铁心的组合定子聚 磁式横向磁场永磁电机的系统进行研究，较深入、全面地阐述了这种新型横向磁 场永磁电机的转矩特性和设计特点。 从论文布局上，本篇博士学位论文共由七章组成，除了本章对横向磁场永磁 电机基本工作原理和研究现状的讨论外，其他章节将分别探讨以下几个方面的内 容： 第2 章主要分析了一种具有公共联结铁心的组合定子的新型聚磁式横向磁 场永磁电机的具体结构特点，并在此基础上，对这种结构特点的t f p m 电机的加 工、制作工艺进行了详细的讨论，设计了固定、安装定子和转子的工装和夹具， 使其更适合于中、小型t f p m 电机的应用。 第3 章进行了样机的磁场分析和静态特性计算，介绍了基于等效磁网络的三 维磁场数值计算方法，并借此进行了不同工况下样机的磁场分析，计算了绕组磁 链、感应电动势、电磁转矩以及绕组电感等参数和静态特性，这些计算结果与样 上海大学博士学位论文 机试验结果吻合。 第4 章介绍了横向磁场永磁电机控制系统，系统介绍了功率变换电路、驱动 电路、位置检测电路以及电流采样保护电路等的硬件电路设计思想、原理和具体 电路组成，设计、制作了控制系统电路。 第5 章是t f p m 电机的数字仿真，建立了基于非线性磁参数法的动态数学模 型，分析了h 桥电路不同控制方式下的工作特点，并在s i m u l i n k 仿真平台上建 立了t f p m 电机及其功率变换电路的通用仿真模型，进行了不同控制模式下系统 的数字仿真研究，分析了电压控制和电流控制下样机的稳态性能。 第6 章介绍了样机实验平台，并进行了系统的样机实验研究，验证了样机设 计、计算和仿真的准确性。 第7 章系统总结了全部研究工作，并对今后的工作进行了展望。 本论文提出一种结构新颖的横向磁场电机，并对其进行了全面的研究，内容 丰富，基本上涵盖了电机设计、制造、仿真及其控制系统设计的全部内容，样机 试验的各项性能指标达到了设计要求。本论文的工作，丰富了横向磁场永磁电机 的拓扑结构、设计理论和制作工艺，在理论研究和实际应用上都有较大发展。 上海大学博士学位论文 第二章新型具有公共联结铁心的积木式 横向磁场永磁电机结构设计 本课题组在过去t f p m 的研究过程中，曾率先提出了一种具有过渡铁心的 组合定子结构形式的t f p m 电机“，但在具体实施时发现采用这种结构时内外 定子铁心的固定较为困难，同时环形过渡铁心的机械强度较差，导致样机的振动 噪音较大。针对这些问题，本论文采用了全新的结构形式，设计了新型的开槽、 分段公共联结铁心，这样内外定子铁心可以像积木一样直接插入槽中，在保证机 械加工的强度的同时，大大简化了固定工艺，提高了电机的标准化程度，降低产 品生产过程的成本，真正把该技术推向实用化。 2 1 定子结构及设计 本电机采用4 相1 5 对极，外磁极与内磁极错过1 8 0 。电角度，即1 2 。机械 角度，电机定子由外磁极、内磁极、轭部、绕组和机壳所组成，具体结构如图 2 1 所示。 图2 1 电机定子结构 上海大学博士学位论文 定子轭部是本课题的创新结构，它是安装内外两组磁极体的公共联结铁心。 在公共联结铁心上，按照内外两组磁极体和分布尺寸要求在不同的直径上开设两 组矩形安装孔，然后把定子磁极体镶嵌在矩形孔中。这样，既可以简化安装工艺， 又可以保证两组定子磁极体的分布精度，有利于产品的系统化和标准化。为了减 少定子轭部内的涡流损耗，定子轭部由硅钢片粘叠而成，并将其设计成由三个扇 形铁心拼接而成，具体结构形状如图2 2 和2 3 所示。 图2 - 2 单块扇形定子轭部 图2 - 3 拼接成的定予轭部 上海大学博士学位论文 定子轭部，即公共联结铁心的外园上有三个缺1 2 1 和六个圆形通孔，三个缺口在各 相错位时用作定位基准；六个圆孔则作为电机绕组的穿线孔。 定子内外磁极体的结构非常简单，同样用硅钢片叠装而成，如图2 4 所示。 图2 1 4 定子磁极 这样，图2 - 4 所示的磁极就可以像积木一样地插入到定子背轭的槽孔中， 形成一相绕组的定子铁心。这种具有公共联结铁心的积木式定子结构装配后的外 形如图2 5 所示。 图2 1 5 定子铁心 上海大学博士学位论文 为了进一步保证定子的机械强度，可以将定子铁心装入机壳后再用环氧浇 铸。这样制成的定子铁心部件仅是a 相的绕组的定子铁心部件，如图2 - 6 所示。 图2 - 6 一相定子部件 以上介绍的是a 相绕组的定子铁心部件，b 、c 相定子铁心部件稍有不同， 它们的公共联结铁心将背靠背紧密地安装在一起，两个定子铁心部件合用一段机 壳。a 、b 、c 三相的公共联结铁心，借助它们外圆上的三个定位缺口( 或称做 定位槽) ，在安装时相互之间错开四分之一极距。其外形结构如图2 7 和图2 - 8 所示。 上海大学博士学位论文 图2 7b 、c 两相绕组的定子铁心部件 图2 - 8 装入机壳后的b 、c 两相绕组的定子铁心部件 上海大学博士学位论文 d 相绕组的定子铁心部件则与a 相绕组的定子铁心部件相似。 这样，整个电机a 、b 、c 、d 四相绕组的定子铁心部件如图2 - 9 所示，其中 a 、b 、c 、d 四相之间相互错开四分之一极距。 四相之间也可以相互错开二分之一极距，并将极性相反的两相反向串联作为 一相，这样总的相数变成两相。本电机的实际方案即为两相运行方式。 图2 - 9 电机定子铁心 2 2 转子结构及设计 转子采用聚磁结构，永磁体选用烧结钕铁硼，其形状如图2 1 0 所示。 鼢移 图2 1 0 转子永磁体图2 1 l转子磁极体 上海大学博士学位论文 转子磁极体采用扇形硅钢片叠装而成，如图2 1 1 所示。 转子支架采用铝合金制作，为保证转子磁极的分布精度和转子的强度，支架 的两面铣有定位槽，如图2 1 2 所示。 蕊慈蕊更两 醚 鋈 邈 图2 1 2 转于支架 转子永磁体和转子磁极体在安装时，先用螺钉把转子磁极体固定在转子支架 上，然后可以在永磁体的两侧表面涂敷一层粘腥，再把永磁体装入转子磁极体之 间，以便提高转子部件的整体机械强度。整个转子部件如图2 - 1 3 所示。 上海大学博士学位论文 图2 1 3 转子部件 上海大学博士学位论文 2 3 位置传感器结构及设计 转子位置传感器采用霍尔元件作为传感器件，若干个霍尔元件按照电子换向 的逻辑要求，被精确地安置在定子上。为保证转子位置检测的可靠性，跟踪转子 采用一个与横向磁场电动机的主转子同样极数的多极磁环，如图2 1 4 所示。 图2 1 4 跟踪转子结构示意图 上海大学博士学位论文 装配后的电机结构示意图如图2 1 5 所示。 2 4 样机实物照片 图2 1 5 电机总装图 样机实物照片如图2 1 6 所示，其中积木式定子的结构如图2 1 7 所示。 图2 1 6 样机实物照片 上海大学博士学位论文 图2 1 7 积木式定子结构 2 4 上海大学博士学位论文 第三章横向磁场永磁电机的三维场 分析与特性计算 3 1 概述 在传统电机内，由于电枢电流产生的定子磁场和由永磁体产生的转子磁场是 在同一平面内，因此一般均采用二维场进行分析，其理论和技术成熟，并且能达 到足够的精度”；t f p m 电机则不然，其电枢电流产生的定子磁场和永磁体产生 的转子磁场各自处在相互垂直的不同平面内，因此必须采用三维场进行分析。三 维场可以用有限元法分析，但其计算量很大。磁网络法同样可以用于三维磁场数 值分析，而其计算量要小得多，因此它是分析t f p m 电机的有效工具n 3 ，川。 对于三维磁场，采用标量磁位作为求解变量，要比采用矢量磁位优越，因为 空间一点的标量磁位只有一个量，而矢量磁位有三个分量，使得采用矢量磁位时 的总变量数是采用标量磁位时的三倍，大大增加了计算量阳6 3 。但是采用标量 磁位存在一个障碍，就是它一般不能用于电流区。在有限元法中，为了使标量磁 位同样能够适用于电流区，必须采用某些处理办法。 磁网络法的基本思想是m 3 9 4 ：将场域剖分为许多长方体网络单元，每个 网络单元看成是段磁路，由等效磁动势和等效磁导两个量表征它的磁性能。对 于不存在励磁源的网络单元，如空气中的网络单元，则只有等效磁导，其等效磁 动势为零。对于存在励磁源的网络单元，如载流线圈所包围的区域( 包括线圈边) 和永磁体中的网络单元，其等效磁动势不为零。将网络单元的节点的标量磁位( 以 后简称磁位) 作为求解变量，联立所有节点的磁场方程，就可计算出所有节点的 磁位，以此作为后续计算所需的数据。 上海大学博士学位论文 3 2 三维等效磁网络法的基本原理 3 2 1 磁网络法的基本方程 磁网络法的基本方程来源于麦克斯韦方程。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，磁场强度日和磁通密度口 分别遵守安培全电流定律和磁通连续性定律，它们的积分形式分别为： f 。h d s = 1( 3 - 1 ) ，。b d a = 0( 3 - 2 ) 在采用磁网络法时，将上述方程的积分离散为求和，并对场量采用标量形式， 上述方程变成： 。h as = 1 ( 3 - 3 ) 。b a = o( 3 - 4 ) 式( 3 - 3 ) 中，h 是沿网络单元边的磁场强度分量，as 是网络单元边磁路长 度，是作用于闭合磁路的磁动势。式( 3 - 4 ) 中，口是沿网络单元边的磁通密度 分量，a a 是与网络单元边垂直的网络单元边截面。这里指的网络单元边截面是 共用该条网络单元边的4 个网络单元的截面之平均值，也就是4 个网格单元的截 面之和的1 4 。 将式( 3 - 3 ) 中的全电流，表示成构成闭合磁路的每条网络单元边的磁动势 口的总和，则式( 3 - 3 ) 成为 。( h as 一目) = 0 ( 3 5 ) 由于穿过网络单元边截面的磁通函= b a a = 口h a a ，式( 3 5 ) 可改写成 。 函( 口州as ) 一目 = o ( 3 - 6 ) 式中as 是网络单元边磁导，记为g ，式( 3 - 6 ) 又成为 ，( 西信一目) = 0 ( 3 - 7 ) 式( 3 7 ) 就是全磁路欧姆定律。 取出一段网络单元边，设其两端的磁位差为u l 一，有 c p g 一口= 队一觇 ( 3 - 8 ) 式( 3 - 8 ) 就是含源支路欧姆定律。 上海大学博士学位论文 将式( 3 - 8 ) 代入式( 3 7 ) ，得到 。( u t u 2 ) = 0 ( 3 9 ) 表示沿磁路的总磁压降为零，这就是磁路的基尔霍夫第二定律。 在式( 3 4 ) 中，用函= 日盘代入，得 。o = 0 ( 3 - 1 0 ) 表示流入节点的总磁通为零，这就是磁路的基尔霍夫第一定律。 式( 3 8 ) 、式( 3 9 ) 、式( 3 1 0 ) 是磁网络法的三个基本方程。从这三个基 本方程出发，使用电路理论中的节点电压法，就可以消去磁通变量o ，导出关于 所有节点的磁位u 的方程组。 3 2 2 网络单元边磁导的计算 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磁导进 行计算。图3 ，l 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e 轴方向的弧长为r 。而已。 0 图3 - 1三维网络单元示意图 圭塑茎兰堂垡垒苎 下面将以坐标点( f ， ) 为例，计算点( ，七) 的g ，。q 指点( f ，t ) 与点 ( f ，j + l ，女) 之间的在j ，坐标方向上的网络单元边磁导。先计算点( f ，j ，j i ) 在z 坐标 和= 坐标方向相邻的四个网络单元i 、i i 、i i i 、的磁导，表达式如下： g m2 j “t ji jk d d ? k d ni ( j 州2 “_ 1 jj jk d 。一t d ：。k d ，ji a 邶。一l ，k l d z ，i d z 一i d y ，。 g