陀螺减摇应用场合中,电机需带动粗转轴、大惯量的陀螺负载高速旋转,因而转子铁心较薄、启动时间很长,且减摇器内部处于真空密闭不利于散热,要求电机具有高效率。根据技术指标设计并试制了一台10极12槽PMSM,当陀螺转轴更粗或转速要求更高时,该电机将难以满足要求,此时Halbach PMSM将是一种可选方案。本文针对转子铁心较薄及已制样机启动阶段易过流、效率较低的问题,开展了船舶陀螺减摇器用Halbach PMSM的研究。论文主要内容如下:(1)10/12 PMSM设计与优化介绍10/12 PMSM的电磁设计,通过转子极间开槽对其进行优化,并借助有限元法对优化前后电机的电磁性能进行对比。有限元分析表明,电机经优化后,永磁体漏磁得到有效抑制,空载气隙磁密有所提高,空载相反电势波形明显改善,齿槽转矩显著降低。(2)10/12 PMSM实验及分析根据设计方案试制样机,搭建实验平台对其进行测试,以验证设计方案的有效性。通过样机实验指出10/12 PMSM存在的问题,并分析问题产生的原因。建立场路耦合平台,通过引入计及控制器损耗与机械损耗的修正系数,将系统效率计算结果与实测结果进行对比,验证场路耦合分析方法的有效性,为Halbach PMSM设计方案的场路耦合分析奠定基础。对比结果较为吻合,最大误差为5%,能满足工程应用需要,具有一定可行性。(3)Halbach PMSM设计与优化在10/12 PMSM基础上,对比10/12Halbach与10/12 PMSM的电磁性能,总结Halbach阵列应用于PMSM所呈现的优良特性。为解决10/12 PMSM存在的不足,从极槽配合与电磁负荷的角度出发,将电感和效率作为优化指标,开展两种不同极槽配合Halbach PMSM的设计与分析,通过性能对比及综合考虑确定设计方案,并从降低工艺的角度对其进行优化分析。有限元分析表明,Halbach结构更适用于转子铁心较薄的电机,在主要性能指标不变的前提下,10/12 Halbach的转子铁心厚度可减少56.6%,能带动转轴更粗的陀螺负载;相比10/12 PMSM,6/9 Halbach设计方案的交直轴电感可提高两倍,额定转速下不同负载时均具有更高的运行效率,且具有更宽的高效运行区。(4)Halbach PMSM场路耦合分析分别基于两相导通控制与矢量控制的场路耦合平台,对额定工况下6/9 Halbach与10/12 PMSM进行分析对比。结果表明,两种控制方式下,6/9 Halbach均具有更低的转矩脉动和更高的额定效率,进一步验证了设计方案的有效性。