表贴式永磁同步电机建模、分析与设计

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表贴式永磁同步电机具有体积小、效率高、转矩密度大等优点,被广泛应用到众多工程领域中,是一类极具发展潜力的节能环保型电机。本文以表贴式永磁同步电机为研究对象,通过对电机磁场和电磁性能进行解析建模,重点分析了设计参数对电机性能的影响机制,并在此基础上对低速大转矩永磁同步电机进行了设计和分析。磁场计算是进行电机设计的重要步骤之一,也是分析永磁同步电机性能的基础和前提。考虑到定子开槽后表贴式永磁同步电机的设计变量较多、变量间彼此耦合、难以直接获得设计参数与性能之间的映射关系,本文将等效磁路法与磁位解析法相结合,提出一种求解表贴式永磁同步电机空载磁场简化解析建模方法。该方法通过对气隙磁路进行近似,将定子齿槽效应和转子磁极分布分别考虑,降低了建模难度,简化了表贴式永磁同步电机磁场计算过程,实现了定子齿槽效应对气隙与永磁体内磁场分布以及反电势和电磁转矩的影响分析。齿槽转矩是永磁同步电机研究的重点和难点。为了抑制表贴式永磁同步电机齿槽转矩波动,本文采用辅助槽法对电机结构进行改进,结合子域模型法建立了含辅助槽的表贴式永磁同步电机气隙磁场解析模型,提出了一种普适性齿槽转矩解析计算方法,获得了齿槽转矩随辅助槽槽深、槽宽、槽数、槽位置等参数的变化规律,同时分析了辅助槽参数对电机电磁转矩和反电势波形的影响。该模型充分考虑了辅助槽与绕组槽以及转子磁极间的耦合作用,可对任意分布的辅助槽永磁同步电机齿槽转矩进行计算和分析,准确度较高。磁极是永磁同步电机的关键组成部分。针对含不等厚磁极的表贴式永磁同步电机磁极参数难确定的问题,本文采用离散思想和磁场叠加原理对传统子域模型法进行改进,建立含有不等厚磁极的表贴式永磁同步电机磁场、齿槽转矩、反电势以及电磁转矩解析模型,分析了不等厚磁极形状参数对电磁性能的影响机制,并结合粒子群算法对电机的磁极形状进行优化设计。该设计方案有效地改善了气隙磁场分布、减小反电势谐波、削弱电机转矩波动,提高了电机的整体性能。基于上述理论分析,本文对一台11kW低速大转矩永磁同步电机进行设计。通过对电机设计要求和工况特点进行分析,确定了电机的基本结构和参数。利用计算机辅助设计手段,对电机实现了电磁设计和有限元仿真,并进行了机械结构设计和样机加工,完成了基本实验测试。
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