基于有取向硅钢的轴向磁通开关磁阻电机分析和设计

摘要

开关磁阻电机作为电力驱动系统中实现能量转换的一种部件，具有结构坚固、成本低廉、容错性能强、启动转矩高等优点。但与永磁同步电机相比，较低的转矩密度制约了开关磁阻电机的更广泛应用。本文以提高轴向磁通开关磁阻电机转矩密度、降低铁耗为主要目标展开了理论分析和优化设计，并通过样机实验对电机分析、设计结果进行了验证，主要研究工作及成果可以归纳为以下几方面：
　　1.根据对电机用铁磁材料特性及其适用范围的详细比较，以及对轴向磁通开关磁阻电机结构特点的分析，提出了齿轭分离的模块化电机拓扑结构，在定、转子齿部选择晶粒有取向硅钢材料，利用其轧制方向上的高磁导率特点，使提出的模块化电机拓扑结构具有更高的功率密度。
　　2.提出不同电机定子结构以提高晶粒有取向硅钢材料轧制方向上的利用率，减小磁通在该材料非轧制方向上的运行路径，改善电机定子齿、轭连接部的磁路分布，从而进一步提高晶粒有取向硅钢材料在轴向磁通开关磁阻电机应用的有效性。
　　3.针对轴向磁通开关磁阻电机定、转子齿形在不同圆周半径上极弧角度变化不一致的特点，利用准三维磁路法对轴向磁通电机展开径向分层研究，提高分析精度，确定初步电磁设计方案。在准三维磁路法分析的基础上，利用准三维有限元方法对基于不同铁磁材料模型的转子直径比、定子齿极弧、定子轭部轴向长度以及转子齿极弧等主要设计参数进行了优化分析和设计，研究结果表明：基于有取向硅钢材料的轴向磁通开关磁阻电机电磁性能明显优于传统无取向材料电机。
　　4.根据电磁仿真得到的电机损耗分布结果，进行温度场有限元分析，确定电机在不同工作负荷下的运行温度点，进而设置环氧树脂玻璃布层压板转子护套在特定温度下的机械特性参数。利用简化Taguchi优化设计与有限元分析相结合的方法，对电机在不同故障条件下，轴向不平衡磁拉力造成的转子护套结构应力、变形问题进行分析；在满足电磁性能指标的前提下，得到电机结构优化参数。
　　5.根据晶粒有取向硅钢材料特性，结合开关磁阻电机不同运行状态下的控制策略和各相绕组导通角的取值范围，提出了定、转子齿中有取向硅钢材料的轧制方向优化选择策略，以提高电机性能。研究表明，在特定优化角度条件下的电机平均转矩和铁耗均优于轧制方向垂直于电机轴向方向时的初始数值。
　　6.搭建了轴向磁通开关磁阻电机的静、稳态参数一体化测试平台。在此基础上，测量了样机不同转子位置处的静态磁链，并与电磁场有限元仿真结果进行比较，分析误差产生的原因，验证了有限元模型分析设计的可靠性。在样机稳态参数测试实验中，对不同导通角和负载条件下的电机转矩、效率等电磁性能进行了对比分析，并利用红外热成像相机实际测量了样机在不同负载条件下的温升分布状况，在证明本文所提模块化轴向磁通开关磁阻电机优异电磁性能的同时，也证明了环氧树脂玻璃布层压板作为转子护套在轴向磁通开关磁阻电机中应用的可靠性。

目录

声明

1 绪 论

1.1 引言

1.2 课题背景及意义

1.3 开关磁阻电机研究和应用

1.4 轴向磁通电机研究

1.5 有取向硅钢材料在电机领域中的应用

1.6 本文主要研究内容

2 不同铁磁材料的特性分析和定子结构比较

2.1 电机用铁磁材料分析与比较

2.2 无取向硅钢材料与有取向硅钢材料原理比较

2.3 轴向磁通开关磁阻电机软磁材料选择

2.4 本章小结

3 轴向磁通开关磁阻电机电磁设计研究

3.1 轴向磁通开关磁阻电机电磁特性分析

3.2 电机性能技术指标及电磁方案设计流程

3.3 轴向磁通开关磁阻电机磁路法分析设计

3.4 轴向磁通开关磁阻电机有限元法电磁优化设计及验证

3.5 轴向磁通开关磁阻电机损耗分析

3.6 本章小结

4 电机结构优化及多物理场耦合分析

4.1 基于有取向硅钢材料的轴向磁通开关磁阻电机结构方案

4.2 基于有取向硅钢材料的轴向磁通开关磁阻电机多物理场耦合分析

4.3 轴向磁通开关磁阻电机温度场模型分析

4.4 轴向磁通开关磁阻电机转子结构设计、优化

4.5 本章小结

5 基于有取向硅钢材料轧制方向的优化策略

5.1 开关磁阻电机控制方法比较

5.2 单向运行条件下开关磁阻电机取向硅钢片轧制方向优化策略分析

5.3 本章小结

6 轴向磁通开关磁阻电机样机测试

6.1 样机制造及实验平台搭建

6.2 电机参数及运行性能测试

6.3 本章小结

7 总结与展望

7.1 本文工作总结

7.2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文及专利

附录2 博士生期间参与的课题研究情况