永磁有刷直流微电机气隙磁密特性分析与结构参数稳健优化

摘要

永磁有刷直流微电机广泛应用于如汽车、家用电器、医疗器械和航模玩具等领域。永磁有刷直流微电机在大批量生产过程中，因受加工装配、材料特性、工作环境等随机因素的影响，其输出转矩特性一致性较差。为此，本文以永磁有刷直流微电机为研究对象，综合运用稳健设计、电磁学、机械优化设计、有限元分析等理论和方法，分析了不同充磁方式对气隙磁密特性的影响，研究了齿槽效应下的永磁电机气隙磁场解析模型，围绕输出转矩波动最小化展开了永磁有刷直流微电机结构参数稳健优化研究。主要研究内容如下：
　　（1）研究了非齿槽效应下的永磁电机气隙磁场解析模型。针对4种不同的永磁体充磁方式，分别建立了非齿槽效应下的永磁体励磁和通电绕组励磁气隙磁密解析模型，分析计算了气隙磁密径向分量和切向分量，实验验证了该计算结果的有效性。
　　（2）研究了齿槽效应下的永磁电机气隙磁场解析模型。综合考虑气隙磁导、磁极偏移和不同充磁方式，研究了齿槽效应下的合成气隙磁密和齿槽转矩计算方法。以此为基础，推导了不同充磁方式下的输出转矩解析模型。最后，通过实例分析计算了磁极偏移下的气隙磁密和齿槽转矩，并通过有限元分析对比，验证了该计算结果的有效性。
　　（3）进行了永磁有刷直流微电机输出转矩的有限元分析。借助于Ansoft Maxwell有限元软件，分析了剩余磁通密度、相对磁导率、极弧系数、永磁体厚度、极弧偏移距离、定子厚度、齿宽、齿楔角、槽底高度、槽口宽等因素对电机输出转矩的影响规律，并实验验证了分析结果的正确性。
　　（4）进行了永磁有刷直流微电机结构参数的稳健优化。运用稳健设计方法，选取定子厚度、极弧偏移距离、极弧系数、剩余磁通密度、相对磁导率和转轴材料作为控制因素，以定子厚度偏差、极弧偏移距离偏差、极弧系数误差、剩余磁通密度偏差、转子动态偏心和磁极位置偏移为噪声因素，安排正交试验，以输出转矩波动系数作为优化目标，通过信噪比分析获得最佳参数组合并进行模拟试验，结果表明：与初始设计相比，波动系数均值减小了76.8％，方差减小了89.5%。该方法为永磁直流有刷微电机低成本高质量设计提供了新的途径。

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第一章 绪 论

1.1 课题来源与研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第二章 非齿槽效应下的永磁电机气隙磁场解析模型及分析

2.1 引言

2.2非齿槽效应下的磁密解析计算模型

2.3实例计算

2.4 永磁体励磁磁密检测分析

2.5 本章小结

第三章 齿槽效应下的永磁电机气隙磁场解析模型及分析

3.1 引言

3.2气隙磁导函数计算

3.3合成气隙磁场解析模型

3.4 齿槽转矩的解析模型

3.5 考虑磁极偏移的影响

3.6 永磁电机瞬态输出转矩解析模型

3.7 实例计算

3.8 本章小结

第四章 永磁有刷直流微电机输出转矩的有限元分析与实验

4.1 引言

4.2 永磁有刷直流微电机有限元模型建立

4.3 材料特性对电机输出转矩的影响分析

4.4结构参数对电机输出转矩的影响分析

4.5 磁极偏移对电机输出转矩的影响分析

4.6 电机输出转矩实验

4.7本章小结

第五章 永磁有刷直流微电机结构参数的稳健优化

5.1 引言

5.2输出转矩波动分析

5.3基于正交试验的永磁有刷直流微电机结构参数的稳健优化

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要工作与结论

6.2展望

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间的学术成果