高速盘式永磁电机的设计及多物理场分析

摘要

本文以高速盘式永磁电机为研究对象，采用解析法与集总参数网络法为主要研究手段，对电磁计算、损耗分析与热计算、电磁振动及机械应力校核等开展一系列研究工作，以促进该类电机的理论与技术发展及工程应用。
　　论文主要研究内容与创新成果包括以下几个方面:
　　(1)以常见结构的盘式永磁电机为研究对象，对现普遍的四种电磁解析算法（实数保角变换、复数保角变换、许克变换与精确子域法）进行推导，继而对计算所得到的气隙磁密、反电动势与齿槽转矩进行了对比分析，给出了各种算法的优劣性以及适用特点。最后，通过电流片法对电枢磁场进行了计算，完善了采用相对空气磁导率类方法的计算体系。本文首次采用许克变换对盘式电机气隙相对磁导率进行求解，指出了K域变换的必要性并给出了求解过程。
　　(2)针对Halbach阵列结构高速盘式永磁电机，在直角坐标系下建立精确子域模型，并对设计电机进行反电动势、齿槽转矩、输出转矩等电磁性能计算。采用磁网络与解析算法，分别对对非晶合金定子铁心与永磁体涡流损耗进行计算，通过有限元计算验证了算法的正确性。本文建立的精确子域模型具有一定普适性，可适用于任意磁极组合、充磁强度、充磁方向的排列结构;此外，本文提出的电枢磁场计算方法也具有一定普适性，适用于任何绕组排列结构。
　　(3)基于计算流体力学理论，深入研究了高速盘式永磁电机风摩损耗与散热系数，并给出了详细的计算公式。在考虑磁-热耦合的基础上，进行集总参数热网络模型的搭建，以适用于快速计算场合。最后，通过FVM模型验证了温升模型与风摩损耗计算的正确性。其中，采用系数提取与拟合的方式求解散热系数与气隙内温度，可大大提高集总参数网络模型的精确性，并降低求解矩阵维度。
　　(4)研究了盘式永磁电机振动，对引起噪声的原因进行了说明，重点阐述并分析了引起电磁振动的电磁应力;指出了盘式电机定子系统自然频率计算与径向电机的不同之处，并结合薄板理论，给出了盘式永磁电机自然频率、等效刚度等计算方法;基于等效机械网络思想，在考虑机壳表面形变相互影响的基础上，对定子表面振动进行计算。通过有限元方法验证算法的正确性，并对盘式永磁电机噪声进行数值模拟。
　　(5)采用解析算法对高速盘式永磁电机机械方面进行校核。基于永磁体受力计算结果，提出了一种永磁安装方式;针对转子背铁进行受力分析并进行转子动力学分析以确定运行的稳定;对盘式电机加工过程中易产生的偏心状况，采用许克变换进行了解析建模，对各偏心情况情况下的气隙磁密、磁链与反电动势进行对比分析。其中，首次采用许克变换，对盘式电机偏心状况进行建模计算，降低了计算时间提高了计算的精度。
　　(6)完成了高速盘式永磁电机制作加工并进行了实验研究。详细阐述了在加工过程中的非晶合金铁心安装、Halbach永磁体固定加工、绕组卷绕与定位、灌封成型等问题，最终完成样机的制作。对电机进行反电势与直流温升测量，验证了文中算法的正确性。文中提出了非晶合金定子与Halbach转子安装方法，结果表明，文中提出的加工方法切实可行，可以为盘式电机的加工提供指导。

目录

声明

摘要

图表目录

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 高速盘式永磁电机

1．2．2 电磁计算

1．2．3 温升计算

1．2．4 振动嗓声计算

1．3 本文研究内容与结构

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 论文结构

参考文献

2．1 引言

2．2 盘式电机多截面建模

2．3 相对磁导率法气隙磁场解析计算

2．3．1 无齿槽气隙磁场计算

2．3．2 齿槽效应：实数保角变换

2．3．3 齿槽效应：复数保角变换

2．3．4 齿槽效应：许克变换

2．3．5 电枢反应计算

2．4 精确子域法

2．5 不同解析算法的对比分析

2．6 总结

参考文献

3．1 引言

3．2 高速盘式永磁电机初始设计

3．2．1 盘式电机基本设计思路

3．2．2 盘式永磁电机基本尺寸方程

3．3 多相盘式电机解析计算

3．3．1 永磁体磁化方向

3．3．2 基本电磁性能计算

3．4 损耗计算

3．4．1 绕组损耗计算

3．4．2 定子铁心损耗计算

3．4．3 定永磁体涡流损耗计算

3．5 总结

参考文献

第4章 高速盘式永磁电机温升研究

4．1 引言

4．2 基于流体理论的风摩损耗与散热系数研究

4．2．1 风摩损耗

4．2．2 散热系数

4．3 基于LPTN的电机温升计算

4．3．1 传导热阻

4．3．2 接触与辐射热阻

4．3．3 模型建立及验证

4．4 总结

参考文献

第5章 高速盘式永磁电机振动分析

5．1 引言

5．2 定子自然频率计算

5．2．1 自然频率解析计算

5．2．2 自然频率有限元校核

5．3 盘式电机振动噪声计算

5．3．1 电机内电磁力分析

5．3．2 基于模态叠加法的振动计算

5．3．3 振动有限元校核

5．4 总结

参考文献

第6章 高速盘式永磁电机机械分析

6．1 引言

6．2 机械校核

6．2．1 永磁体受力计算

6．2．2 转子应力计算

6．3 偏心计算

6．3．1 基于SC变换的磁场计算

6．3．2 转子盘倾斜偏心分析

6．3．3 转子盘移位偏心分析

6．4 总结

参考文献

第7章 样机加工及测试

7．1 引言

7．2 盘式电机关键制作工艺研究

7．2．1 定子制作加工

7．2．2 转子制作加工

7．3 样机测试

7．3．1 电磁测试

7．3．2 温升测试

7．4 总结

第8章 总结与展望

8．1 全文总结

8．2 工作展望

攻读博士学位期间取得的学术成果

致谢

附录