分数槽集中绕组变极记忆电机设计与分析

摘要

记忆电机是一种气隙磁场可控的新型永磁电机，不仅保持传统永磁电机高功率密度、高效率和结构简单等优点，而且其调磁方便灵活，且能实现永磁电机变极调速，在现代工业、交通与军事等领域具有广阔的应用前景。本文巧妙地将记忆电机、变极调速和分数槽集中绕组等概念结合起来，提出了分数槽集中绕组变极记忆电机(Fractional Slot Concentrated Winding Pole Changing Memory Machine，FSCW-PCMM)，并深入研究其变极机理、运行原理、电磁设计方法、电磁特性分析和变极调速技术等，有望为工业界提供一种真正高效宽调速的永磁电机，因而本文研究工作具有重要的理论意义和工程应用价值。
　　本文在全面分析PCMM国内外研究现状基础上，研究此类电机的变极机理，并分析分数槽集中变极绕组连接方式、混合永磁PCMM齿槽转矩，据此提出了不改变绕组连接方式（简称不变绕组）的FSCW-PCMM。设计了一台9槽6/2极FSCW-PCMM样机，以变极前后齿槽转矩最小为目标对其局部尺寸进行优化，对优化后的样机进行电磁特性分析和损耗计算，并通过多物理场耦合的方法验证其电磁设计合理性与可靠性。论文主要研究工作和取得成果如下:
　　(1)介绍课题的研究背景和意义，全面阐述和分析记忆电机、PCMM和FSCW国内外研究现状。
　　(2)分析PCMM变极机理和运行原理，深入研究FSCW变极前后的连接方法，包括反接法、移相法和混合法。分析FSCW变极前后的绕组系数和磁动势，为FSCW-PCMM极槽配合选取提供依据，并推导混合永磁PCMM齿槽转矩计算公式。
　　(3)根据变极比变化规律，提出转子和定子永磁型FSCW-PCMM。给出不变绕组FSCW-PCMM极槽配合极槽约束方程，并对不同极槽配合与绕组连接方式可实现8/4变极的分数槽PCMM进行研究，分析其电磁特性。提出分数槽PCMM极相调制概念，进一步扩大其速度范围。
　　(4)通过对比分析传统永磁电机拓扑在变极前后的磁路特点，提出适合PCMM的电机拓扑结构。推导PCMM尺寸方程，综合运用磁路法和有限元法完成9槽6/2极FSCW-PCMM电磁设计，并组合Taguchi数组、响应曲面法和遗传算法对变极前后的齿槽转矩进行优化，计算其电磁特性。
　　(5)计算分析9槽6/2极FSCW-PCMM的各种损耗，采用多物理场耦合方法计算分析变极前后的温度、应力和变形分布，验证其电磁设计设计合理性与可靠性。
　　(6)推导PCMM定子坐标系下和转子坐标系下的数学模型，基于MATLAB/Simulink建立其变极运行仿真模型，分析恒速和恒频变极前后电磁特性变化规律，并进行实验验证。

目录

声明

摘要

图表目录

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 记忆电机研究现状及发展趋势

1．2．1 单种永磁记忆电机

1．2．2 混合永磁记忆电机

1．3 PCMM国内外研究现状及存在问题

1．3．1 转子永磁型PCMM

1．3．2 定子永磁型PCMM

1．3．3 存在问题

1．4 FSCW研究现状及发展趋势

1．4．1 FSCW研究现状

1．4．2 FSCW发展趋势

1．5 论文研究内容及章节安排

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 章节安排

第2章 FSCW-PCMM相关问题分析与研究

2．1 PCMM工作原理与运行特性分析

2．1．1 永磁材料及其特性

2．1．2 PCMM的基本原理

2．1．3 PCMM运行特性

2．1．4 PCMM变极前后的电磁特性

2．2 分数槽集中变极绕组分析

2．2．1 反接法变极

2．2．2 移相法变极

2．2．3 混合法变极

2．2．4 可实现8／4变极不同极槽配合FSCW-PCMM电枢绕组设计

2．3 FSCW-PCMM电枢磁动势分析

2．3．1 绕组系数

2．3．2 绕组磁动势分析

2．4 PCMM齿槽转矩分析

2．4．1 齿槽转矩的解析分析

2．4．2 极槽配合对PCMM的齿槽转矩的影响

2．5 本章小结

第3章 分数槽PCMM拓扑结构与极槽配合研究

3．1．1 转子永磁型FSCW-PCMM

3．1．2 定子永磁型FSCW-PCMM

3．2 不变绕组FSCW-PCMM研究

3．2．2 可实现4∶2变极FSCW-PCMM极槽配合研究

3．2．3 可实现3∶1变极FSCW-PCMM极槽配合研究

3．3 可实现4∶2变极分数槽PCMM极槽配合研究

3．3．1 采用12槽8／4极双层分数槽PCMM电枢磁动势分析

3．3．2 采用12槽8／4极双层分数槽PCMM电磁特性分析

3．3．3 采用18槽8／4极双层分数槽PCMM电枢磁动势分析

3．3．4 采用18槽8／4极双层分数槽PCMM电磁特性分析

3．4 分数槽PCMM极相调制研究

3．4．1 采用12槽8／4极分数槽PCMM极相调制分析

3．4．2 采用18槽8／4极分数槽PCMM极相调制分析

3．5 本章小结

第4章 可实现3∶1变极的FSCW-PCMM电磁设计

4．1 FSCW-PCMM电磁设计

4．1．1 PCMM永磁不同安装位置分析

4．1．2 PCMM电机尺寸方程

4．1．3 电机拓扑结构的选择与确定

4．1．4 电机电枢绕组设计

4．1．5 非均匀气隙对变极记忆电磁性能影响

4．2 9槽6／2极FSCW-PCMM齿槽转矩的优化

4．2．1 优化参数的选择

4．2．2 Taguchi数组

4．2．3 响应曲面法

4．2．4 遗传算法寻优

4．3 9槽6／2极FSCW-PCMM电磁特性与参数计算

4．3．1 电磁特性对比分析

4．3．2 电感参数的计算

4．4 本章小结

第5章 FSCW-PCMM变极前后损耗与多物理场分析

5．1．2 FSCW-PCMM铁耗分析与计算

5．1．3 FSCW-PCMM永磁涡流损耗

5．1．4 FSCW-PCMM机械损耗分析

5．1．5 FSCW-PCMM效率分析

5．2 FSCW-PCMM变极前后温度场分析

5．2．1 电机导热系数及散热系数的确定

5．2．2 FSCW-PCMM温度场有限元分析

5．3 FSCW-PCMM变极前后机械强度分析

5．3．1 FSCW-PCMM受力分析

5．3．2 FSCW-PCMM机械强度分析

5．4 本章小结

第6章 FSCW-PCMM控制系统仿真与试验研究

6．1 FSCW-PCMM数学模型

6．1．3 FSCW-PCMM调速特性

6．2 FSCW-PCMM控制系统与仿真

6．2．1 FSCW-PCMM控制系统

6．2．2 FSCW-PCMM仿真模型

6．2．3 FSCW-PCMM仿真结果分析

6．3 FSCW-PCMM的实验测量

6．3．1 样机齿槽转矩测量

6．3．2 FSCW-PCMM空载反电动势测量

6．3．3 FSCW-PCMM电感测量

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 主要工作与创新点

7．2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间学术成果

致谢