人工心脏用圆筒式磁通切换永磁电机的设计与分析

摘要

由于摒弃了复杂易损的传动机构，直线电机人工心脏可以提升系统的效率和可靠性，因此受到学者专家的关注。作为人工心脏中的核心部件，电机的功率密度和推力特性直接决定着人工心脏的大小和性能。体积小、重量轻、效率高、可靠性高是人工心脏最基本的要求。
　　 本文根据人工心脏直线电机推进系统的应用要求，研究高效率、高功率密度的两相圆筒式磁通切换永磁电机及其设计方法，致力于电机拓扑结构、工作原理、静态特性以及推力性能等相关问题的研究。研究结果验证了该电机在人工心脏领域应用的可行性。
　　 首先，介绍了该电机的结构，阐明该类电机的工作机理，对比分析了圆筒式和平板式直线磁通切换电机绕组连接方式的不同，并从原理上分析了圆筒式磁通切换电机的工作机理。
　　 其次，根据该电机的对称性，在RZ坐标系下建立了两相圆筒式磁通切换电机的有限元分析模型。通过有限元方法，分析计算了电机的静态特性，包括磁场分布、电感、反电动势、磁阻力以及推力，为电机数学模型的推导奠定了基础。
　　 再次，推导了该电机数学模型，包括定子坐标系和动子坐标系下相电压、磁链、电感、平均推力方程，并证明了这两种坐标系下平均推力方程的一致性。
　　 最后，为便于选择电机尺寸，推导出电机的推力，几何尺寸以及铜损耗之间的解析关系;提出四种减小磁阻力的技术途径，有限元结果证明了方法的有效性;为进一步提升电机推力的特性，利用单个参数优化的方法并按照一定顺序对电机尺寸进行优化，剖析最大推力与这些参数之间的内在联系，并进而得到了具有最大推力的电机优化尺寸。仿真和分析的结果验证了所提出的直线电机可以满足人工心脏尺寸和推力的要求，为样机的制作及人工心脏的进一步研究奠定了理论基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 人工心脏发展概况

1．1．1 问题的提出

1．1．2 研究历史回顾

1．2 本课题研究的背景和意义

1．3 本课题研究的主要内容

第二章 两相TFSPM电机的基本结构和工作原理

2．1 引言

2．1．1 TAH结构描述

2．2 两相TFSPM电机结构的描述

2．3 两相TFSPM电机工作原理

2．4 本章小结

第三章 两相TFSPM电机静态性能分析

3．1 引言

3．2 有限元法简介

3．3 基于ANSOFT两相TFSPM电机有限元分析模型

3．4 有限元分析两相TFSPM电机静态特性

3．4．1 磁场分布

3．4．2 空载反电动势

3．4．3 电感分析

3．5 磁阻力

3．6 稳态推力

3．7 本章小结

第四章 两相TFSPM电机数学模型

4．1 引言

4．2 定子坐标系下的方程

4．2．1 电压方程

4．2．2 磁链方程及具体的相电压方程

4．2．3 稳态推力方程

4．3 动子坐标系下的方程

4．3．1 交直轴电感方程的推导

4．3．2 交直轴磁链方程

4．3．3 交直轴电压方程

4．4 动子坐标系下推力方程

4．5 本章小结

第五章 两相TFSPM电机的设计优化

5．1 引言

5．2 两相TFSPM电机推力与尺寸的关系式

5．3 减小磁阻力的方法分析及比较

5．3．1 动子齿开槽

5．3．2 增加槽宽

5．3．3 动子开槽+增加槽宽

5．3．4 C型槽

5．4 电机结构参数的优化

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 本文展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文与参与项目