轴向磁通高速磁阻电机的设计与分析

摘要

开关磁阻电机凭借结构坚固，系统稳定，容错性能优越及可控性高等优点，已广泛应用于航运、家电及国防等各种场合。随着工业4.0时代的开启，结合了盘式电机和开关磁阻电机优点的新兴轴向磁通磁阻电机显然在电机领域具有明显优势。本文在总结国内外现有轴向磁通磁阻电机设计发展的基础上，对一台6/4极轴向磁通高速磁阻电机(Axial Flux High Speed Reluctance Motor，AFHSRM)进行了电磁解析法和有限元法的分析设计研究。
　　本文首先介绍了开关磁阻电机的主要结构及各结构的优缺点，对开关磁阻电机的主要研究方法进行了详细阐述，并依据开关磁阻电机的电磁设计及性能参数设计的原则，对轴向磁通高速磁阻电机进行预设计。其次，结合轴向磁通高速磁阻电机的结构特点，利用解析法对轴向磁通高速磁阻电机分别在定转子极中心线对齐位置（θa位置）、齿槽中心线对齐位置（θu位置）及定子齿后沿和转子齿前沿重叠位置（θ1位置）这三个位置下的磁化曲线进行计算。为计算θa位置的磁化曲线，要先结合该位置下磁路饱和的特性，建立电机的等效模型，再计算各磁导分量，分析电流、转子位置与磁密的关系，并将结果与有限元计算结果进行曲线对比验证解析法的正确性。而关于θu位置及θ1位置磁化曲线的计算，就要根据磁路不饱和特性及磁阻最小原理对电机的磁链分布特点进行分析，且给出每部分磁链计算方法并将其解析计算结果与有限元结果进行比较，验证解析法的正确性。最后，利用有限元软件Ansoft Maxwell，建立轴向磁通高速磁阻电机三维模型，在空载情况下对电机性能特性进行仿真分析。基于以上三个关键位置的磁化曲线分析轴向磁通高速磁阻电机的电磁特性，并利用不同函数对三个关键位置磁化曲线及某一给定电流下的曲线进行模化，然后根据磁路饱和非线性的特征，建立电机转矩的解析方程，并将最后计算结果与有限元结果进行比较分析其合理性。结合上述电磁分析和解析计算，形成一套完整的轴向磁通高速磁阻电机的电磁解析方法，并制作相关样机。