基于软磁复合材料的盘式横向磁通永磁无刷电机研究

摘要

盘式横向磁通永磁无刷电机(Disk Transverse-flux Permanent MagnetBrushless Machine，DTFPM)集中了轴向磁场永磁电机、横向磁通永磁电机和分数槽集中绕组永磁电机三种电机的优点，具有短轴、薄型、高容错能力、高功率密度、高转矩密度和电磁负荷独立设置的优点，但如采用叠压硅钢材料作为其定子铁心，则该电机具有高漏磁和高转矩脉动的缺陷，影响到该种电机进一步的推广和应用。软磁复合材料(Soft Magnetic Composite，SMC)是一种新型导磁材料，具有磁热各向同性、模压成形、高频铁耗低、材料利用率高、尺寸精度高等电机导磁材料所需要的优良特性，将SMC材料替代叠压硅钢材料而形成的基于SMC的DTFPM，是一种新型结构的DTFPM，SMC材料的使用使其保有原有优势的同时，提供了众多降低其漏磁和转矩脉动的方法，从而可有效降低其漏磁和转矩脉动。目前，无论DTFPM还是基于SMC的电机研究都较少，更未见基于SMC的DTFPM的研究报告，因此基于SMC的DTFPM的研究，具有重要实用价值和理论研究意义。本文主要研究内容以下:
　　首先，描述与SMC DTFPM相关的研究背景、研究意义和研究现状，其中包括与本课题相关的盘式结构永磁无刷电机、横向磁通永磁无刷电机、DTFPM及SMC电机的研究现状，最后给出本文的主要研究内容。
　　其次，提出新型结构的SMC DTFPM，并介绍其结构原理和优越性。特别是由于SMC材料的应用，与叠压硅钢材料相比，提供了更多降低漏磁系数和转矩脉动的方法，如增加SMC弧形定子齿靴、上下齿靴错位;而且为了弥补SMC磁导率低的问题，可以仅把定子齿靴部分变为SMC，定子极身保持为硅钢片材料。针对上述电机，文中使用电磁场仿真验证了其优越性，并通过对比常规电机的几种研究方法（解析法、有限元法和磁路法），得出磁路法作为主体、有限元法用来辅佐验证调整的研究思路。
　　再次，建立基于SMC的DTFPM磁网络模型，并使用这一模型计算该种电机的性能参数，如永磁相电动势波形、负载转矩波形。首先，推导出磁网络中各类磁路对应磁阻和磁势的计算公式，包括永磁体自身的磁阻和磁势、永磁体漏磁路的磁阻、定子极身磁阻和定子绕组磁势等;其次，推导出不考虑饱和情况下单个永磁体的磁路模型随着定、转子相对位置变化而变化的规律，进而基于该规律建立考虑定子饱和时所有永磁体共同作用下整个电机的磁网络，并通过总结几个特定位置磁网络的规律，推导出符合任意转子位置的通用磁路网络模型;再次，求解通用磁网络对应的节点磁位方程组，从而进一步求得永磁磁链、永磁电动势、负载磁链、输出转矩、磁密分布等;最后采用三维有限元方法，验证所建立的磁网络模型及由磁网络模型进行电机性能计算方法的正确性。
　　然后，进行基于SMC的DTFPM的电磁计算程序及计算机辅助程序设计。即将上述的磁网络理论应用MATLAB中的图形用户界面(GUI)来实现，并在界面中增加计算槽满率、电流密度、效率等电机关键参数的模块，从而有效达到电机参数方便输入和性能参数快捷输出的效果。应用已建立的界面，进行基于功率、效率、电压等要求下的电机设计工作，并结合电磁场仿真进行验证和调整，给出最终的样机方案。
　　最后，全文总结。