横向磁通永磁同步电动机的三维磁场计算与结构性能分析

摘要

横向磁通电机是近些年来出现的一种新型结构的电机，由于其转矩密度和功率密度大的优点受到了广泛的关注，但我国对该种电机的研究尚处于起步阶段。 本课题是国家863计划项目——“新型稀土永磁电机设计与集成技术(课题编号：2002AA324020)”中有关横向磁通永磁同步电动机的部分。本课题的目标就是要充分发挥横向磁通电机功率密度和转矩密度大的优点，克服其功率因数低的缺点，对横向磁通永磁同步电动机的磁场进行计算、分析，找出功率因数偏低的原因，并提出相应的改进方法和建议。在此基础上进行样机的研制，对理论成果进行验证，并力争样机在性能和工艺指标上有所突破，部分指标达到国际领先水平。 本文介绍了横向磁通永磁电机的特点及运行原理，并按照不同的分类方式介绍了横向磁通电机的各种结构。三维磁场的有限元计算十分复杂、计算量大，因此传统电机均采用简化的二维磁场进行计算。但是横向磁通电机由于结构特殊，无法采用简化的二维磁场的计算方法进行分析。因此本文利用ANSYS软件建立了样机模型，对样机进行了三维电磁场分析。在电磁场计算的基础上，进行了电机空载反电势，空载漏磁系数，电磁转矩等相关参数的计算，讨论了横向磁通永磁同步电动机的结构变化对参数的影响。本文特别针对横向磁通永磁电机功率因数较低这一问题进行了分析，找出了功率因数偏低的原因，提出了相应的改善方法和建议，对横向磁通电机的理论研究和设计应用分析方法进行了探讨。本文利用电磁场计算的结果，完成了电机运行特性仿真，克服了采用传统磁路等效的方法带来的误差。最后，通过与样机测试结果的对照研究，验证和完善分析方法，并为进一步获得性能更加优异的样机奠定了基础。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1横向磁通电机的发展

1.1.1概述

1.1.2横向磁通永磁电机的优点

1.2横向磁通电机国内外发展状况

1.2.1驱动用横向磁通电动机的研究

1.2.2低速发电机用横向磁通电机的研究

1.2.3横向磁通永磁电机的情况总结

1.3课题研究的目的和意义

1.4课题研究的内容

第二章横向磁通永磁电机的结构及基本原理

2.1横向磁通永磁电机的基本结构原理

2.2横向磁通永磁电机的各种结构

2.2.1按照定子三相的排列方式分类

2.2.2按照转子磁钢的放置方法分类

2.2.3按照定转子的拓扑结构分类

2.3横向磁通永磁电机的特点

2.4本样机的设计研究

2.4.1聚磁结构的选择

2.4.2单边结构的选用

2.4.3定子结构

第三章横向磁通永磁同步电动机的有限元分析

3.1电机电磁场的求解方法

3.2三维电磁场有限元分析原理

3.2.1三维场中电位与磁位的微分方程

3.2.2场域边界条件

3.2.3有限元法的剖分插值

3.3ANSYS有限元分析软件介绍

3.4横向磁通永磁同步电动机的三维磁场计算

第四章横向磁通永磁同步电动机的参数计算

4.1样机的有限元分析与计算

4.2电机的参数计算

4.2.1电机空载反电势的计算

4.2.2电机空载漏磁系数的计算

4.2.3样机结构尺寸变化对漏磁系数的影响

4.2.4电机电磁转矩的磁场计算

4.3电机功率因数的讨论

4.3.1样机功率因数的分析

4.3.2影响功率因数的因素

4.3.3功率因数问题的结论

第五章横向磁通永磁同步电动机的仿真及试验

5.1样机仿真曲线图

5.2样机实验曲线图

5.2.1实验曲线图

5.2.2实验分析报告

5.3样机的性能分析总结及改进设计

5.3.1样机存在的问题

5.3.2改进方案设计

第六章总结

参考文献

硕士期间发表论文和参加科研情况说明

致谢