永磁无刷直流电机空载气隙磁密的稳健设计方法研究

摘要

永磁无刷直流电机与普通的电机相比，具有结构简单、质量轻、运行可靠、体积小、效率高等优点。在结构上采用极槽匹配，减少定子槽数，提高电机的单位体积出力，是21世纪电机工业技术发展趋势之一。
　　 永磁电机的感应电势和输出转矩在很大程度上取决于气隙中的磁通密度分布。因此，本文采用有限元法建立轮毂式永磁无刷直流电机模型，对影响其空载气隙磁密波形（波形畸变率的大小）的各个因素进行数值模拟，通过析因设计，优化设计及稳健优化设计分析影响因素，优化空载气隙磁密波形，最终降低了谐波损耗，提高了永磁电机的性能。
　　 本文的主要完成的工作如下：
　　 (1)对永磁无刷直流电机进行稳健性分析，确定永磁无刷直流电机中的输入变量、输出变量及噪声因素。
　　 (2)设计永磁无刷直流电机的结构参数，然后通过析因设计，分析定子齿槽宽度、气隙大小、磁极厚度、磁极宽度、定子内径、转子外径及永磁体材料七个因素对于空载气隙磁密波形的影响，最后确定影响较大的三个因素：齿槽宽度、气隙大小、磁极厚度。
　　 (3)通过对齿槽宽度、气隙大小和磁极厚度的单因素分析，获得三个参数对于空载气隙磁密波形质量的影响程度。然后，通过试验法设计定子齿槽宽度、气隙大小和磁极厚度三个变量，并分别采用极差分析法、一阶响应面法、二阶响应面法三种方法，建立了永磁无刷直流电机空载气隙磁密模型，最后比较了三种模型的准确性。
　　 (4)在以上的优化设计基础上，通过改变齿槽宽度、气隙大小和磁极厚度的影响区间，对空载气隙磁密波形进行稳健性设计，确定三个参数的制造偏差。得到三个因素的可行制造区间分别为：齿槽宽度为[1.44mm,1.64mm]、气隙大小[0.66mm，0.70mm]、磁极厚度[2.80mm,3.20mm]。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 永磁电机的国内外研究现状

1.2.2 轮毂式永磁电机研究现状

1.3 永磁电机的发展趋势

1.4 永磁电机的存在的问题

1.5 本文的主要研究内容和技术路线

第2章 永磁无刷直流电机空载气隙磁密的设计方法研究

2.1 稳健性设计研究现状

2.2 稳健设计的基本原理

2.3 永磁无刷直流电机的模型分析

2.3.1 永磁无刷直流电机产品的功能因素

2.3.2 永磁无刷直流电机产品的模型分析

2.4 永磁无刷直流电机空载气隙磁密波形的设计方法分析

2.4.1 永磁无刷直流电机空载气隙磁密的析因分析

2.4.2 永磁无刷直流电机空载气隙磁密波形的优化设计

2.4.3 永磁无刷直流电机空载气隙磁密波形的稳健优化设计

第3章 永磁无刷直流电机空载气隙磁密影响因素的分析

3.1 永磁电机参数的设计及计算

3.1.1 永磁无刷直流电机内部结构的选择

3.1.2 永磁电机结构尺寸的预估值

3.1.3 用目标设计法进行电机设计

3.2 永磁无刷直流电机空载气隙磁密的有限元分析理论及方法

3.2.1 有限元法的基本原理

3.2.2 永磁电机有限元模型的建立

3.3 永磁无刷直流电机的析因分析

3.3.1 永磁无刷直流电机的优化设计问题

3.3.2 模拟试验目的

3.3.3 模拟试验安排

第4章 永磁无刷直流电机空载气隙磁密优化设计

4.1 基于单因素永磁无刷直流电机的分析

4.1.1 齿槽宽度对永磁无刷直流电机空载气隙磁密波形的影响

4.1.2 气隙大小对永磁无刷直流电机空载气隙磁密波形的影响

4.1.3 永磁体对永磁无刷直流电机空载气隙磁密波形的影响

4.2 基于极差分析永磁无刷直流电机的优化设计

4.2.1 永磁无刷直流电机的试验设计

4.2.2 基于极差分析的最优解

4.3 基于一阶响应面法永磁无刷直流电机的优化设计

4.3.1 一阶响应法的概述

4.3.2 一阶响应法在永磁无刷直流电机的应用

4.4 基于二阶响应面法永磁无刷直流电机的优化设计

4.4.1 二阶响应法的概述

4.4.2 二阶响应法在永磁无刷直流电机的应用

4.5 三种建模方法的比较及分析

第5章 基于响应面法永磁无刷直流电机空载气隙磁密稳健优化设计

5.1 永磁无刷直流电机稳健设计方法介绍

5.1.1 稳健性概述

5.1.2 永磁电机稳健性设计参数区间的确定

5.2 基于响应面法稳健性设计试验设计

5.3 基于响应面法永磁无刷直流电机稳健优化设计

5.3.1 响应面法在稳健设计中的应用

5.3.2 永磁无刷直流电机的稳健性设计

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果