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《河北工业大学》 2016年
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软磁复合材料铁芯永磁电机新型拓扑结构及优化设计研究

刘成成  
【摘要】:本文以新型软磁复合材料为基础,通过对现有软磁复合材料铁芯永磁电机进行研究,对具有不同拓扑结构的软磁复合材料铁芯电机进行分析和比较,对软磁复合材料铁芯永磁电机的设计方法进行总结,提出了软磁复合材料铁芯电机的主要设计原则。对具有不同磁通路径结构的软磁复合材料铁芯电机进行比较,本文表明了在不同的尺寸要求场合下有其各自适用类型的电机的结论。本文研究了多种软磁复合材料铁芯横向磁通,爪极电机的齿槽转矩抑制方法。针对软磁复合材料具有适用于设计低制造成本电机的优点,本文提出了六种使用铁氧体永磁和软磁复合材料铁芯设计的同时具备低制造成本和低材料成本特点的新型电机拓扑结构。本文使用多物理场优化设计方法和多层优化设计方法对软磁复合材料铁芯永磁电机进行了优化设计。本文对实验室阶段制造软磁复合材料铁芯的常用方法进行了分析和比较,阐明了使用手动模模压制造软磁复合材料铁芯的主要优点及流程。主要研究内容如下:1、本文提出软磁复合材料铁芯电机的主要设计原则。以软磁复合材料和软磁复合材料铁芯电机的主要拓扑结构及特点为基础,定性分析和比较了五种不同拓扑结构的软磁复合材料铁芯永磁电机,使用尺寸方程法推导了径向磁通电机,轴向磁通电机和横向磁通电机的电磁转矩与主要铁芯尺寸的关系。使用有限元法定量分析和比较了软磁复合材料铁芯横向磁通电机和爪极电机的磁场,电磁参数和电机性能。研究结果表明,在轴向长度直径比较大的场合中,爪极电机具有最佳的性能;当忽略电机的端部绕组时,轴向磁通电机和径向磁通电机具有相同的转矩密度与电机铁芯尺寸关系。2、本文对软磁复合材料铁芯爪极电机和横向磁通电机的齿槽转矩抑制进行了研究。首先阐述了永磁电机的齿槽转矩的产生机理,主要计算方法及主要抑制方法。通过使用傅里叶分析法,本文表明了偏移转子永磁或者定子模块一定的角度能够有效抑制爪极电机和横向磁通电机的齿槽转矩。针对软磁复合材料铁芯的爪极电机和横向磁通电机的结构特点,本文使用有限元法对多种能够抑制其齿槽转矩的其它方法进行了优化,并对优化后的电机的电磁性能进行了比较。研究结果表明,转子磁极分块偏移法是最为有效的减小爪极电机的齿槽转矩的方法。3、本文对成本软磁复合材料铁芯永磁电机的新型拓扑结构径向了研究。针对目前常使用稀土钕铁硼永磁设计软磁复合材料铁芯永磁电机使电机具有总体材料成本过高的缺点,本文提出了使用低成本铁氧体永磁材料来设计软磁复合材料铁芯永磁电机的新方法。就使用低成本铁氧体永磁材料设计低成本软磁复合材料铁芯永磁电机进行了理论研究。本文比较了具有不同转子结构的内转子式软磁复合材料铁芯爪极电机的性能,提出并研究了双转子聚磁式结构软磁复合材料铁芯轴向磁通永磁电机、轴向磁通软磁复合材料铁芯爪极电机、三维横向磁通磁通切换软磁复合材料铁芯永磁电机、三维径向磁通磁通切换软磁复合材料铁芯永磁电机、三维轴径向磁通软磁复合材料铁芯永磁电机。研究结果表明,这六种使用铁氧体永磁体设计的软磁复合材料铁芯永磁电机的新型电机拓扑结构均具有较高的电机性能价格比。4、本文对软磁复合材料电机的新型优化方法进行了研究。针对目前软磁复合材料永磁电机优化设计方法中存在的一些不足,如仅对电磁性能进行优化和优化所需时间较长的问题,本文提出了使用多物理场优化方法和多层优化方法对软磁复合材料铁芯永磁电机进行优化以使得电机的优化结果更符合实际需求。研究结果表明,本文提出的优化算法很好的解决了上述问题。5、本文对软磁复合材料铁芯的制造工艺进行了研究。分析了软磁复合材料铁芯电机在商业化大规模生产中所用的自动模压法及其相比硅钢片铁芯电机其所具备的优点。分析了线切割法制造软磁复合材料铁芯的缺点,提出需使用自动模压法制造软磁复合材料铁芯。研究结果表明,手动模模压法制造的软磁复合材料铁芯具有和自动模模压法的制造的软磁复合材料铁芯同样的性能。
【学位授予单位】:河北工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM351

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