考虑磁势谐波的高转矩低铁损磁场调制永磁电机的设计与研究

作     者：刘超群 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：全力

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：磁场调制电机 气隙谐波 磁势谐波 输出转矩 铁芯损耗 

摘      要：随着国家对农业电气化、智能化、绿色清洁化的大力推进,电动拖拉机由于其噪音低、效率高、零排放等优势,受到广泛关注。然而,由于电动拖拉机需要长期面临较为恶劣的作业环境,这对其核心部件驱动电机的转矩输出能力与过载能力提出了更为严苛的要求。磁场调制永磁电机具有结构简单、低速大转矩的特性,在电动拖拉机驱动系统领域受到了广泛的关注。由于磁场调制效应的存在,电机丰富的气隙磁密谐波,在有效提升磁场调制电机转矩输出能力的同时,也不可避免的引起铁芯损耗的增加。较高的铁芯损耗会导致电机机体温升,从而破坏电机的绝缘结构,增加永磁体不可逆退磁风险。因此,如何基于电机气隙磁密分布特性,针对性设计一种具有高转矩输出能力、低铁芯损耗的磁场调制永磁电机,成为磁场调制永磁电机研究领域的热点与难点课题。本文以一种裂齿型磁场调制永磁电机(Split-slot flux modulation permanent magnet motor,简称SP-FMPM电机)为研究对象,创新性地从磁势角度出发,提出一种以高转矩铁损比为导向的气隙谐波针对性优化方法,立足于实现其高转矩低铁芯损耗性能。具体工作总结如下:首先,概述了国内外磁场调制电机的研究现状及其提升转矩、降低铁芯损耗的方法。在此基础上,本文选取SP-FMPM电机作为研究对象,围绕磁场调制电机三要素,对其永磁磁势谐波、电枢磁势谐波与气隙磁密谐波之间的关系展开了系统性分析。其次,基于转矩生成机理及Bertotti铁芯损耗计算公式,分别推导了SPFMPM电机气隙谐波与输出转矩、铁芯损耗这两个关键性能的关系,确定对二者均具有较大影响的谐波作为目标谐波。在此基础上,提出转矩铁损比的概念,用以评估不同目标谐波与电机关键性能之间的正负相关特性。接着,分别从永磁磁势谐波及电枢磁势谐波角度,对该电机的气隙磁密谐波进行针对性优化。在确定最优结构参数后,运用有限元分析软件对SP-FMPM电机模型进行性能仿真,对比优化前后空载磁场分布、反电势、齿槽转矩,负载气隙磁密、转矩、铁芯损耗及效率等性能,详细分析电机是否满足高转矩低铁芯损耗的优化需求。最后,以优化后模型各项参数为模板,制造了对应的SP-FMPM电机实验样机,并根据其特性搭建了实验平台,以进行电机各项实验验证。对比实际实验与仿真下电机空载反电势、转矩特性及效率,并根据电机实际使用场合进行启动、变速和变载等动态特性测试。通过对比有限元分析及实验结果,验证电机设计的合理性,可靠性及所提出的基于转矩铁损比的气隙谐波针对性优化方法的有效性。