转子磁极连续型轴向磁通永磁电机设计、分析和优化

作     者：韩青峰 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵纪龙

授予年度：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：轴向磁通 转子磁极连续 磁场调制行为 转矩质量 热管理能力 振动与噪声特性 

摘      要：以航空航天装备对电机的高效率、高功率转矩密度、大转矩输出、低转矩波动、强过载能力和高可靠性等需求为导向,本文提出一种新型转子磁极连续型轴向磁通永磁(Rotor Consequent Pole Axial Field Permanent Magnet,RCPAFPM)电机,在拓扑结构、运行原理、设计方法、磁场调制机理、优化方案、电磁性能、温升特性、结构振动与噪声、工程样机和实验验证等方面展开深入研究,形成系统性解决方案,为该类电机的推广应用提供理论依据和技术支撑。 首先,阐述本课题研究背景及意义,总结国内外轴向磁通永磁电机性能提升技术研究现状。提出新型RCPAFPM 电机拓扑结构,分析结构特点和运行原理。建立功率-尺寸方程和转矩-尺寸方程,研究绕组配置原理,探究该类电机普适性电磁设计原则和通用设计方法,确定电机初始结构参数。 其次,建立磁势-磁导分析模型,研究RCPAFPM电机永磁气隙磁场和电枢反应气隙磁场调制行为。推导空载气隙磁场和电枢反应气隙磁场分布函数,分析并总结谐波分布和转速特性,揭示两类气隙磁场耦合机制。探究电机电磁转矩和齿槽转矩产生机理,剖析谐波特性对转矩质量的一般性影响规律,确定对转矩特性具有显著影响的关键结构参数,为后续的优化设计奠定基础。 再次,研究RCPAFPM电机关键结构参数对电磁性能的影响规律,结合气隙磁场调制机理、局部敏感性分析和有限元法,提出优化设计方案。对比分析优化前后电磁性能,验证优化方案的有效性,提升电机综合性能。建立集中参数热网络模型,实现电机稳态温度快速预测。深入分析电磁性能、温升散热规律和结构振动与噪声特性,验证电机转矩特性、过载能力、热管理能力和运行稳定性等性能,全面响应航空航天装备的应用需求。 最后,试制一台功率为1.5kW的RCPAFPM电机工程样机,搭建实验平台,进行实验验证。测试分析电阻、电感、反电势、齿槽转矩、输出转矩等特性,评估电机性能,验证新型RCPAFPM电机拓扑结构的合理性、理论研究的正确性、优化设计方案的有效性,并形成理论体系,为该电机的推广应用奠定基础。