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转子磁极连续型轴向磁通永磁电机设计、分析和优化

转子磁极连续型轴向磁通永磁电机设计、分析和优化

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作者：韩青峰西安理工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

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