盤式永磁同步電動機屬于軸向磁場電機，目前，該類電機在國外已經得到了迅速發展，作為一種現代高性能伺服電機和大力矩直接驅動電機己廣泛應用于機器人等機電一體化產品中。由于該類電機具有重量輕、體積小、結構緊湊、轉子無損耗、轉子的轉動慣量小、機電時間常數小、轉矩/重量比大、低速運行平穩、可以制成多氣隙組合式結構進一步提高轉矩等特點，其在數控機床、機器人、電動車、電梯、家用電器等場合具有廣闊的應用前景，是一種理想的驅動裝置。 本課題作為國家863計劃項目《新型稀土永磁電機設計及集成技術》2002AA324020中的一部分，該項目的主要工作是進行新型結構釹鐵硼永磁電機——盤式無鐵心永磁同步電動機的設計與集成技術研究，開發出一種新型釹鐵硼永磁電機，解決相應的整機設計和集成技術問題。本文中提出的基于HALBACH陣列的盤式無鐵心永磁同步電動機是在盤式永磁同步電動機的基礎上，將無鐵心結構和HALBACH型永磁體陣列應用到其中，從而使得電機的質量大為減輕，功率密度提高，振動噪聲降低，效率提高。 基于HALBACH陣列的盤式無鐵心永磁同步電動機其磁路結構和電磁負荷分布與傳統電機完全不同，常規電機的某些設計規則不能直接應用到該結構電機的設計當中，本文主要針對這種結構的電機進行了分析與計算。分析了不同結構HALBACH陣列下的氣隙磁場，以及相關參數的計算，給出了初步的樣機設計數據，并對樣機的加工工藝進行了探討，在總結、借鑒相關電機設計方法的基礎上，針對盤式無鐵心永磁同步電動機自身的特點，編制了一套電磁計算程序，該程序還有待通過大量樣機的試驗，來總結和完善。 我國稀土資源豐富，然而，由于技術經濟上的問題，國產永磁交流伺服電動機至今未能大量應用。與此同時，高性能的永磁交流伺服電動機及系統大量依靠進口，我國每年進口的工程裝備當中，僅數控機床因國產電機和系統不能滿足要求而每年需要進口的就達22億美元以上。本項目的完成將改變這類產品主要依靠進口的局面，充分發揮我國稀土資源豐富的優勢，其經濟效益和社會效益是十分巨大的。
上傳時間： 2013-04-24
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盤式永磁同步電動機是近年來發展起來的新型結構高性能伺服電動機，具有軸向尺寸短、重量輕、體積小、結構緊湊等特點。可以制成多定子多轉子交錯組成的多盤式結構，進一步提高轉矩，特別適合于機器人和大力矩直接驅動裝置。同時由于結構原因，盤式電機的徑向尺寸受到一定限制，半徑太大會增加加工工藝的難度，有時相關的尺寸數據難以保證，為提高電機的輸出功率，一般采用多盤式結構。 目前永磁電機正向著大功率化、高功能化和微型化方向發展，其中高力能密度和高效率是對各類永磁電機設計所提出的共同要求。本文本著提高電機的輸出功率的目的，在總結各種盤式永磁同步電機的結構、特點的基礎上提出了一種新型的基于HALBACH陣列的多盤式無鐵心永磁同步電動機，從提高電機的功率密度入手，將無鐵心結構和HALBACH型永磁體陣列應用到其中。利用釹鐵硼永磁材料高矯頑力的優異特性以及HALBACH陣列的高聚磁作用來提高電機氣隙磁密，使無鐵心電機變成可能，同時HALBACH陣列使軛部的磁通減小，可相應少用或不用軛部。電機重量因此可以大幅度下降，在一定程度上也可降低電機的成本。
上傳時間： 2013-07-06
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開發和研制無鐵心永磁電機是當前電機領域的一項重要課題，無鐵心永磁電機可以解決傳統有鐵心電機存在的重量重、損耗高、振動噪聲大等問題。開發無鐵心永磁電機需要準確計算電機的參數和性能，而實現這一任務的重要前提是獲得正確的磁場分布。無鐵心永磁電機氣隙外沒有鐵磁材料，其自身的結構特點決定了無鐵心永磁電機的氣隙磁場屬于三維開域磁場，開域磁場工程問題的計算是近年來計算電磁學的研究熱點之一。 本文的研究內容是國家高技術研究發展(863)計劃項目“新型稀土永磁電機設計與集成技術”的關鍵技術之一。針對無鐵心永磁電機的實際工程問題，計算方法的選擇力求既能保證一定的計算精度，又能節約計算機內存和CPU時間。根據對各種開域電磁場計算方法的分析比較，本文將漸近邊界條件法和有限元法結合解決無鐵心永磁電機三維開域磁場計算問題。 本文主要由以下幾部分組成： 第一部分為無鐵心永磁電機三維開域磁場計算方法的研究。首先提出了基于標量磁位的漸近邊界條件，建立了球形邊界的標量磁位漸近邊界條件數學模型。為了盡可能減少節點的數量，結合無鐵心永磁電機的具體結構，推導了適合于盒形截斷邊界和圓柱形截斷邊界上簡便易行的一階和二階標量漸近邊界條件算子，該算子具有簡單、有限元實施容易的特點。其次研究并建立了標量漸近邊界條件與有限元法結合的三維開域靜磁場的數學模型，并提出具體的實施方法，推導出相應的離散方程。通過對具有解析解的長方永磁體三維開域磁場的實例計算，驗證了方法和所編程序的正確性，并將漸近邊界條件法與截斷法在計算精度和人工外邊界距離方面做了比較。結果表明：在相同人工外邊界情況下，漸近邊界條件與截斷邊界條件相比，計算精度明顯提高，二階漸近邊界條件明顯優于一階漸近邊界條件。與截斷法相比，漸近邊界條件法更節約計算機內存和CPU時間，比較好地處理了計算量與計算精度之間的矛盾。 第二部分針對HALBACH陣列內轉子無鐵心永磁電機三維開域磁場問題進行深入研究。利用漸近邊界條件法，定量地計算了在定轉子均無鐵心的情況下電機內部及周圍磁場的大小，總結出了HALBACH陣列無鐵心永磁電機磁場的空間分布規律。 第三部分針對不同拓撲結構的HALBACH磁體陣列電機磁場問題進行對比研究。通過大量的計算，探討了HALBACH陣列永磁電機在轉子無鐵心情況下影響氣隙磁密的各種因素，分析了不同HALBACH磁體軸向長度對端部漏磁的影響規律，給出了無鐵心永磁電機漏磁系數、電樞計算長度等主要設計參數隨電機結構尺寸的變化規律。 第四部分針對具有試驗數據的三種結構的無鐵心永磁電機樣機進行了計算和分析，計算結果與試驗數據吻合，從而驗證了漸近邊界條件法處理三維開域磁場問題的有效性和實用性。
上傳時間： 2013-06-22
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風能是可再生能源，世界各國越來越重視風能的開發和利用。國內外學者也開始研究高效率永磁電機在風力發電上的應用。在山東省科技廳資助下，本文研究了一種新型結構的雙轉子永磁發電機，其高運行效率和特殊的電機結構，使其在小型風力發電系統中存在著巨大優勢。本文主要研究的內容如下： 第一部分首先給出了雙轉子永磁電機的基本結構、等效磁路、工作原理，然后對雙轉子永磁電機電樞反應電感參數進行計算。 第二部分對雙轉子永磁電機的空載感應電勢進行解析計算和有限元分析驗證。首先通過引入相對比磁導函數，給出了雙轉子永磁電機考慮齒槽效應時定子表面的磁場分布，并給出了相應的波形。然后采用矢量合成法推導了空載感應電勢的表達式，為了驗證空載電勢解析法的正確性，本文采用有限元法對其分析計算。通過比較得出：解析法和有限元法吻合很好。最后，針對雙轉子電機的特殊結構，提出了三種改善電勢波形的方法，并利用解析法對其進行分析，證明了這幾種措施的可行性。 第三部分針對HALBACH磁體電機在風力發電系統中的潛在優勢，主要研究了HALBACH磁體結構雙轉子電機的電勢和齒槽轉矩。首先給出了HALBACH陣列的基本原理，采用有限元法分析了HALBACH磁體結構雙轉子電機的磁場分布及空載電勢波形，并對其進行了諧波分析。最后利用能量的虛位移法推導了雙轉子電機的齒槽轉矩，對于HALBACH磁體雙轉子電機，提出了三種減小轉矩脈動的方法，并通過有限元分析進行了比較，證明了這幾種措施的可行性。 第四部分對雙轉子電機的設計進行了分析，提出了先分別設計內外電機再統一調整的設計方法，最后設計制作了樣機，給出了樣機圖片。并對樣機進行試驗，測量不同轉速下電機的空載電勢波形，電機的電勢-轉速曲線，電機的負載電壓-電流特性曲線，并測量了電樞反應電感數值，通過對比可以得出：試驗值、解析值和有限元值吻合很好。
上傳時間： 2013-08-04
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與傳統的徑向磁通圓柱式電機相比，軸向磁通的盤式無鐵心永磁同步電機有著許多明顯的優點：其結構較為簡單，加工及裝配費用低，電機運行可靠，不需勵磁電流，提高了電機的效率和功率密度。盤式電機永磁化是一種發展趨勢，而稀土材料是其首選的永磁材料。我國已研制出盤式永磁同步電機，但還處于試制階段，要實現產品化，還有許多研究課題亟待解決。 本文主要針對該電機的氣隙磁密進行分析，對影響氣隙磁密的各種因素展開了研究。具體內容如下： 1) 回顧了永磁電機的研究歷史、發展現狀和主要應用，對永磁材料的性能及選取、聚磁技術、電機磁場計算所需理論和有限元軟件進行了介紹。 2) 將電機內的電磁場、有限元軟件和盤式無鐵心永磁電機特殊結構相結合，設計出了近二十個有限元計算程序，組成一個針對盤式無鐵心永磁同步電機的計算軟件包，由這些計算程序出發，對盤式無鐵心永磁同步電機進行一系列仿真分析計算。 在繪制氣隙磁密三維分布圖時，由于有限元軟件在繪圖方面的限制，需要將氣隙磁密數據從有限元軟件中導出到文本文件，再由其它數學工具進行氣隙磁密的三維圖形繪制。在這一過程中由于導出數據格式與繪圖工具所需數據格式不能兼容，還需要對導出數據進行處理。由于有限元軟件導出的數據量很大，如果對這些數據進行人工整理將增加大量的工作量，所以作者在研究過程中，針對導出數據的特點編寫了一個Vb數據處理程序，使數據處理工作得到大大簡化。 3) 在上述建立的軟件包的基礎上，對基于HALBACH陣列的盤式無鐵心永磁同步電機進行了一系列系統分析，其中包括三維開域磁場分析、永磁體厚度對電機氣隙磁密的影響及分析、永磁體寬度變化時氣隙磁場分析、采用不同角度HALBACH陣列時的氣隙磁密分析、不同半徑處氣隙磁密分析，為在電機設計過程中永磁體的設計提供了依據。 4) 在對盤式無鐵心永磁同步電機磁場進行詳盡的分析的基礎之上，本文提出了對該電機的新設計方案，并就此方案進行了建模分析，結果表明，此新方案所得到的氣隙磁密比原結構的氣隙磁密更為理想。此外，還對新模型從定性的角度進行了渦流損耗分析，分析表明其結構有利于減小渦流損耗。
上傳時間： 2013-04-24
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盤式永磁同步電動機是一種性能優越、但結構特殊的電動機。作為一種理想的驅動裝置，其應用范圍遍及航天、國防、工農業生產和日常生活的各個領域。本文利用稀土永磁材料釹鐵硼的高矯頑力，提出了一種省卻了鐵心的雙轉子、單定子結構盤式無鐵心永磁同步電機，進一步減輕了電機的質量并消除轉矩脈動。 對電機的設計、性能預測都離不開電機電磁場的計算。不同于傳統的圓柱式徑向磁通電機，盤式無鐵心電機是軸向磁通電機，外加其無鐵心的結構，決定了該電機的磁場呈三維、開域分布。對它的電磁場分析，不能采用對待徑向磁通電機的化為二維磁場的分析方法。 本文研究的重點內容分為兩部分：(1)在盤式無鐵心永磁同步電機的結構上，建立其磁場三維模型，由三維有限元法計算三維電磁場，分析計算結果，并總結出盤式無鐵心永磁同步電機的磁場分布規律。 (2)在磁場計算的基礎上，將HALBACH型永磁體陣列的理論應用到磁鋼設計中來，提出磁鋼結構優化方案，研究出適合于盤式無鐵心永磁同步電機的磁鋼結構，以獲得理想的磁場波形和磁密值。 本文首先從磁路計算的方法入手，通過磁路計算分析出盤式無鐵心永磁同步電機的磁場分布特點。其后直接運用三維有限元法求解該電機的電磁場，分析計算結果。為了獲得低漏磁、高氣隙磁密值、正弦形的氣隙磁場分布，本文先后提出普通軸向充磁磁鋼結構、不等厚軸向充磁磁鋼結構并將HALBACH陣列的理論應用到盤式無鐵心永磁同步電機的磁剛結構優化中，討論了三種不同角度的HALBACH型永磁體陣列。最后為了簡化磁鋼的加工工藝，將不等厚永磁體陣列與HALBACH永磁體陣列相結合，提出了最經濟、有效的改進型HALBACH永磁體陣列，給出具體磁鋼尺寸，并運用ANSYS軟件對各種磁鋼結構產生的磁場進行結果仿真。
上傳時間： 2013-06-23
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