表贴式与内嵌式永磁容错游标电机的设计与对比分析

摘要

随着能源问题的日益突出以及风力发电、电动汽车、海浪发电等高新技术的快速发展，如何进一步提升电机系统在低速运行状态下的功率密度和可靠性成为直接驱动领域的研究热点。传统的永磁容错电机结构简单且具有较高的可靠性，但其在低速下的功率密度不够高，不能完全满足直接驱动场合的应用要求；利用磁场调制的磁齿轮复合电机可以大幅提升电机低速运行时的转矩性能，但多层气隙导致其电机结构复杂，加工难度较大。近年来，具有结构简单和转矩密度高等优点的永磁游标（PMV）电机被广泛地认为在直接驱动系统中具有比较广阔的应用前景。该电机基于“磁齿轮效应”，通过在定子齿上引入调制齿，充分利用基波以外的有效永磁磁场谐波分量，从而在电机体积较小、转速较低的情况下仍能得到较大的转矩输出。在此基础上，与容错电机结构相结合可使其兼具较高的可靠性。　　本文以五相容错型PMV电机为研究对象，通过对电机结构的合理设计与优化使其兼具高可靠性与高转矩密度的优点，并利用有限元方法对电机的各项性能进行了比较分析。论文的主要研究成果如下：　　1.基于“磁齿轮效应”给出 PMV电机调制原理的解析表达式，并通过有限元仿真的结果分析对其调制过程进行了说明及验证。　　2.设计了三种不同结构的容错型表贴式 PMV电机，分别采用了双极性表贴式、单极性表贴式和混合磁材料表贴式永磁体结构，阐述了其设计及优化过程，并通过有限元方法比较分析了三种电机的静态特性，主要包括电机的磁场、反电势、气隙磁密、转矩性能以及容错性能等。　　3.设计并提出一种采用幅向内嵌式永磁结构的五相容错型 PMV电机，阐述了其设计及优化过程，并利用有限元方法分析了其磁场、反电势、转矩、退磁、损耗等特性；与双极性表贴式 PMV电机和传统内嵌式永磁电机进行了各项性能比较，并对设计的五相内嵌式永磁游标电机进行了Ansoft Maxwell与Simplorer的联合仿真。　　4.设计加工了实验样机，构建了相应的软硬件平台，通过实验测试对理论分析进行了验证。

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第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 永磁容错电机的发展

1.3 永磁游标电机的研究现状及应用前景

1.4 本课题主要研究内容与结构

第二章 磁场调制电机的原理分析

2.1 引言

2.2 磁齿轮效应

2.3 PMV电机

2.4 本章小结

第三章 五相容错型表贴式永磁游标电机的设计与分析

3.1 引言

3.2 分数槽集中绕组

3.3 表贴式容错型永磁游标电机的设计

3.4 表贴式容错型永磁游标电机的结构对比与分析

3.5 本章小结

第四章 五相内嵌式容错型永磁游标电机的设计与分析

4.1 引言

4.2 内置式永磁电机

4.3 FT-IPMV电机的设计

4.4 FT-IPMV电机的优化

4.5 FT-IPMV电机的性能分析及比较

4.6 联合仿真

4.7 本章小结

第五章 性能对比与实验研究

5.1 引言

5.2 表贴式与内置式PMV电机整体性能对比

5.3 实验平台及控制系统硬件设计简介

5.4 实验结果

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 课题展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文与科研成果