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一种新型无铁芯电枢盘式电机的设计与分析

作　者: 王小雷
导　师: 陈钢
学　校: 中国舰船研究院
专　业: 武器系统与运用工程
关键词: 无铁芯永磁盘式电机 涡流损耗 利兹线 分段式三维磁场有限元法 功率型
分类号: TM351
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


盘式电机是一种气隙为平面、磁场方向为轴向的电机，相对于传统径向磁场电机，盘式电机也称为轴向磁场电机。由于盘式电机具有结构紧凑，轴向尺寸短，可通过轴向级联来增加功率，易于制成无铁芯电枢结构以消除齿槽转矩及定子铁损，噪声小和效率高等优点，故而应用领域广泛。应用于水下航行器推进装置的功率型无铁芯永磁盘式电机，由于电枢绕组直接暴露在气隙交变磁场中，绕组涡流损耗较大，故而导致电机绕组盘温度较高，这会影响电机运行性能。因此电枢绕组涡流损耗抑制及其计算方法的研究，对功率型无铁芯永磁盘式无刷电机有着重要的理论意义和应用价值。本文的研究内容分为以下几点：1、综述了盘式电机的国内外研究现状、存在问题及发展前景，介绍了几种盘式电机拓扑结构及与传统电机的特性对比，理论上分析了无铁芯永磁盘式电机绕组的铜损、涡流损耗的产生机理。2、提出一种新型无铁芯永磁盘式电机电枢结构：热风自粘利兹线绕制的电枢绕组盘，该电枢绕组理论上可有效减少在交变磁场中裸露导线的涡流损耗。本文使用MathCAD软件对采用该绕组结构的无铁芯永磁盘式电机进行设计与电磁磁路计算，并分析了计算结果。3、提出一种计算无铁芯永磁盘式电机电枢绕组涡流损耗的新方法：分段式3D磁场有限元法。相对传统分段式等效直线电机2D有限元法，该方法计算结果更为精确。通过使用Flux有限元软件对无铁芯永磁盘式电机进行三维建模，然后对绕组涡流损耗进行仿真计算，结果验证了无铁芯永磁盘式无刷电机采用利兹线电枢绕组减少涡流损耗的有效性。4、通过无铁芯永磁盘式电机原理样机的涡流损耗、机械损耗等试验测试，对比试验测试结果与理论仿真计算结果，验证了本文关于无铁芯永磁盘式电机设计方法的可行性，理论计算方法的正确性和精确性。本文研究的成果解决了功率型无铁芯永磁盘式电机电枢绕组涡流损耗较大的问题，使功率型永磁盘式电机得以在水下航行器推进装置上高效应用。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目次  8-11
第一章 绪论  11-18
  1.1 永磁无刷盘式电机介绍  11
  1.2 盘式电机的发展与国内外研究现状  11-14
  1.3 课题目的及意义  14-16
  1.4 课题研究内容与方法  16-18
第二章 新型电枢绕组结构无铁芯永磁盘式电机设计  18-44
  2.1 永磁盘式电机的拓扑结构  18-20
  2.2 无铁芯永磁盘式电机特点  20-21
  2.3 永磁材料的介绍与磁极设计  21-26
    2.3.1 三种永磁材料  21-23
    2.3.2 11kW 永磁盘式电机的永磁材料选取和磁极设计  23-26
  2.4 电枢绕组损耗产生机理与元件导线的选取  26-35
    2.4.1 铜损  26-30
    2.4.2 涡流损耗产生机理  30-33
    2.4.3 电枢绕组损耗的减少和利兹线介绍  33-35
  2.5 利兹线电枢绕组设计  35-42
    2.5.1 电枢绕组结构介绍  35-36
    2.5.2 电枢绕组设计  36-42
  2.6 11kw 利兹线电枢绕组无铁芯永磁盘式电机总体设计  42-43
  2.7 本章小结  43-44
第三章 无铁芯 AFPM 电机电磁场分析  44-62
  3.1 电机电磁场理论基础  44-45
  3.2 无铁芯 AFPM 电机等效电路及电磁关系  45-47
  3.3 有限元分析  47-61
    3.3.1 有限元法简介  47-49
    3.3.2 恒定磁场的边界条件  49-51
    3.3.3 无铁芯 AFPM 电机三维模型建立与参数设定  51-53
    3.3.4 网格剖分及求解  53-55
    3.3.5 仿真结果及分析  55-61
  3.4 本章小结  61-62
第四章 电机损耗计算  62-75
  4.1 绕组涡流损耗  63-71
    4.1.1 分段式等效直线电机二维有限元法  63-64
    4.1.2 分段式三维磁场有限元法  64-71
  4.2 铜耗  71
  4.3 铁芯损耗  71-72
  4.4 机械损耗  72-73
  4.5 杂散损耗  73
  4.6 新型电枢绕组无铁芯永磁盘式电机的效率  73
  4.7 本章小结  73-75
第五章 原理样机试验及结果分析  75-85
  5.1 损耗测试  75-78
  5.2 空载反电势测试  78-79
  5.3 11kW 利兹线电枢绕组无铁芯永磁盘式电机性能测试  79-84
  5.4 本章小结  84-85
第六章 总结与展望  85-87
  6.1 本文总结  85-86
  6.2 进一步研究方向  86-87
致谢  87-89
参考文献  89-97
学术论文和科研成果  97-98
详细摘要  98-101

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 特殊电机 > 永磁电机
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