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超高速永磁无刷直流电机的设计与分析

作　者: 肖江成
导　师: 肖曙红
学　校: 广东工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 高速无刷直流电机转子强度分析损耗分析电磁场分析电主轴
分类号: TM33
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

永磁无刷直流电机由于气隙大,效率高,转子结构简单,适合于超高速运行,是特种电机领域研究的热点,也是超高速精密电主轴理想的驱动部件之一。永磁无刷直流电机的转子常采用高性能永磁铁,设计成磁环或者扇形块粘贴在转子上,强度低；另外电机高频引起的损耗大,转子散热困难等特有的问题,使得高速永磁无刷直流电机转子温升过大,永磁体易于退磁,制约了电机转速的进一步提高。本文是在掌握高速永磁无刷直流电机设计理论的基础上,通过电主轴用永磁直流无刷电机的主要问题进行深入的分析,从电机本体结构设计、电磁设计、超高速转子设计等方面对超高速电主轴用电机进行设计,并对开发的超高速永磁直流无刷电机的性能进行了分析。本文的主要研究内容包括：首先,阐述了课题的背景及意义,国内外的研究现状,论文的研究内容及结构安排,接着对永磁无刷直流电机的结构组成和工作原理进行了分析。采用传统的磁路计算和电磁场有限元相结合的方法,进行了高速永磁电机的电磁计算。针对超高速电机的损耗过大等关键问题,结合永磁无刷直流电机的电磁计算方法,给出了一套比较完整的电主轴用内装式超高速永磁无刷直流电机本体设计方案。其次,研究了电机转子机械强度,转子采用的是整体磁环式结构,为了防止永磁体在高速旋转时产生的巨大拉应力作用下而破坏,利用非导磁合金钢护套对永磁体进行了保护,保护套与永磁体之间采用过盈配合。基于弹性力学理论和有限元接触理论建立了高速永磁转子应力计算模型,计算了永磁体和护套的接触应力,确定了护套和永磁体之间的过盈量。根据电主轴实际运行时的温升现象,校核了不同温度下的永磁体和护套的强度,从而保证永磁转子的安全运行。第三,对高速永磁无刷直流电机内的损耗进行了分析计算,采用有限元法研究了槽开口和气隙长度对转子涡流损耗的影响,在空,负载状态下的研究结果均表明：随着槽开口的增加或者气隙长度的减小,转子损耗都会增加。由于定转子损耗与磁场波形密切相关,对比分析了平行充磁和径向充磁对高速永磁无刷直流电机气隙磁场和电机损耗的影响,结果表明：平行充磁优于径向充磁。最后,在电机设计的基础上,利用Ansoft软件搭建了永磁无刷直流电机有限元模型,分析了电磁转矩脉动的抑制方法,并对磁路方案进行了校正,仿真分析了电机性能,完善了电机的结构设计。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
CONTENTS  11-14
第一章绪论  14-23
  1.1 课题背景及研究意义  14-15
  1.2 高速无刷直流电机概况  15-18
  1.3 高速电机关键技术及国内外研究现状  18-21
  1.4 本文主要研究内容及结构安排  21-23
第二章超高速永磁无刷DC电机的设计  23-45
  2.1 高速永磁DC电机总体方案的确定  23-25
    2.1.1 电枢绕组形式和开关主电路的接法  23-24
    2.1.2 主要尺寸的确定  24-25
  2.2 高速永磁DC电机的转子设计  25-29
    2.2.1 转子直径和长度的选择  25-26
    2.2.2 永磁体的选择和尺寸设计  26-27
    2.2.3 永磁体的保护  27-28
    2.2.4 极数的选择  28-29
  2.3 高速永磁DC电机定子结构设计  29-33
    2.3.1 定子铁芯材料选择  29
    2.3.2 定子铁芯结构  29-32
    2.3.3 定子绕组形式  32-33
    2.3.4 导线的选择  33
  2.4 高速永磁DC电机电磁设计  33-44
    2.4.1 永磁DC电机等效磁路分析  34-37
    2.4.2 场路结合法在电机设计中的应用  37-41
    2.4.3 电机性能计算及设计流程  41-44
  2.5 本章小结  44-45
第三章高速永磁DC电机转子强度分析  45-58
  3.1 永磁体和护套配合分析  45-50
    3.1.1 离心力对过盈配合的影响  45-47
    3.1.2 温度对过盈配合的影响  47
    3.1.3 永磁体强度解析分析  47-48
    3.1.4 护套强度解析分析  48-49
    3.1.5 护套和永磁体间压应力解析分析  49-50
  3.2 电机转子结构尺寸及有限元模型  50-51
  3.3 过盈配合的有限元分析  51-55
    3.3.1 转速对过盈量的影响  51-52
    3.3.2 转速对径向应力的影响  52-54
    3.3.3 温度对径向应力的影响  54-55
  3.4 永磁体和护套的强度校核  55-57
    3.4.1 静应力分析  55-56
    3.4.2 转速在200000rpm时内部应力分析  56-57
    3.4.3 转速200000rpm,温度为150℃时内部应力分析  57
  3.5 本章小结  57-58
第四章永磁无刷直流电机损耗分析  58-72
  4.1 定子损耗  58-65
    4.1.1 定子铁芯损耗分析  58-63
    4.1.2 定子铜耗计算  63-65
  4.2 转子损耗分析  65-71
    4.2.1 涡流损耗  65-70
    4.2.2 机械损耗分析  70-71
  4.3 本章小结  71-72
第五章高速无刷直流电机电磁场仿真  72-90
  5.1 有限元法的基本原理及Ansoft软件简介  72-74
  5.2 永磁无刷直流电机建模  74-79
    5.2.1 电机结构模型的建立  74-75
    5.2.2 电机驱动电路模型的建立  75-78
    5.2.3 网格剖分及求解  78-79
  5.3 转矩脉动分析  79-83
    5.3.1 齿槽转矩脉动及计算  79-82
    5.3.2 电枢反应和机械加工引起的转矩脉动  82-83
  5.4 电机空载和负载特性分析  83-88
    5.4.1 电机空载特性分析  83-85
    5.4.2 电机负载特性分析  85-88
  5.5 电机仿真特性分析  88-89
  5.6 本章小结  89-90
总结与展望  90-92
参考文献  92-96
攻读学位期间发表的论文  96-98
致谢  98

超高速永磁无刷直流电机的设计与分析

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