高性能AFPM无刷盘式电机的性能优化
目录
1 绪论 1
1.1 无刷盘式电机的发展趋势和应用现状 1
1.2 电机的优化计算方法 2
1.2.1 等效磁路法 2
1.2.2 有限元数值计算法 3
1.3 本课题研究的内容与意义 3
1.3.1 本课题研究的内容 3
1.3.2 本课题研究的意义 3
2 高性能AFPM无刷盘式电机的结构特点 4
2.1 无刷盘式电机的结构组成 4
2.2 无刷盘式电机的材料应用 6
2.3 无刷盘式电机的参数选择 7
3 高性能AFPM无刷盘式电机的性能分析 8
3.1 AFPM无刷盘式电机的材料特性分析 8
3.2 AFPM无刷盘式电机的电磁特性分析 9
3.3 AFPM无刷盘式电机的转矩特性分析 10
4 高性能AFPM电机的性能优化措施 11
4.1 AFPM电机的材料选择 11
4.1.1 永磁材料的选择原则 11
4.1.2 永磁材料的确定 11
4.2 气隙厚度优化 13
4.3 极数的优化选择 14
5 AFPM电机的优化方案 14
5.1 确定优化方案 15
5.2 电机性能优化前后的对比分析 15
结论 17
致谢 18
参考文献 19
1 绪论
永磁无刷直流电机作为当今的新兴技术产品，由于它本身的扁平性特点，能够更多的应用在薄型安装结构中。在高性能永磁材料及其它相应的器件被设计出来以后，永磁无刷 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
盘式电机发展的越来越迅速。永磁无刷盘式电机具有良好的节能效果，使得无刷盘式电机在许多的传动系统中能够得到广泛的应用，此外，对于那些尺寸受到限制的电机，它的优势将更加明显，因此，现在无刷盘式电机更为受到研究者的青睐。
1.1 无刷盘式电机的发展概况和应用现状
著名科学家法拉第研究发明出了第一台盘式电机，作为第一台盘式电机它存在方方面面的不足，性能落后，难以制造，效率极低等导致了其很难被生产出来，被其它电机代替在所难免，这个时候径向磁场电机应运而生。该种电机也依然存在一些缺点，难以批量生产如：散热慢、转动惯量大、电机效率低等，且当电机工作时，因为存在齿槽的效应，使得电磁转矩存在脉动，因而应用范围很狭窄。
随着科技的发展和进步，电机的生产和加工工艺得到了很大的改善，电机的转动惯量大，效率低等问题得到了一一解决，20世纪40年代起，世界各国的科学家们开始研究轴向磁场电机。60年代末期，盘式电机也被发明出来。到了70年代，轴向磁场电机广泛应用于电车和汽车风扇等场合。时间来到1973年，欧洲的一位科学家在对盘式轴向磁场结构进行了大量的研究后，分析得出其具有无可比拟的优越性，激起了其他科学家的极大反响，英国和美国等国家开始研制盘式异步电机。1978年意大利比萨大学的一位教授第一次探讨了几种方法关于制造轴向气隙同步电机，发觉该种电机非常具有可行性。1982年，H. Weh教授等人为了减少电机的惯量，开始研究大功率低速盘式永磁电机，发现转子圆盘采用强化纤维塑料会极大的改善电机的整体性能，最终成功研制出一台高转矩低速盘式永磁电机。到了1988年英国曼彻斯特理工大学的教授又提出了一种全新的电机时间方法，即双转子夹单定子盘式永磁无刷直流电机，由于定子绕组环绕在定子铁芯上，定子制造起来会相当的方便。
我国对于盘式电机的研究比较晚，直到1976年才研制出第一代盘式直流电机。能够让盘式电机早日全面的生产应用，我国的科学家们开始积极努力的去研究电机制造过程中的关键工艺技术，最终也取得了一些重要成果。到现在为止，中国已经拥有了一系列永磁盘式无刷电机，不过现在的这些电机性能比起国际水平还有一定的差距，在设计电机时还存在一些不足，制造工艺仍然落后于国际水平，使其很难得到广泛的生产应用。因此对于我国研发永磁盘式无刷电机的科学家们任重而道远，还得继续深入研究相关理论。
1.2 电机的优化计算方法
1.2.1 等效磁路法
等效磁路法中的理论基础和计算过程与鼠笼异步电机中的计算有异曲同工之妙，都是属于典型的集中参数方法。在计算直轴电抗 时，运用等效磁路法直接按(1.1)式计算：
(1.1)
式中， 是电源的频率， 是折算系数， 为每相串联匝数， 是气隙基波磁通， 是直轴电流等于 时永磁体产生的气隙基波磁通。
在计算交轴电抗时，通常要用到迭代方法进行求解。迭代步骤如下：
(1) 给定某一转矩角 。
(2)设定交轴电流的初始值 ，计算出交轴磁动势 ，再根据之前计算好的 查取相应的 ，查找到交轴电枢反应电势 和交轴电枢反应电抗， 加上漏抗 就能够得到 。
(3)利用已知的 和在步骤(2)中得到的 ，通过(1.2)式和（1.3）式计算 和 ，
(1.2)
(1.3)
(4)通过比较 和 的大小来决定是否进行迭代。
等效磁路法具有鲜明的优点即直观而形象，然而永磁电机的电磁场分布十分复杂，一些关键系数，如：漏磁系数以及极弧系数，需要通过经验数据或相关的曲线，这类数据或曲线大部分是对具体的结构尺寸以及某些具体的永磁材料，很难适合大多数永磁材料。有限元数值计算方法则可以精确计算出电机的参数，实现算法的通用性。
1.2.2 有限元数值计算法
有限元法对于电磁磁路的计算比起等效磁路法会相当的准确和方便，因此得到了极其广泛的应用，有如下2个优点：
（1）处理内部媒质交界条件非常方便，尤其是对于那些形状复杂的永磁体。容易计算各种结构的永磁电机参数，且参数计算准确，算法通用性强。
（2）统一各个环节方法，容易实现程序标准化。
运用有限元方法计算磁路法的各种系数，然后再进行磁路计算，能同时满足电机设计过程中对“直观与精度”的双重要求。213等效磁网络法实是一种经过简化后的有限元方法，具有显著的优点，即能够规范网络中各单元的划分，由于其处理工作量小，不同磁路结构的电机计算起来会相当的容易。比起有限元方法，等效磁路法存在的误差大部分来源于两点：其一，等效磁路法很难完全表示出齿槽对气隙磁密分布的影响；其二，为了让每个位置的饱和程度都相等，要把齿进行逐步的细分，从而得到许多个等效磁导。
1.3 本课题研究的内容与意义
1.3.1 本课题研究的内容
本文的主要研究对象是高性能AFPM无刷盘式电机的性能优化，确定电机的设计结构后，研究盘式永磁电机的结构特点与性能特点，将麦克斯韦理论应用到盘式无铁芯电机的电磁场特性分析中，利用Ansoft Maxwell软件、数学建模以及仿真计算来研究电机的转矩特性与电磁特性，提出了三个优化方案。本文的章节安排如下：
通过表2.1和表2.2可以大概的了解电机的基本参数以及为后续的AFPM无刷盘式电机的性能优化提供参考。额定电压为36V，额定电流为12A，永磁材料选用钕铁硼35，气隙厚度初步设计为1mm，极数采用16极，线圈数量采用12个，这些数据作为高性能AFPM无刷盘式电机的初步设计参数。
1 绪论 1
1.1 无刷盘式电机的发展趋势和应用现状 1
1.2 电机的优化计算方法 2
1.2.1 等效磁路法 2
1.2.2 有限元数值计算法 3
1.3 本课题研究的内容与意义 3
1.3.1 本课题研究的内容 3
1.3.2 本课题研究的意义 3
2 高性能AFPM无刷盘式电机的结构特点 4
2.1 无刷盘式电机的结构组成 4
2.2 无刷盘式电机的材料应用 6
2.3 无刷盘式电机的参数选择 7
3 高性能AFPM无刷盘式电机的性能分析 8
3.1 AFPM无刷盘式电机的材料特性分析 8
3.2 AFPM无刷盘式电机的电磁特性分析 9
3.3 AFPM无刷盘式电机的转矩特性分析 10
4 高性能AFPM电机的性能优化措施 11
4.1 AFPM电机的材料选择 11
4.1.1 永磁材料的选择原则 11
4.1.2 永磁材料的确定 11
4.2 气隙厚度优化 13
4.3 极数的优化选择 14
5 AFPM电机的优化方案 14
5.1 确定优化方案 15
5.2 电机性能优化前后的对比分析 15
结论 17
致谢 18
参考文献 19
1 绪论
永磁无刷直流电机作为当今的新兴技术产品，由于它本身的扁平性特点，能够更多的应用在薄型安装结构中。在高性能永磁材料及其它相应的器件被设计出来以后，永磁无刷 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
盘式电机发展的越来越迅速。永磁无刷盘式电机具有良好的节能效果，使得无刷盘式电机在许多的传动系统中能够得到广泛的应用，此外，对于那些尺寸受到限制的电机，它的优势将更加明显，因此，现在无刷盘式电机更为受到研究者的青睐。
1.1 无刷盘式电机的发展概况和应用现状
著名科学家法拉第研究发明出了第一台盘式电机，作为第一台盘式电机它存在方方面面的不足，性能落后，难以制造，效率极低等导致了其很难被生产出来，被其它电机代替在所难免，这个时候径向磁场电机应运而生。该种电机也依然存在一些缺点，难以批量生产如：散热慢、转动惯量大、电机效率低等，且当电机工作时，因为存在齿槽的效应，使得电磁转矩存在脉动，因而应用范围很狭窄。
随着科技的发展和进步，电机的生产和加工工艺得到了很大的改善，电机的转动惯量大，效率低等问题得到了一一解决，20世纪40年代起，世界各国的科学家们开始研究轴向磁场电机。60年代末期，盘式电机也被发明出来。到了70年代，轴向磁场电机广泛应用于电车和汽车风扇等场合。时间来到1973年，欧洲的一位科学家在对盘式轴向磁场结构进行了大量的研究后，分析得出其具有无可比拟的优越性，激起了其他科学家的极大反响，英国和美国等国家开始研制盘式异步电机。1978年意大利比萨大学的一位教授第一次探讨了几种方法关于制造轴向气隙同步电机，发觉该种电机非常具有可行性。1982年，H. Weh教授等人为了减少电机的惯量，开始研究大功率低速盘式永磁电机，发现转子圆盘采用强化纤维塑料会极大的改善电机的整体性能，最终成功研制出一台高转矩低速盘式永磁电机。到了1988年英国曼彻斯特理工大学的教授又提出了一种全新的电机时间方法，即双转子夹单定子盘式永磁无刷直流电机，由于定子绕组环绕在定子铁芯上，定子制造起来会相当的方便。
我国对于盘式电机的研究比较晚，直到1976年才研制出第一代盘式直流电机。能够让盘式电机早日全面的生产应用，我国的科学家们开始积极努力的去研究电机制造过程中的关键工艺技术，最终也取得了一些重要成果。到现在为止，中国已经拥有了一系列永磁盘式无刷电机，不过现在的这些电机性能比起国际水平还有一定的差距，在设计电机时还存在一些不足，制造工艺仍然落后于国际水平，使其很难得到广泛的生产应用。因此对于我国研发永磁盘式无刷电机的科学家们任重而道远，还得继续深入研究相关理论。
1.2 电机的优化计算方法
1.2.1 等效磁路法
等效磁路法中的理论基础和计算过程与鼠笼异步电机中的计算有异曲同工之妙，都是属于典型的集中参数方法。在计算直轴电抗 时，运用等效磁路法直接按(1.1)式计算：
(1.1)
式中， 是电源的频率， 是折算系数， 为每相串联匝数， 是气隙基波磁通， 是直轴电流等于 时永磁体产生的气隙基波磁通。
在计算交轴电抗时，通常要用到迭代方法进行求解。迭代步骤如下：
(1) 给定某一转矩角 。
(2)设定交轴电流的初始值 ，计算出交轴磁动势 ，再根据之前计算好的 查取相应的 ，查找到交轴电枢反应电势 和交轴电枢反应电抗， 加上漏抗 就能够得到 。
(3)利用已知的 和在步骤(2)中得到的 ，通过(1.2)式和（1.3）式计算 和 ，
(1.2)
(1.3)
(4)通过比较 和 的大小来决定是否进行迭代。
等效磁路法具有鲜明的优点即直观而形象，然而永磁电机的电磁场分布十分复杂，一些关键系数，如：漏磁系数以及极弧系数，需要通过经验数据或相关的曲线，这类数据或曲线大部分是对具体的结构尺寸以及某些具体的永磁材料，很难适合大多数永磁材料。有限元数值计算方法则可以精确计算出电机的参数，实现算法的通用性。
1.2.2 有限元数值计算法
有限元法对于电磁磁路的计算比起等效磁路法会相当的准确和方便，因此得到了极其广泛的应用，有如下2个优点：
（1）处理内部媒质交界条件非常方便，尤其是对于那些形状复杂的永磁体。容易计算各种结构的永磁电机参数，且参数计算准确，算法通用性强。
（2）统一各个环节方法，容易实现程序标准化。
运用有限元方法计算磁路法的各种系数，然后再进行磁路计算，能同时满足电机设计过程中对“直观与精度”的双重要求。213等效磁网络法实是一种经过简化后的有限元方法，具有显著的优点，即能够规范网络中各单元的划分，由于其处理工作量小，不同磁路结构的电机计算起来会相当的容易。比起有限元方法，等效磁路法存在的误差大部分来源于两点：其一，等效磁路法很难完全表示出齿槽对气隙磁密分布的影响；其二，为了让每个位置的饱和程度都相等，要把齿进行逐步的细分，从而得到许多个等效磁导。
1.3 本课题研究的内容与意义
1.3.1 本课题研究的内容
本文的主要研究对象是高性能AFPM无刷盘式电机的性能优化，确定电机的设计结构后，研究盘式永磁电机的结构特点与性能特点，将麦克斯韦理论应用到盘式无铁芯电机的电磁场特性分析中，利用Ansoft Maxwell软件、数学建模以及仿真计算来研究电机的转矩特性与电磁特性，提出了三个优化方案。本文的章节安排如下：
通过表2.1和表2.2可以大概的了解电机的基本参数以及为后续的AFPM无刷盘式电机的性能优化提供参考。额定电压为36V，额定电流为12A，永磁材料选用钕铁硼35，气隙厚度初步设计为1mm，极数采用16极，线圈数量采用12个，这些数据作为高性能AFPM无刷盘式电机的初步设计参数。
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