新型磁齿轮复合电机的设计研究

题名:新型磁齿轮复合电机的设计研究
作者:杜世勤
学位授予单位:上海大学
关键词:复合电机;;磁齿轮;;数值解析结合法;;多气隙;;磁场计算;;低速大转矩
摘要:

 新型磁齿轮传动装置属于磁场调制式磁力传动结构,具有转矩密度高、运行效率高、非接触性力矩传递和过载自保护等优点,有替代机械齿轮在清洁、低温和高空等环境中运行的潜力。高性能稀土永磁材料在电机设计中的Magnetic lifter成功应用,使得现代永磁电机的转矩密度和运行效率较感应电机有了较大提高。

 本文提出一种新结构稀土永磁电机,就是把普通的稀土永磁电机内嵌到磁场调制式磁齿轮里,从而形成磁齿轮复合电机,这样就把永磁电机和磁齿轮的优点结合了起来。磁齿轮复合电机作为实现低速大转矩电机的一条新途径,研究成果应用前景广泛,可应用于军事领域(舰船直接驱动)、车辆运输(电力机车、电动汽车直接驱动)、可再生能源利用开发(风力发电)、先进制造业(机床直接驱动)等场合。

 本课题是国家“863”高科技项目《高效大转矩直接驱动复合式永磁电机系统研究》(2007 AA05Z233)的研究内容之一,对新型结构钕铁硼永磁电机——磁齿轮复合电机进行设计研究。

 本文围绕这种新型磁齿轮复合电机展开研究,具体做了以下几方面的工作:

 1)、以电机电磁场计算的解析方法为出发点,在电机气隙中求解了极坐标下数学物理方程中的拉普拉斯方程的解析解。结合有限元方法,得到电机磁场整个区域的矢量磁位,为计算其他物理量奠定了基础。

 2)、分析机械齿轮和传统磁齿轮的不足之处,研究新型磁齿轮复合电机的关键部位——磁场调制式磁齿轮传动装置的运行机理。针对该装置的输入输出转子转向相反,且具有两层气隙的特点,在多气隙场合中拓展了数值解析结合法的磁场计算,编制了相应的程序。以气隙磁场谐波分析为出发点,分析了这种新型磁齿轮,虽然该装置内、外层气隙之中的磁场有多种谐波分量存在,但是电磁转矩几乎是单一主波成份,数值解析结合法仿真计算得到的定量结果与运行机理中的理论分析相一致。

 3)、利用磁齿轮内转子的空间,在考虑加工、装配等的可行性之后,完成了电机拓扑结构的创新,设计出新型磁齿轮复合电机。借助于电机电磁场计算的数值解析结合法,实现了复合电机内、外两个转子任意方向任意角度的自由转动磁场计算。计算了复合电机的感应电动势和电磁转矩,捕捉了齿槽定位转矩的最大值等电机参数。按一定指标要求设计了一台低速大转矩高效磁齿轮复合电机,并研制了相应的样机。

 4)、试验证明了新型磁齿轮和永磁电机的结合取得了结构上的创新,磁齿轮复合电机样机取得高转矩密度稳定运行http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter的效果,磁齿轮样机更是取得了高转矩密度、高传动效率稳定运行的结果。试验测得的感应电势和转矩与数值解析结合法计算相吻合,验证了在多气隙场合中拓展数值解析结合法磁场计算的有效性。

 新电机结构紧凑、转矩密度高、功率因数高,又有过载自保护能力,适合于低转速、高转矩直接驱动系统。磁齿轮复合电机的成功运行,取得了电机结构和设计算法上的创新,为低速大转矩电机的设计增添了新的途径。
学位年度:2010