永磁力矩电机的磁场参数优化与水冷研究

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要............................................................................................................................... I ABSTRACT ..................................................................................................................... I I 第1章绪论 (1)

1.1课题背景及研究的目的和意义 (1)

1.2力矩电机的发展概况 (2)

1.2.1国外力矩电机的发展状况 (2)

1.2.2力矩电机国内的发展状况 (4)

1.3永磁力矩电机的研究现状 (5)

1.4本文的主要研究内容 (6)

第2章永磁力矩电机的工作原理和转矩特性 (8)

2.1引言 (8)

2.2永磁力矩电机的工作原理和数学模型 (8)

2.3永磁力矩电机的力矩输出特点分析 (10)

2.3.1永磁力矩电机的磁路结构 (10)

2.3.2电流最小化控制下的转矩特性 (11)

2.3.3永磁力矩电机的力矩输出分析 (12)

2.5本章小结 (13)

第3章永磁力矩电机的结构设计与参数优化 (14)

3.1引言 (14)

3.2永磁力矩电机的设计特点 (14)

3.3磁路饱和对力矩特性的影响分析 (16)

3.3.1齿宽对饱和的影响分析 (16)

3.3.2齿宽优化 (18)

3.4定子槽型的优化 (20)

3.5转子磁钢的优化 (23)

3.5.1转子磁钢的材料选取 (23)

3.5.2转子磁钢的形状优化 (24)

3.5.3极弧系数的影响 (27)

3.6永磁力矩电机转矩波动的抑制分析 (28)

3.6.1 齿槽转矩抑制 (28)

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3.6.2 饱和引起的转矩波动抑制 (30)

3.7本章小结 (32)

第4章永磁力矩电机的损耗与温升分析和水冷设计 (33)

4.1引言 (33)

4.2永磁力矩电机的损耗和温升分析 (33)

4.2.1电机的损耗分析 (33)

4.2.2电机温升推算 (34)

4.3永磁力矩电机的水冷研究 (35)

4.3.1水冷结构分析 (35)

4.3.3水冷槽尺寸计算 (36)

4.4本章小结 (41)

第5章永磁力矩电机的实验测试 (42)

5.1引言 (42)

5.2电机的样机参数测算和仿真分析 (42)

5.3电机的特性测试 (44)

5.3.1 空载反电势的测试 (44)

5.3.2 力矩输出特性的测试 (45)

5.5本章小结 (46)

结论 (47)

参考文献 (48)

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 (53)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (54)

致谢 (55)

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第1章绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

永磁力矩电机是一种性能比较特殊的永磁同步电动机，具有低转速大力矩等显著特性。相比于一般的永磁同步电机，永磁力矩电机的输出主要是转矩，具有较宽的调速范围，能够和负载直接连接并驱动其运行，在具有稳定的低速特性的同时，还具有线性度好、响应快等优点，并可在堵转下较长时间工作。由于永磁力矩电机的上述优点，它们特别适合于精度要求极高的位置伺服系统和低速控制系统，在光电跟踪系统、随动系统武器装备系统中也常有应用。

在现代高档数控机床的数控转台上，力矩电机也有良好的应用。数控转台是采用永磁力矩电机直接驱动负载来完成旋转运动。与老式的结构相比，这种结构的数控转台具有制造工艺简单，损耗低、电气时间常数小等特点，同时加速度高、精度保持性好[1]。

永磁力矩电机由于工作环境的特殊性，安放的空间往往有限，因此对电机的力矩密度要求非常大。怎样实现在有限的体积限制下达到最大的转矩的值得深入研究的问题。而要达到最大的转矩输出，需要对电机施加足够大的电流激励，而电机本体磁路的饱和效应会显著影响电机的电流力矩特性，如何具体的研究并解决由于磁路饱和对电机输出转矩特性的影响也是值得深入的研究。同时力矩电机的低速稳定性要求其具有较小的转矩波动，不仅在额定转矩下转矩波动要足够小，在达到最大转矩的同时有效的抑制转矩波动也是设计力矩电机时必须考虑的问题。

另外一个需要注意的问题是，由于现在的永磁力矩电机不存在转子励磁损耗，而多数力矩电机结构也比较简单，所以设计者们对这类电机温升问题的考虑往往重视不够，这方面的参考资料也相对较少。实际上，发热问题直接关系到电机的输出效率、可靠运行和使用寿命[2]，对任何电机来说都是一个重要的问题，对本文研究的力矩电机也是如此。而且，本文所研究的永磁力矩电机性能要求更为特殊，可能会在一段时间内在最大转矩输出下连续工作，电机的发热问题更是不可忽视。因此采用合适的冷却方式降低电机发热也是很重要的研究内容。

综上所述，研究永磁力矩电机的电磁设计特点，降低电机磁路饱和程度，转矩特性优化以及合适的散热冷却方式问题是很有必要的，具有很高的研究价值。