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1、本科毕业设计论文资料第一部分 设计说明书横向磁通开关磁阻电机的结构设计及参数优化摘 要低制造成本、高可靠性和高能量转换效率是机电运动控制系统的发展趋势。开关磁阻电机结构简单,适合在恶劣环境下运行;只在定子上有绕组,没有转子铜耗。因此开关磁阻驱动系统迎合了机电运动控制系统的发展趋势,融合了电力电子技术和现代控制算法发展成果,成为近年机电运动控制领域的研究热点。本课题通过控制策略和系统设计两方面对开关磁阻驱动系统进行研究。开关磁阻驱动系统可控参数多、控制方式灵活,本课题首先阐述开关磁阻电机基本原理和基本结构,以此为基础对其控制方式进行了分类比较研究。该如何提高开关磁阻电机的转矩已成为目前研究的热点
2、,于是在开关磁阻电机理论分析的基础之上,所以我们提出了用横向磁通来提高电机的转矩和转速,本课题系统的研究了横向磁通开关磁阻电机的运行原理,结构设计及优化方案,以及相关的提高转矩的方法。关键词：开关磁阻,横向磁通,驱动系统,结构设计 ABSTRACTLower manufacture cost, higher dependability and efficiency, which are the recent developing trends of motion control system, are features of Switched Reluctance Motor over oth
3、er types of motor. Associating with the development of power electronic technology and modern control theory, the research on Switched Reluctance Driving system becomes the hotspot among the corresponding fields.This paper conducts the research through the control strategy and thedesign the switch m
4、agnetic resistance actuationsystem. The switch magnetic resistance actuation system have many parameter, and the control mode is flexible, this paper first introduced the switch magnetic resistance electrical machinery on the basic of principle and the structure, and conducted the classifiedcomparis
5、on research as the foundation on its control mode.How toimprove the torque of the switch magnetic resistance electrical machinery have become the hot spot at present, thereupon in above switch magnetic resistance electricalmachinery theoretical analysis foundation, therefore we proposedthe crosswise
6、 magnetic flux to improve the rotate speed, andthe torque as principle of he crosswise magnetic machinery. The paper study the rule of the crosswise magnetic machine, the structural design and the optimized. Put forward the methods to improve the torque .Keywords: switched reluctance, crosswise magn
7、etic flux , actuationsystem, structural design目 录第一章绪论11.1 引言11.2 TFM结构特点21.2.1 表面式21.2.2 聚磁式31.2.3 开关磁阻式41.2.4 TFM发展概况与研究现状51.3 课题的目的及意义5第二章横向磁通开关磁阻电机72.1 横向磁通电动机的定义和特征72.2 横向磁通电机的主要优缺点72.3 横向磁通开关磁阻电机的结构72.4 横向磁通电动机的拓扑类型102.5 横向磁通SR电动机调速原理112.6 TFSRM尺寸方程132.6.1 尺寸方程的的推导132.6.2 尺寸方程的分析14第三章 TFSRM结构设
8、计及主要尺寸的设计163.1 引言163.2 定子冲片设计173.3 转子设计183.4 位置传感器设计193.5 绕组设计203.6 主要尺寸的制定203.6.1 直径223.6.2 轴向长度233.6.3 安匝数243.6.4 自感系数的选择243.6.5 定转子极弧的选择25第4章 TFSRM的参数优化264.1 TFSRM样机的具体设计参数及性能对比264.2 TFSRM电机功率密度与转矩密度的分析274.2.1 功率密度的解析式284.2.2 转矩密度方程284.2.3 转矩能力提升的分析294.3 外观系数KL的选择与优化334.4 参数的选择与优化344.5 转矩的计算354.6
9、 定转子极数的选择及优化364.6.1 极数的选择364.6.2 相数的选择384.6.3 磁极结构尺寸384.6.4 定转子极弧的选择38结论40参考文献41致42附录43 / 第一章 绪论1.1 引言自从十九世纪20年代发明第一台电机而来,电机的发展己经有近二百年的历史,它给人们的生活带来了极大的方便和天翻地覆的变化,甚至可以说电机加速了人类历史的进展。在科技和生活水平日益提高的今天,电机的应用也越来越广泛。 由于电机应用的广泛性,也使得在不同的场合需要不同的电机类型。相应地,人们发明了各种不同类型的电机,以满足不同的需求。但是,在过去由于受材料特性、器件性能、计算手段等因素的影响,人们所
10、设计的电机大多局限于一种传统结构径向磁场结构,该种电机的磁场通常可用二维磁场来分析,这样在分析时可以作较大简化,降低分析难度。近年来,随着特殊应用场合的需要,以及新型材料的出现、大功率电力电子器件的发明,计算机技术的快速发展,使得人们设计电机的理念也发生了转变,设计出结构特殊、性能优良的电机成为可能。1986年,德国H. Weh教授首次提出了横向磁场永磁电机的概念,通过巧妙的结构设计,可以使得电机的磁负荷和电负荷解祸,两者之间不再相互制约,设计自由度增加,而且可以通过增加电磁负荷以获得较高的力密度,可以满足大转矩、低转速、直接驱动场合的应用。这一概念的提出是电机设计思想和方法的一次重大突破。近
11、十几年来,随着电力电子技术的发展、方波电机理论的深入研究和稀土永磁材料的应用,诞生出许多新型结构的特殊电机,电动车的兴起又进一步促进了高功率密度驱动电机的开发,西欧、北美和日本等工业先进国家将新型电机的研究开发作为一个新热点。在各种新型特种电机中,横向磁场电机由于其在转矩与功率密度方面具有得天独厚的优越性,以及灵活的结构设计,多样化的拓扑结构已经引起许多国家的极大兴趣。TFM的特点可以用低速大功率、容错性好来概括,能直接驱动低转速、大转矩负载,在船舶螺旋桨直接驱动、武器装备转台的电动伺服系统、风力发电、电动车电机等方面有广阔的应用空间。船舶螺旋桨直接驱动最能充分体现TFM的优点,通常一艘万吨级
12、船舶满载时螺旋桨转速在90120rpm之间,现行船舶绝大多数依靠轮机燃烧重油获得动力来推动螺旋桨,由于重油必须加热到150以上才能流动,还要经过过滤等一系列化学工艺处理,全套供油系统不但工艺复杂环节众多,所需各种功率的电动机多达上百台,而且要求在高温、高盐度、高潮湿性的恶劣环境条件下连续工作。此外,由数百台电动机构成一个庞大的用于给轮机配套的辅机系统,而大型船舶的轮机一般有五个以上的气缸,每个气缸的直径在一米以上,规格巨大的轮机与庞大的辅机系统一起成为船舶噪声的主要来源。 欧美一些国家己经研究出大功率的横向磁场电机用于船舶驱动,其中,英国正在研制20MW的横向磁场电动机用于潜艇直接推动并制造了
13、3MW样机。电机直接驱动不仅系统简单占空间少,而且性能更可靠,噪音小,尤其适用于军用舰艇。从长远来看,船舶电力驱动必将取代现今的轮机驱动方式。除实际应用之外,TFM的出现提出了一种全新的理念,突.破了传统电机的设计思想,开辟了一个全新的领域。从已有的结论来看,横向磁场电机已显示了较好的前景,同时还有许多领域有待探索。所以,无论从学术或实际应用的角度对横向磁场电机进行研究都有很大意义。1.2 TFM结构特点正是由于横向磁场电机具有较大输出力密度这一特点,因此该种电机特别适合于低速、大转矩、直接驱动系统中的应用,比如舰船、电力机车、电动汽车、直驱机器人及电梯等。电机和负载之间不再需要笨重的齿轮箱,
14、既可以减小整个机电系统的体积,也避免了齿轮箱损耗,提高了系统效率。目前,有很多科研机构、公司和大学研究组对横向磁场电机进行研究,并且已经取得很多成果。由于横向磁场电机实现了电负荷和磁负荷的解藕,使得电机设计的自由度相对增多,由此衍生出多种多样电机拓扑结构。根据不同的对象可TFM分成三大类:表面式、聚磁式、开关磁阻式。1.2.1 表面式表面式TFM的结构如图1.1,定子极是由U形冲片叠装而成,每个极由两个齿极和一个扼部组成,一组定子极沿圆周排列,极间等距,相邻极中心线之间相差两个极距。电枢绕组为环形集中线圈,嵌放在定子极的凹槽中,磁钢贴装在转子表面,极性依次交替。电枢绕组通某方向电流时,所产生的
15、磁通通过定子铁心、磁钢、转子铁心形成闭合回路,与磁钢产生的磁通相互作用驱使转子移动。当定子极中心线与磁钢中心线对齐时,对.应电枢电流改变方向时刻,随着电流方向的不断改变,转子方向就会不断的连续旋转。 表面式TFM可设计成转子或外转子形式,当气隙直径相同时,两者的性能没有本质区别。为了嵌放电枢绕组的方便,通常将电机设计成外转子形式,在同样体积时.外转子电机气隙直径大于转子电机,而且转动惯量较小,便于实现快速性与高精度的控制。表面式TAM具有单相自成系统的特性,为使电机能自行起动与获得更好的性能,电机通常设计成两相或三相,相数过多将增加功率变换器的开关管数目。对外转子三相电机的定子来说,每相2p个定子极,定子极嵌放在支架凹槽中,凹槽间夹角为,相与相之间在轴向相隔一定距离以保证相间解耦,三相定子极在周向无相角差。图1.1 表面式TFM外转子三相电机的转子每相山两组圆周排列的磁钢组成,当安装好一相之后,移动下一相的磁钢使之与上一相相差1200电角
