分段式永磁同步电机多物理场耦合的分析及优化方法研究

Direct-drive machines are appealing candidates for some pure electric helicopters since they theoretically offer a potential for improved reliability. However, a fundamental problem associated with these machines is their large size that makes them difficult to manufacture and assemble. This research introduces the concept of segmented permanent magnet (PM) synchronous machines that feature a modular structure which makes them appealing candidate for use in direct-drive pure electric helicopters. On the stator side of the segmented PM machine, each segment is occupied by a single phase with uniformly-spaced teech and slots. To form a multi-phase machine, a spatial phase-shifting iron piece is inserted between adjacent segments to maintain the appropriate special positioning between phases. On the rotor side, permanent magnets are mounted on the surface of the iron core, which has demonstrated attractive performance advantages as high torque density and high efficiency. In order to achieve the goal of maximum torque density, the following investigations are conducted, considering the electromagnetic, thermal, and vibration impacts: the energy conversion principle and the segmentation strategy for this type of machine, convergence properties among multi-physics analyses, the approach that can efficiently identify the maximum winding current density for a given machine to achieve the highest possible torque ratings, and the multi-physics machine design optimization method.

纯电直升机主旋翼直驱电机可摆脱传统直升机中减速齿轮箱的种种弊端，但过低的转矩密度使其在当前的应用中存在诸多问题。本申请项目提出一种分段式永磁同步电机的概念，它独特的模块化结构尤其适合用作主旋翼直驱电机。分段式永磁电机定子的每个分段由均匀分布的齿和槽构成，只被单一相绕组占据。组成一个多相电机，需要在相邻两分段间插入一个移相铁片来保证各相绕组间的空间位置关系。电机转子采用表贴式永磁结构，具有高转矩密度和高效率的优点。本项目以最大化电机的转矩密度为目标，综合考虑电磁、温度和振动等多物理场的影响，并结合直驱纯电直升机的实际需求，开展分段式永磁同步电机的研究，包括：电机磁场相互作用机理，电机的分段策略，多物理场分析的耦合特性，快速确定电机绕组中允许通入的最大电流密度的方法，以及多物理场耦合的电机优化设计方法。

相比于传统直升机，纯电直升机具有污染排放少、运行噪声小，运行效率高等优点，在未来的城市运输和交通中具有良好的应用前景。永磁同步电机具有高效率，高功率密度等优点，目前被广泛应用于电动汽车与飞机的驱动系统。直驱永磁电机受到了广泛关注，直驱的驱动形式可省去变速箱结构，降低驱动系统的复杂程度和维护成本，提高系统的运行可靠性与稳定性。本项目研制了一台用于直接驱动纯电直升机主旋翼的永磁电机并对其电磁与温度场特性进行了相关分析研究。. 本研究根据纯电直升机的运行特点与设计指标确定了电机的设计要求，提出两类直驱永磁电机设计方案并对这两类电机的结构特点进行了介绍说明,利用差分进化算法与有限元分析设计了一定数量的候选电机。对两类电机气隙磁密的特性进行了分析，利用有限元软件对两类电机的损耗、效率、转矩脉动和有效质量等特性进行了分析和对比，确定了最终的电机设计方案并作了进一步的电磁分析。制作了样机并搭建了实验平台，通过实验验证了电机设计与分析的正确性。. 对电机运行时的各主要损耗进行了分析计算，建立了样机的有限元温度场计算模型，对电机中一些复杂部件进行了等效建模，通过经验公式对重要对流换热系数进行了估算；利用实验设计的思想和温度场模型分析了样机中的绕组最高温度和永磁体最高温度对各对流换热系数的敏感性，通过部分稳态温度场实验结果对模型中的对流换热系数进行了修正并利用电磁-热耦合计算分析了电机在额定运行时的稳态温度场情况。. 对电机中的铜耗、铁耗与永磁体涡流损耗随电机输出功率的变化情况进行了分析研究，通过电磁-热耦合计算了样机在温度限制下的最大输出功率。分析了电机冷却条件改变后的最大输出功率变化情况，探索讨论了后续电机冷却结构的优化方向。