基于电磁负荷独立设置的新型轴向磁场永磁无刷电机研究

A novel C-core axial flux permanent magnet brushless machine is presented which features a respective design freely of its electric and magnetic load, uncoupled magnetic flux for every winding coil, and high performance. Study on this novel machine mainly concerns as follows: (1) Its basicly theoretical research such as air-gap permanent mangnet flux density, permanent magnet EMF, armature EMF, electromagnetic torque and power and performance parameters with analytical method and 3-D FEM,(2) Its optimal study including air-gap permanent magnet flux density and permanent magnet EMF optimization, optimal combination of pole number, C-core number and phase number, production of torque riple and its reduction optimization, and its repective chose of electric and magnetic load optimally, (3) Its comparative study with two other kinds of machines as transverse flux and-axial flux permanent magnet brushless and normal fractional-slot and concentrated-winding axial flux one with regard to the performance and cost, and (4) Its electromagnetic and structural stduy and the prototyped machine design, manufacture and experiment. .The presentation and stduy of this novel machine is beneficial to enrich the theory and structure of electric machine and enhance its performance which leads to a theoritical meaning and potentical application.

提出一种新型轴向磁场永磁无刷电机，采用C形定子铁心结构，具有电磁负荷独立设置、各绕组组成线圈的磁路彼此独立及高力能特性。针对其理论性、高性能化及实用性进行研究，具体包括：(1)对其进行基础理论研究，解析计算其气隙永磁磁密、永磁电动势、电枢磁动势、电磁转矩、电磁功率及相关性能参数，并采用3D-FEM进行验证；(2)对其进行优化研究，包括永磁磁密、永磁电动势优化，极数、定子C形铁心数、相数三者之间的组合优化，电磁转矩脉动产生机理及削弱优化、电磁负荷的独立选取策略及其优化分配等；(3)与在结构或原理上具有一定相似性的横向磁通轴向磁场永磁无刷电机及分数槽集中绕组轴向磁场永磁无刷电机进行性能及成本的比较研究；(4)编制电磁设计计算程序及其计算机辅助设计程序，进行样机设计、制作及实验研究。本项目的提出和完成，拓展了电机特别是轴向磁场永磁无刷电机的结构及原理，提高了其性能，具有重要理论意义和实用价值。

基于电机高功率密度、高转矩密度和高运行效率的要求，本项目提出一种新型轴向磁场横向磁通永磁无刷电机，该电机综合了分数槽集中绕组永磁无刷电机、盘式轴向磁场永磁无刷电机、横向磁通永磁无刷电机的综合优势。课题从以下方面进行了全面研究：(1) 电机的结构原理；(2) 基于永磁体体积积分的永磁相电动势波形解析计算和由此进行的基于细菌觅食算法的波形优化；(3) 无需求解复杂非线性方程组的简化磁网络模型的建立和电机性能计算；(4) 软磁复合材料在该种电机中的应用及由此产生的电机结构和性能的优化研究；(5) 基于软磁复合材料的电机复杂精确磁网络的建立、复杂非线性方程组的求解及电机空载永磁相电动势波形和负载电磁转矩波形的计算；(5) 基于精确磁网络模型的电机电磁设计研究及计算机辅助设计软件的编制；(6) 电机样机的设计、制造工艺及实验研究；(7) 该电机与相类似电机的比较研究；(8) 该种电机后续拓展—新型横向磁通直线永磁无刷电机的研究。. 理论分析、样机试制和实验及最新文献综述表明，本项目研究具有重要科学意义和实用价值，特别是软磁复合材料在该种电机的应用研究，推动了横向磁通永磁电机的理论及实用化研究和软磁复合材料在电机中的应用研究。本项目研究开发了该种电机基于软磁复合材料及精确磁网络模型的电磁计算程序及计算机辅助设计程序，为该种电机的产业化应用奠定了基础，同时验证了磁网路模型分析不但是电机性能分析同时也是电机电磁设计的理想工具。. 在本项目电机研究基础上，研究开发其对应的直线永磁无刷电机——新型横向磁通直线永磁无刷电机，该具备了原旋转电机的优越性能，消除了原旋转电机的较难装配的缺陷，更具有实用价值。