论文总字数：16113字

目 录

摘要 I

Abstract II

1　绪论 1

1.1课题的研究背景及选题意义 1

1.2轴向磁场永磁电机的发展情况及国内外研究现状 1

1.3课题的研究目的和内容 2

2　轴向磁场永磁电机的结构和工作原理 2

2.1轴向磁场永磁电机的结构 2

2.2轴向磁场永磁电机的工作原理 4

3　轴向磁场永磁电机的有限元分析 4

3.1有限元法基本介绍 4

3.1.1有限元法的基本概念 4

3.1.2有限元法的发展史和基本步骤 5

3.2Ansoft Maxwell软件简介 6

4　基于Ansoft Maxwell的轴向磁场永磁电机极槽配合研究 7

4.1轴向磁场永磁电机的三维有限元模型的建立 7

4.1.1新项目创建 7

4.1.2创建几何模型 7

4.1.3材料的定义及分配 12

4.1.4激励源和边界条件定义及加载 12

4.1.5运动选项设置 13

4.1.6求解选项参数设定 14

4.1.7求解及后处理 15

4.2仿真结果与分析 16

4.2.1感应电动势仿真结果 16

4.2.2磁链仿真结果 16

4.2.3齿槽转矩仿真结果 16

5 总结 16

参考文献 17

致谢 18

基于Ansoft的轴向磁场永磁电机极槽配合研究

陈逸

,China

Abstract: Axial flux permanent magnet(AFPM) machine , also known as disk machine, is getting more and more attention because of the axial size is short, light weight, small size, high efficiency. In this paper,aiming at the influence of pole-slot matching on machine performance, Four kinds of AFPM with the same basic parameters but different slot-pole combinations including 18-slot with 8-pole, 18-slot with 10-pole, 18-slot with 12-pole, 18-slot with 14-pole are researched. The software Ansoft Maxwell is used to establish the three-dimensional model of axial flux permanent magnet machine with different slot-pole combinations. The finite element simulation is carried out to obtain Induced Voltage graph, Flux Linkage chart and Torque diagram of each model. By analyzing these waveforms, the effect of the pole-slot matching on the machine performance of AFPM is described, and the optimal number of poles and slots is determined to optimize the performance of the machine.

Key words: axial flux permanent magnet machine; Ansoft Maxwell; pole-slot matching

1　绪论

1.1课题的研究背景及选题意义

随着我国经济的迅猛发展，工厂企业迅速增多，汽车数量大幅增长，伴随着企业的增多和汽车数量的增长，能源消耗和环境污染问题也日益严重，如今能源危机和环境保护问题已经成为影响我国经济可持续发展的大难题。

为解决这个越来越突出的矛盾，新能源技术逐步进入人们的视野。众所周知，电机是实现电能与机械能转化的必要设备，无论是新能源发电或是利用电能驱动运输工具，电机都是其中的关键因素。电机性能的优越性在一定程度上决定了新能源技术的优越性，因此开发出高性能电机成为新能源技术研究的重要课题。

轴向磁场永磁（AFPM）电机，又称盘式电机，以其气隙结构为径向的平面型，气隙磁通方向为轴向型，而有别于传统的径向磁通电机。作为一种特殊结构的永磁电机，在继承永磁电机优良性能的同时，与传统电机相比，盘式电机具有轴向尺寸短、结构紧凑、转动惯量小、低速运行平稳、功率密度高、质量轻、体积小、效率高等优点，所以现在对盘式电机的研究越来越多。

本项目将从电机本体结构入手，着重对电机的极槽配合进行研究，通过仿真软件Ansoft Maxwell分别对轴向磁场永磁电机在不同极槽配合下的感应电动势、磁链及齿槽转矩进行对比分析，得出最优极槽配合以优化电机性能，改善轴向磁场永磁电机的性能。本文对轴向磁场永磁电机进行极槽配合的研究具有重大的理论价值和实际意义。

1.2轴向磁场永磁电机的发展情况及国内外研究现状

19世纪30年代，著名物理学家法拉第发现了电磁感应现象，这次伟大的发现使人们发现可以利用磁场产生电流，这为现代电机的发展奠定了理论基础。1821年，法拉第发明了世上第一台电机，即轴向磁场永磁电机的雏形。受当时材料和工艺水平限制，盘式电机未能得到推广发展。近年来，随着科技的飞速发展，电机技术和材料技术有了大幅进步，特别是永磁材料的机理、构成以及制造技术得到深入研究。因而从20世纪40年代起，轴向磁场永磁电机又受到了电机界的高度重视。

世界上一些先进国家从年代初期开始研制这种电机，目前，国内外己开发了许多不同种类，不同结构的盘式永磁电机，与之相关的研究领域也都取得了众多成果。

1973年，英格兰的F.Keiper指出了采用圆盘式轴向磁场结构的优越性，引起了电机界的极大兴趣，英国、前苏联、瑞士以及美国等国家竞相研制盘式异步电机。自70年代末期起，随着现代工业的发展和生产的需要，对盘式电机的研究方向转向了对永磁盘式电机的研究。Campbell在1974年提出轴向磁场电机，从本质上来说这是一款有刷直流电机。1978年意大利比萨大学的A.Bramanti教授首次研究了制造轴向气隙同步电动机的几种方法，探讨了轴向磁场同步电机的特性，提出了制造轴向磁场永磁同步电机的可行性。1994年Banitsch等提出了一种蚀刻绕组的轴向磁场电机，该电机采用四层绕组设计，导致其电阻过大，效率较低。Profhmo等人设计了一种用塑料和软磁材料制成的轴向磁场电机，这种电机降低了加工难度，减轻了电机质量，降低了电机成本。Bernard等人提出了印制绕组的轴向磁场电机，但其气隙磁密不高，难以产生较大转矩。Lovatt等设计了一种双转子、单定子轴向磁场电机，该电机的永磁体采用Halbach排列，其离心力对电机尤其是电机转子的影响较小。当今，以钕铁硼（Nd-Fe-B）为代表的第三代高性能永磁材料技术突飞猛进，随着永磁材料水平以及加工制造技术的进一步提升，以美国、日本为代表的世界机电强国在盘式电机研究领域取得了突破性进展，盘式电机在军、民品的多个领域得到了广泛应用。

在我国，70年代开始研究盘式电机，80年代以来，对盘式电机的研究向纵横发展，各类产品及样机相继问世，如线绕盘式直流电动机、盘式异步制动电动机、盘式磁阻电动机、盘式永磁同步电动机等等。我国盘式永磁电机的开发主要是小功率有刷永磁电机，现已形成规模生产，而盘式永磁无刷电机的开发工作仍处于起步阶段。目前，国内已有数家企业生产盘式永磁无刷电机，但规模还较小，产品种类也不多，多为无铁心型。有槽铁心的生产需要特殊的装备，国内目前只有少数几家生产盘式感应电机的厂家有这种设备，且只能绕制直径不大的铁心。采用无铁心方式能避免此种限制，可生产出较大直径的定子盘。

由此可见，我国对盘式电机的研究越来越多，而国外对这类电机的研究己远远走在我国的前面，因此研究盘式电机对促进我国电机行业的发展还是十分重要的。

1.3课题的研究目的和内容

　　尽管国内外对盘式电机的研究进行了大量的工作,开发了部分产品,但由于发展时间不长,还有许多问题等待解决。针对目前对高性能电机的需求现状,本课题研究目的主要是综合应用所学理论知识，通过仿真软件Ansoft Maxwell研究极槽配合对电机性能的影响，实验得出最优极槽数以优化电机性能。

主要研究内容包括：

1）了解轴向磁场永磁电机的发展历程，学习并掌握其结构与工作原理。

2）学习并掌握Ansoft Maxwell仿真软件，对不同极数槽数的轴向磁场永磁电机进行三维建模。

　　3）深入分析比较各模型得到的的感应电动势图、磁链图及齿槽转矩图，确定极槽配合对轴向磁场永磁电机性能的影响，并且得出最优极槽数以改善轴向磁场永磁电机的性能。

2　轴向磁场永磁电机的结构和工作原理

2.1轴向磁场永磁电机的结构

根据盘式电机的结构特点，可以分为以下几种型式：a）单定子－单转子结构（单气隙）；b）单定子－双转子结构（双气隙）；c）单转子－双定子结构（双气隙）；d）定、转子的不同复合型式（多气隙）。轴向磁场永磁电机的定子可设计成有铁心式或无铁心式，铁心可设计成有槽式或无槽式。表1为轴向磁场永磁电机结构型式分类。

表1 轴向磁场永磁电机结构类型

本课题主要研究单定子－单转子结构（单气隙），其基本结构形式是由一个盘型的定子和一个盘式转子组成，中间有一个轴向气隙。图1为用SolidWorks建立的盘式电机模型，左边是电机的转子，右边为定子，它的定子铁心由铁心冲卷机冲制、卷绕而成而成，转子通常采用铸铝的外圆和内圆，分别铸有端环，且定转子在空间上呈平面相对放置。

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