适用于醇氢动力的高功率密度永磁发电机设计与仿真

随着现代科学技术的不断更新迭代，与此同时人们收入水平也大幅提高，人们对高品质的生活质量也有了更高要求，舒适便捷的各种家用电器、电动汽车等产品越来越受到人们的青睐。各行业对高性能电机的需求越来越急迫，航空航天、汽车制造、农业生产、家用电器、国防军工等技术的发展加上与电力晶体管制造技术的深度融合发展，在结构设计、工作性能和发电容量上使发电机产生了极大的转变，对电机的功率质量比、运行可靠性、工作效率、输出特性等设计指标越发严格。传统电励磁电机通过通电绕组来建立磁场，这需要专用的绕组和相应的电能装置来励磁，缺点是电机结构复杂而且使得其在功率密度方面的提升受到限制，难以达到稳定、高效、轻巧的要求。永磁发电机具有众多优点如：体积小、质量轻、运行可靠、结构简单、工作效率高等，受到众多研究人员的广泛关注。

本篇论文目的的是设计出一台高功率密度永磁外转子发电机，并对电机进行仿真分析与优化改进。本文研究内容包括以下方面：首先，通过调查分析使用甲醇制氢来作为燃料使用的合理性和优势。其次，调查国内外学者对于永磁电机设计的改进，了解永磁发电机的发展过程和具备的独特优势，分析永磁发电机的工作原理、结构特点、基本电磁关系、影响磁滞损耗的主要因素，建立电机等效磁路模型。然后，利用Maxwell仿真软件搭建永磁发电机模型，并对电机磁场分布状态进行分析，通过有限元法分析计算得出了电机处于额定工作状态时的磁密波形、磁场分布、齿槽转矩、空载反电势波形以及磁滞损耗等。之后再对永磁外转子发电机进行了热分析，对在额定运行工况条件下电机内部各部件的温度分布情况进行模拟分析，并与设计要求进行验证。最后再对电机的结构、散热性能进行优化设计，通过减轻电机重量和提高电机的散热性能，进一步提高永磁外转子发电机的效率和作用，使其符合设计目标。

[1]刘明德,李维妍.从中美俄关系谈中国能源安全的战略构想[J].党政研究,2015(04):114-121.
[2]罗来军,朱善利,邹宗宪.我国新能源战略的重大技术挑战及化解对策[J].数量经济技术经济研究,2015,32(02):113-128+143.
[3]马明娟,赵晓丽.低碳经济下中国的新能源之路[J].改革与战略,2010,26(08):30-32.
[4]毛宗强.氢能离我们还有多远——我国燃料电池现状、差距及对策[J].电源技术,2003,(S1):179-182.
[5]蒋涛,张吉祥,薛晓鹏,等.氢能的开发与应用前景[J].魅力中国,2014,(23):126-126.
[6]张春文,曾旻辉,杨波,等.氢能技术在电力行业的应用前景研究[J].科技视界,2015,(36):91-92.
[7]张春文,曾旻辉,杨波,等.氢能技术在电力行业的应用前景研究[J].科技视界,2015,(36):91-92.
[8]张永锋,骆清国,刘福水.氢气发动机的研究现状与发展前景[J].小型内燃机与摩托车,2007,(01):70-73.
[9]王利俊,田德,王海宽,等.稀土永磁发电机的发展现状及其在风力发电机上的应用[J].农村牧区机械化,2006(04):42-45.
[10]黄坚,郭中醒.实用电机设计计算手册[M].上海:上海科学技术出版社,2010:156-157.
[11]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社,2001:2-3.
[12]谢东岳,伏彩萍,唐忠阳,等.我国稀土资源现状与冶炼技术进展[J].矿产保护与利用,2021,41(01):152-160.
[13]VANSOMPEL H,SERGEANT P,DUPRE L,et al.Axial-Flux PM machines with variable air gap [J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2014,61(2):730-737.
[14]FAKAM M,HECQUET M,LANFRANCHI V.Design and magnetic noise reduction of the surface permanent magnet synchronous machine[F].2014.IEEE.
[15]LEI G, LIU C, ZHU J, et al.Techniques for Multilevel Design Optimization of Permanent Magnet Motors[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion,2015,30(4): 1574-1584.
[16]李伟.42V汽车用永磁发电机设计与研究[D].合肥工业大学,2013.
[17]谭淼.电动汽车高功率密度永磁电机设计及优化分析[D].辽宁工程技术大学,2020.
[18]谢培利,席荣盛,崔友.新能源汽车增程器用外转子永磁同步发电机设计[J].装备制造技术,2017,(11):85-88+100.
[19]王升平,郭美华,何佳兵.增程式电动汽车新型外转子发电机水道设计[J].汽车零部件,2019,(12):42-45.
[20]周彭全.永磁发电机气隙磁密的仿真研究[D].西南大学,2010.
[21]陈浩维.浅谈永磁同步电机的技术优势及应用前景[J].内蒙古科技与经济,2020(09):81-82.
[22]邴冰,刘长良,耿松亮.汽车用稀土永磁发电机电枢反应电抗的研究[J].电机技术,2006 (03):39-41.
[23]TAKAHASHI I,MOCHIKAWA H.Optimum PWM wave-forms of an inverter for decreasing acoustic noise of an induction-motor[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,1986,22(5):828-834.
[24]周凤争,沈建新,林瑞光.从电机设计的角度减少高速永磁电机转子损耗[J].浙江大学学报(工学版),2007(09):1587-1591.
[25]TODA H,XIA Z P,WANG J B,et al.Rotor eddy-current loss in permanent magnet brushless machines [J]. IEEE Transactions on Magnetics,2004,40(4):2104-2106.
[26]田占元,祝长生,王玎.飞轮储能用高速永磁电机转子的涡流损耗[J].浙江大学学报(工学版),2011,45(03):451-457.
[27]XIA H X,LI T,NI G Z.Analysis of ventilation fluid field and rotor temperature field of a generator[J].Electric Machines and Control,2007:11-18.
[28]ZHANG H L,ZOU J B,CHEN X,et al.The Calculation of Stator Iron Losses and Magnet Pole Eddy-Cyrrent Loss for PMSM and Influence on Temperature Field Distribution [J].Small & Special Electrical Machines,2008:7-16.
[29]LI W L,LI Y,YANG X F,et al.Temperature and fluid flow field calculation and analysis of stator end of air cooled turbo-generator[J].Proceedings of the CSEE,2009,29(36):80-87.
[30]WEILI L I,CHEN T,FENGBO Q U, et al.Analysis on solid rotor 3D temperature field in high voltage PMSM [J].Proceedings of the Csee,2011:15-23.
[31]LI W L,CHEN T T,CAO J C,et al.Thermal-insulation analysis of permanent magnets in high voltage PMSM [J].Electric Machines & Control,2012,16(2):12-18.
[32]QU F B,LI W L,CHEN T T,et al.Analysis of 3D Stator Temperature Field in High Voltage and High Power PMSM [J].Advanced Materials Research,2012,462(775-782).
[33]丁亮,杨小林,杨振河.不同极槽配合对永磁同步电机温度场的影响[J].机电工程,2013,30(09):1073-1076.
[34]陈萍,唐任远,佟文明,等.高功率密度永磁同步电机永磁体涡流损耗分布规律及其影响[J].电工技术学报,2015,30(06):1-9.
[35]杨毅.高速永磁电机热应力计算与机械特性的分析[D].沈阳工业大学,2018.
[36]姜亚鹏,王东,陈俊全,等.永磁电机电磁-温度-流体耦合计算模型简化方法[J].海军工程大学学报,2020,32(04):48-54+60.
[37]WANG X,WAN Z,WEN W.Heat dissipation of three permanent magnet synchronous motors integrated with heat pipes[J].International Journal of Thermophysics, 2021,42(5).
[38]YANGSOO L,HYANG-BEOM L,SONG-YOP H,et al.Temperature analysis of induction motor with distributed heat sources by finite element method[J].IEEE Transactions on Magnetics,1997,33(2):1718-1721.
[39]MUKHOPADHYAY S C,PAL S K.Temperature analysis of induction motors using a hybrid thermal model with distributed heat sources[J].Journal of Applied Physics, 1998,83(11):6368-6370.
[40]NEGREA M,ROSU M.Thermal analysis of a large permanent magnet synchronous motor for different permanent magnet rotor configurations,[F].IEEE.
[41]FAKHFAKH M A,KASEM M H,TOUNSI S,et al.Thermal analysis of a permanent magnet synchronous motor for electric vehicles[J].Journal of Asian Electric Vehicles,2008,6(2):1145-1151.
[42]GERADA D,MEBARKI A,GERADA C.Optimal design of a high speed concentrated wound PMSM[F].2009.IEEE.
[43]KNIGHT A M, ZHAN Y, STATON D A, et al. Influence of stator slot shape on temperature in surface mounted permanent magnet machines[F].2010.IEEE.
[44]JOO D,CHO J-H,WOO K,et al.Electromagnetic field and thermal linked analysis of interior permanent-magnet synchronous motor for agricultural electric vehicle[J].IEEE Transactions on Magnetics,2011,47(10):4242-4245.
[45]JIANG S,WANG L,WANG L,et al.A new thermal protection approach for permanent magnet synchronous motor[F].2013.IEEE.
[46]赖健明.小型汽油机的ISG技术及其电喷化研究[D].天津大学,2014.
[47]唐任远.钕铁硼电机应用产品开发成果简介[J].材料导报,2001(02):7-8.
[48]肖丽,董昊宇,高峰,等.新能源汽车用新型开关磁阻电机驱动系统[J].电气传动,2018,48(07):3-8.
[49]郭有权.机器人用外转子直驱永磁电机设计及优化[D].河南理工大学,2019.
[50]刘晋杰.带整流负载永磁同步发电机电磁与热特性的研究[D].沈阳工业大学, 2015.
[51]张月.永磁外转子爪极电机控制系统的设计.沈阳工业大学,2009.
[52]赵斌.永磁外转子爪极发电机的设计与分析[D].山东大学,2014.