轴向通磁无铁心定子永磁同步发电机磁场和反电动势分析

摘要：本文提供了轴向通磁永磁同步发电机（AFPMSG）在无铁心定子情况下磁场和反电动势计算的分析性分析。为了验证，使用有限元法（FEM）进行了磁场的数值分析，同时比较了磁场的分析性和数值解决方案。分别通过磁矢势来获得数值分析解决方案。本文还展示了使用法拉第电磁感应定律和数值（FEM）分析反电动势方案的比较。验证结果表明，数值分析解决方案在磁场和反电动势方面达成了良好的一致性。所提出的分析方法的有效性还通过对具有无铁心定子的AFPMSG原型的反电动势测量得到了确认。

关键词：电机，有限元方法，磁场，永磁发电机，同步发电机；

引言^*

无铁芯定子的轴向通磁永磁同步机广泛用于许多应用，作为小到中等功率发电机，具有消除齿槽转矩、改善低速控制、扭矩-电流特性的线性性、高功率密度和紧凑结构等方面的显著优势。由于无铁芯，这些类型的发电机可以以比传统发电机更高的效率运行，因为没有铁芯损耗。为了获得无铁芯轴向通磁永磁发电机（AFPMSG）的精确设计结果，需要分析永磁体（PM）、气隙和线圈区域的磁场。无铁芯轴向通磁永磁发电机的磁场和反电动势的确定模型。原型AFPMSG由内定子和双外转子组成。永磁体粘贴在转子钢盘上，线圈内置在非磁性定子中，使用聚丙烯和环氧树脂。AFPMSG的激励是通过双转子的两部分上的十个NdFeB磁块来实现的，分别位于双转子的两部分上。

有限元法（FEM）允许精确分析考虑几何细节和磁性材料的非线性的磁场，但它们在早期设计阶段耗时且不灵活。虽然有许多方法可以用来增加FEM的节省时间和灵活性，也有许多用于数据处理的算法，但改进FEM的余地有限。另一方面，磁场分析的解析方法不能考虑几何细节，但在进行磁场和反电动势计算时可以实现节省时间和灵活的计算。在先前的研究中，作者提出了基于积分变换方法和格林函数方法的三维磁场解析解，提高了复杂性与精度的比率。参考文献提出了一个二维解决方案及其在轴向通磁永磁机磁场分析的准三维解析模型中的扩展。

在本文中，采用Maxwell方程和本构方程的解析解来评估机械气隙区域中心的PM磁通密度。解析方法的有效性通过三维FEM分析得到了确认。

此外，反电动势的计算还得到了测量的确认。本文还介绍了一种用于三维解析模型建模的方法，并将其应用于原型AFPMSG。

A． 磁场的解析和有限元方法

在无负载条件下，在机械气隙中央磁铁的中心半径处计算的磁通密度分布的解析和有限元方法（FEM）解决方案之间的比较。

通过对直到第n次谐波解的总和来获得磁通密度的解析解。因此，如果考虑更多的谐波解，解析解与FEM解决方案非常吻合。另一方面，考虑到的谐波数量的增加需要更多的计算时间。因此，磁通密度计算到第39谐波，考虑了一个极对中的120 φ个坐标（点）。

B． 反电动势波形的计算和测量

反电动势是使用通过解析方法和有限元法分别获得的磁通密度结果来计算的。根据旋转角度比较计算和测量的无负载条件下的反电动势。

结论

有限元分析和实验测量结果证实了所提出的解析方法的有效性。解析解的主要优点是计算时间缩短了500多倍，并且在与有限元分析相比反电动势计算中具有灵活的计算方式。本文提出的解析方法非常适合进行全面的研究，并已纳入了无铁芯AFPMSG的设计和优化过程中。

设计的AFFSMC控制系统

为了处理PMLSM驱动系统中的集中不确定性，并消除FSMC控制努力中的抖动现象，设计了一个PFNN不确定性观察器来观察集中不确定性，从而消除了系统参数变化和外部干扰的影响。此外，由于打击控制法（17）中的符号函数导致的FSMC系统的抖动现象通过设计的AFRR减小。此外，AFRR补偿了实际集中不确定性与不确定性观察器输出之间的观察偏差。最后，自适应定律被设计用来调整AFFSMC系统的控制参数，以保持系统的稳定性。这一系列控制策略的整合旨在实现对PMLSM驱动系统的高精度控制，同时减少不确定性和外部干扰的影响，并提高系统的稳定性。