表贴式高速永磁电机多场耦合转子设计

针对高速永磁电机转子设计同时受机械强度和电磁性能限制,参数选取困难的问题,基于机械强度设计、电磁设计以及转子动力学设计理论,采用有限元法,提出一套完整的基于多物理场耦合的高速永磁电机转子优化设计方法。综合考虑材料各向异性、离心力以及温度影响,分析了典型护套转子的机械强度变化规律;结合电磁性能要求,确定了最小护套厚度和永磁体厚度,并对三种护套转子的动力学特性进行分析。仿真结果表明,对于大功率高速永磁电机,比较适合采用表贴式的转子结构,而且碳纤维护套转子较其他转子具有更好的机械和转子动力学特性;通过多场耦合的设计方法得到的转子结构能够同时兼顾机械、电磁以及转子动力学特性的要求。     

高速永磁电机转子强度分析与护套设计

提出一种基于二维应力解析模型的高速永磁电机转子护套最小厚度设计方法。建立转子二维应力场计算的解析模型,能够考虑各向异性材料在预应力、离心力、热应力共同作用下的应力结果。由于无法实测高速转子内部的应力,通过有限元分析对应力解析模型进行验证。分析确定了采用3种常用护套材料转子的应力极限工况,提出适用于单极限工况和多极限工况转子护套最小厚度及其对应过盈量的计算方法,并指出所适用的护套类型。针对某些永磁体热态抗拉强度不足的情况,该文通过替换边界条件对永磁体应力进行约束,得到了安全的护套方案。该方法计算速度快、准确性高、灵活性强,可应用于高速永磁电机的多场综合设计。     

基于ANSYS的高速表贴式永磁电机转子强度分析

对于表贴式转子结构的高速永磁同步电机,其转子在高速运行时会承受相当大的拉应力,为保证高速电机安全稳定运行,通常会在永磁体外加一层护套,并采用过盈配合对表贴式永磁体施加预压力,该护套采用不导磁合金材料,在有效保护永磁体的同时不影响电机的磁路。首先在理论层面对表贴式高速永磁电机转子进行强度分析,然后通过ANSYS Workbench对一台24kW、20000r/min的表贴式高速永磁电机转子进行有限元仿真,对比了不同静态过盈量、合金护套厚度、材料温度特性等因素对转子强度的影响,同时校核了该模型护套及永磁体的强度,并对高速永磁电机转子机械设计规律进行了总结。     

表贴式永磁电机碳纤维护套转子强度及过盈量分析

针对表贴式永磁电机转子在高速高温状态下转子强度计算问题,提出了考虑磁钢分块结构的转子模型。基于厚壁圆筒理论推导了转子强度计算的解析解,分别计算出碳纤维护套及磁钢的切向应力和径向应力;基于有限元法分析了多种工况下的转子强度,在高速及高温工况下转子所受应力均会增加;对比解析分析结果表明,有限元法及解析法均能准确计算碳纤维护套应力,而磁钢却受到边缘效应的影响,磁钢边缘应力增大,解析分析难以进行精准计算;基于有限元法分析护套与磁钢过盈量,优化了转子结构,提出了过盈量的最优范围。     

不同保护型式下的高速表贴式永磁转子应力与温升分析

针对高速表贴式永磁转子的不同保护型式,建立了三层配合下的表贴式永磁转子应力解析计算模型,基于该解析计算模型对钛合金护套和碳纤维护套保护下的永磁转子进行设计,并通过有限元法对解析计算模型的正确性进行验证。研究了不同护套材料、过盈量、极间填充材料、温度等因素对护套等效应力的影响规律。建立了高速表贴式永磁转子涡流损耗与温升的计算模型,研究了不同护套保护措施、不同填充材料下,永磁转子涡流损耗分布与永磁体温升特性。在此基础上,完成了一台高速表贴式永磁电机的设计与制造,并进行了实验,结果证明了该文计算分析的正确性。     

基于有限元法的高速永磁转子强度分析

针对高速永磁电机转子圆周线速度大,旋转产生的离心应力会损坏永磁转子的问题.对高速永磁转子强度进行研究,分析表面贴式永磁转子高速稳定运行的机械务件,建立了护套过盈量与最高转速的关系模型,在护套材料各向异性和各项同性的条件下,采用接触有限元法计算和比较两种表面贴式永磁转子的转子强度;针对深埋式永磁转子,采用等效环法对应力进行解析计算,建立了铁心桥厚度与最高转速的数学关系,并基于有限元法分析深埋式永磁转子的应力分布.仿真结果表明,根据所提方法设计的高速永磁转子在最高转速运行时具有足够的机械强度.     

高速永磁电机转子设计与强度分析

文中介绍了高速永磁电机的设计特点，重点论述了永磁材料和转子结构型式的选取、主要尺寸的确定与转子强度的分析和计算方法。目前永磁电机多采用烧结钕铁硼永磁材料，其抗压强度较大而抗拉强度很小，永磁体难以承受转子高速旋转巨大离心力产生的拉应力，必须在永磁体外设置高强度非导磁防护套，采用过盈配合给永磁体施加一定的预压力。文中介绍了采用解析法和数值分析有限元法进行高速永磁电机转子强度分析的实用技术，并给出了对一台额定转速为60000r／min的高速电机永磁转子强度的分析计算结果。     

内置式永磁电机碳纤维护套转子强度及过盈量分析

为解决内置式高速永磁电机在高速运行时的强度问题,对内置式永磁电机转子冲片结构和外部碳纤维绑扎带进行了综合设计研究。采用有限元方法,对冲片和碳纤维护套进行了整体刚度协调变形分析,重点考虑了碳纤维绑扎预紧力对初始绑扎状态和高速运行状态的不同影响。分析了初始过盈量及绑扎层厚度与静态及动态应力分布的关系,得出了动、静态下内置式永磁电机转子碳纤维护套强度与冲片强度的规律。     

高速表贴式永磁电机转子强度分析

永磁转子高速运行时,永磁体难以承受离心力引起的拉应力,因此通常在高速永磁转子外装配合金护套保护永磁体,避免永磁体的损坏。为了保证永磁转子在高转速工况下安全运行,必须对护套与永磁体进行强度计算与校核。针对高速转子细长型结构的特点,基于厚壁圆筒理论,推导了高速永磁转子的应变场、位移场和应力场的解析计算公式,并采用有限元法验证了解析计算的正确性。基于推导的解析公式,分析了静态过盈量、护套厚度、转轴材料特性对高速永磁转子强度的影响,总结了高速永磁转子的机械设计规律。以一台额定功率为15k W、额定转速为30000r/min的高速永磁电机为例,给出了高速永磁转子的强度设计方法,为高速永磁转子的机械设计提供了依据。     

表贴式高速永磁同步电机失磁故障及磁体选区渗重稀土研究

针对表贴式高速永磁同步电机永磁体在受到高温、强退磁磁场等因素影响易产生局部不可逆失磁故障问题,本文基于有限元分析方法,分别建立了一台24 kW表贴式高速永磁同步电机的二维和三维仿真计算模型,在计及该电机在各类不同的退磁因素作用下,确定了电机磁体发生局部不可逆失磁故障的位置,并预测了磁体的进一步失磁扩散趋势。对比了电机在有无失磁故障情况下的空载气隙磁密和反电动势,并研究磁体不可逆失磁故障对电机运行的影响。由于永磁体易在部分区域发生不可逆失磁,故本文将磁体材料更换为较低牌号,并运用选区渗重稀土技术改善易失磁区域材料特性来提升磁体整体抗失磁能力。在此基础上,探究了更为合理的重稀土渗入区域及渗入梯度,从而保证在不失电机性能的前提下,实现了重稀土元素的极限应用,为表贴式永磁电机磁体选区渗重稀土技术提供了参考。     

磁极分段式高速轴向磁通永磁电机转子强度研究

为了满足机械强度要求,高速永磁电机通常采用径向磁通结构。随着非晶合金等新型超薄软磁材料的发展,高速高频轴向磁通永磁电机逐步引起关注。为此,针对一种适合于高速运行的磁极分段式轴向磁通永磁电机转子结构进行研究。建立了该转子结构强度解析计算模型,分别利用解析法和有限元法计算了不同极弧因数、转子轮缘宽度以及转子磁极分段数对转子机械强度的影响规律。同时研究了磁极分段式结构对轴向磁通永磁电机气隙磁密、空载反电动势、齿槽转矩和转矩密度等电磁性能的影响。结果证明采用磁极分段式结构能有效提高转子强度,相关研究工作为高速轴向磁通永磁电机的设计提供参考。     

永磁同步电机高速带速重投冲击抑制研究

本文针对永磁同步电机高速运行区间带速重投过程中存在较大电流冲击的问题,从电机稳定性条件和脉冲构成两个方面阐述了引起电流冲击的根本原因,提出了通过d轴电流预给定和优化电压脉冲构成的方法,从理论上分析该方法的可行性和实现方式,并通过实验验证,证明了该方法的有效性。实验表明,本文提出的永磁同步电机高速下带速重投电流冲击抑制方法,可以有效的减小带速重投过程中的电流冲击,使电机快速进入稳定工作区域,并且易于实现,符合实际应用要求。     

高速内置式永磁转子强度分析与设计

针对高速内置式永磁转子表面线速度高,高速离心力易损坏隔磁桥的问题,对高速内置式永磁转子进行强度分析与设计。基于转子受力原理,推导高速内置式永磁转子强度解析计算公式,并采用有限元法验证了解析计算的正确性。为了提高高速内置式永磁转子的机械可靠性,提出采用永磁体分段的转子结构,即在转子结构中增加加强筋以分散隔磁桥所受的离心力,针对分段转子结构复杂的特点,采用有限元法分析了加强筋个数、加强筋尺寸对转子强度与漏磁特性的影响,总结了分段结构转子的设计规律。在对高速内置式永磁转子强度与电磁特性分析的基础上,设计一台额定功率15 k W、最高转速30 000 r/min的高速电机内置式永磁转子并进行了空载试验,为高速内置式永磁转子的设计提供了参考。     

高速永磁同步电机电枢电流谐波分析

在高速永磁同步电机谐波分析中,主要有解析和仿真两种方法。解析法则适用于连续系统,而仿真法适用于离散系统的,但两种方法之间关联性问题研究相对较少,针对此问题,提出一种基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术电枢电流谐波解析法和仿真法内在关联的分析方法。根据连续函数和离散函数的傅里叶级数公式,分析了这两种方法在谐波计算中偏差的分布规律。分析结果表明,采样频率和负载是离散电枢谐波计算的主要影响因素,随着采样频率的升高电枢电流谐波呈现振荡阻尼衰减的特性,并收敛于连续系统的解析值,而负载则能降低振荡幅值和提高收敛速度。构建了基于DSP的永磁同步电机系统实验平台,实验结果验证了该分析方法的有效性。     

低压永磁无刷电机控制系统关键参数计算

首先给出了永磁无刷直流电机控制系统硬件的基本结构;然后针对硬件系统的关键参数进行分析计算,给出了功率逆变电路的功率器件选择计算方法,提出根据负载特性选择电流容量,基于三电阻采样法设计了电流检测及保护电路,实现硬件电流滞环比较保护功能,分析了自举式功率管驱动电路的驱动电阻与自举电容的参数计算方法,给出了计算公式;最后通过实验测试验证了提出的关键硬件参数计算方法的有效性。     

高速内置式永磁同步电机转子强度分析

内置式永磁同步电机高速运转时,隔磁桥处承受着永磁体和极靴所产生的巨大离心力,为了提高转子冲片的机械强度避免隔磁桥的损坏有必要对电机转子冲片的结构进行研究。首先,基于离心力产生的原理建立了转子冲片最大应力的数学表达式并与有限元仿真模型比较,验证了其准确性。然后,针对现有转子冲片机械强度不足的缺陷,提出了对永磁体沿径向分段的结构优化方案,并对该方案进行了模拟仿真。结果表明:分段桥可有效分担隔磁桥处的应力,提高转子的机械强度。最后,对比分析了分段桥数量对电机机械强度及电气性能的影响,得出了实例电机转子冲片的最优结构。研究结果为高速内置式永磁电机转子结构的优化设计提供了有力参考。     

一种内置式永磁同步电机设计与性能评估

根据电动汽车在额定工况下的牵引力要求,针对中型商用电动汽车设计了60kW内置式永磁同步电机。首先,根据永磁同步电机理论计算关键尺寸。其次,利用有限元方法FEM)仿真模型分析了永磁体尺寸、偏斜对电机电磁转矩的影响,并计算了电机在不同工作条件下的温度分布、损耗以及工作效率。最后,制造了试验样机并搭建实验平台,在不同工作模式下验证样机性能并与FEM仿真结果进行对比,验证了有限元设计的可行性和准确性,为电动汽车用电机的设计提供理论参考。     

Design and analysis of low‐speed,high‐torque permanent magnet motors

This paper presents design and analysis of low‐speed, high‐torque permanent magnet motors. The motor has 16‐pole, 18‐coil construction, and a unique winding arrangement to produce high torque. The simplified torque analysis is proposed considering the line of magnetic induction distribution in the motor. The validity of the proposed analysis has been proved by both linear and nonlinear FEM analyses. The 500‐Nm, 200‐rpm test motor has been designed and constructed and the motor shows the expected characteristics. © 2000 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 132(3): 48–56, 2000     

城轨牵引内置式永磁同步电机转速及转子位置检测

针对城轨牵引无传感器内置式永磁同步电机的运行要求,设计了一种基于新型滑模观测器的内置式永磁同步电机转速及转子位置观测器,通过电机电流的滑模观测模块对扩展反电动势进行观测,使用S型函数取代传统的离散控制律,以削弱系统“抖振”;采用转速参数辨识和转子位置角度的锁相环将转速与位置分开观测,以提高转速和转子位置的观测精度;采用变参数PI控制器替代传统的内置式永磁同步电机速度控制环中恒参数PI控制器,以改善系统动态性能.证明了该新型滑模观测器的控制系统的稳定性,开发了基于STM32F103嵌入式微控制器的滑模观测矢量控制系统,实验结果验证了该控制策略的有效性与可行性.     

一种非对称混合式永磁同步电机设计与分析

针对传统内置式永磁同步电机磁阻转矩与永磁转矩不是在相同电流相位角下达到最大,不能最有效的利用磁阻转矩与永磁转矩的问题,提出了一种新型非对称转子结构永磁同步电机设计方案,电机输出转矩和减小转矩脉动。首先,一种不对称转子结构,通过使转子不对称,使磁阻转矩和永磁转矩在相近电流相位角下达到最大,从而提高输出转矩。其次,为衡量转矩利用率,引入转矩利用率因子,利用冻结磁导率法将电磁转矩分解为磁阻转矩和永磁转矩两部分,运用有限元确定表面磁极最佳偏移角θ;最后,对提出的新型非对称转子结构永磁同步电机进行电磁性能分析,在不增加材料与制造成本的情况下,电机最大输出转矩增加7.52%,转矩脉动减小39.15%。