考虑极限热负荷下高过载永磁同步电机的研究

永磁同步电机具有功率密度高、功率因数高的优势,在各种场合得到广泛应用。当永磁电机处于转矩高过载状态时,由于定子绕组电密很高,短时间内发热严重,影响电机输出功率的进一步提高。该文从理论上分析了结构参数、绕组直流电阻对永磁电机的极限输入电流影响,研究了铜损耗系数及电机工作时长对电机过载能力的影响规律,以及热负荷对高过载永磁电机电磁参数选取的影响规律。通过有限元分析了高过载永磁电机的电磁参数和定子绕组温升,定量计算出考虑极限热负荷时永磁电机的过载能力,得到一种高过载永磁电机的设计方法,最后通过样机实验验证了理论计算的正确性。     

控制策略对机载雷达永磁电机峰值转矩影响分析

针对机载雷达用永磁电机对功率密度的苛刻要求与短时高过载和长时低负载转矩的工况特点,在分析表贴式永磁电机和内嵌式一字形、V字形永磁电机的气隙磁密特点基础上,对比研究了直轴电流为零控制策略和最大转矩电流比控制策略对电机输出峰值转矩的影响。研究结果表明,采用直轴电流为零控制策略,表贴式永磁电机具有更大的峰值转矩;采用最大转矩电流比控制策略,内嵌式V字形永磁电机具有更大的峰值转矩;三种类型电机,相同机载雷达应用工况下,内嵌式V字形永磁电机温升最低。     

高过载永磁同步电机的电磁特性

定子铁心饱和、电枢反应限制了永磁同步电机(PMSM)输出转矩的进一步提高,在一些应用场合电机的转矩密度无法满足需求。研究了永磁同步电机的转矩特性,提高了恒转速下的转矩过载能力。首先从PMSM的输出功率入手,分析PMSM的极限输出功率与输入电流、直交轴电抗和空载反电动势的关系。接着通过改变PMSM定子和转子结构参数,分析了不同槽、极比对电机转矩过载的影响;磁钢厚度对气隙磁密以及直交轴电感的影响;定子裂比对电机电磁转矩的影响;不同齿宽对电机输出转矩的影响。由此得到高过载永磁电机的设计方法。最后进行有限元分析和电磁设计,并研制了一台10倍转矩过载的PMSM。搭建了测功机实验平台,对比测试了高过载电机以及常规设计PMSM的电阻、电感与转矩-电流特性曲线。实验分析结果与有限元计算结果基本一致,验证了理论分析的正确性。     

基于永磁电机结构设计的起/发电机过载能力研究

永磁同步起/发电机是无人机起/发电系统的核心,其电磁性能影响着起/发电系统的运行。起/发电机需要在短时间内提供足够大的输出转矩拖动发动机点火,因此,其过载能力严重影响了发动机的起动过程。研究从电磁转矩的产生机理入手,推导出电磁转矩与电机电、磁负荷乘积的比例关系;接着建立了多种不同极槽配合的电机模型,对比分析了各种电机模型的电、磁负荷,并将不同极槽配合的电机模型的电、磁负荷的乘积与其极限转矩进行对比,并对产生误差的原因进行分析。结论为不同极槽配合下电机的过载能力主要受电机的电、磁负荷及电机铁芯饱和程度影响。仿真及样机实验验证了设计的合理性,为永磁同步起/发电机过载能力的研究提供了一定的参考价值。     

基于遗传算法的高过载永磁伺服电机设计与优化

提出一种具有高过载能力的内置式永磁同步电机设计方案。首先分析了影响永磁同步电机过载能力的因素，从输出特性的基本公式出发，研究了电机交直轴电抗和空载反电动势对极限输出转矩的影响方式；其次，用有限元法对上述影响方式进行验证并对比分析出在同等约束条件下，不同定子齿宽比、磁钢用量的过载能力的大小；最后, 为进一步地提高转矩而提出可供优化的参数, 并通过遗传算法对该电机进行优化后，在提高极限转矩能力的同时降低了波形畸变率和转矩波动，由此研制出一台2kW具有5倍过载能力的IPMSM。     

车用永磁电机在不同工况下的温升分析

针对内置式永磁驱动电机功率密度高、工作环境差、体积和散热面积小而引起的绕组易烧损、磁钢易退磁等问题,分析了车用永磁驱动电机损耗随工况的变化规律以及损耗分布情况,并利用有限元计算软件,建立内置式永磁驱动电机的3-D流固耦合有限元模型,计算分析了电机在不同运行工况下的温升大小和分布情况。制造了实验样机,实验测试了样机在额定工况下的绕组和磁钢温升,并与仿真结果对比,验证了有限元仿真的准确性。     

120°相带环形绕组直驱永磁同步电机性能分析

基于相同电负荷、磁负荷及等永磁体用量的设计原则,建立了不同绕组结构的传统直驱永磁同步电机(DDPMSM)、传统环形绕组DDPMSM和120°相带环形绕组DDPMSM的有限元模型。分析了空载运行时3种电机的磁场分布、气隙磁密和反电势,对比了负载运行时3种电机的输出转矩、效率及功率因数等性能参数。制造了一台120°相带环形绕组DDPMSM样机,搭建了样机实验测试平台,测试了样机在不同工况下的输出转矩和输出功率,对比分析了实验与有限元结果,验证了有限元模型及分析结果的正确性。研究结果表明:120°相带环形绕组DDPMSM较传统DDPMSM和传统环形绕组DDPMSM具有体积小、转矩密度高、转矩常数大等优势。     

舵机用大功率永磁同步伺服电机电磁设计

针对舵机用大功率永磁同步电机转动惯量低、转速高、功率密度高和短时工作制的特点,对定子绕组形式和槽极数配合的合理选择做了介绍,并确定了电机基本尺寸。电机采用18槽4极分数槽双层短距分布绕组,电磁场有限元分析和试验结果表明,电机永磁电动势波形正弦度高,电机齿槽转矩低,转矩脉动低,输出转矩高,转动惯量低,具有较高的动态响应性能。     

电动闸阀直驱永磁电机的设计与温度场分析

针对驱动电动闸阀的电机提出的转速低、转矩密度大、工作时间短的要求,以及工作在高温高压特殊环境中的特点,采用短时工作制直驱永磁电机代替低速性能差、转矩小的感应电机,并对电机的基本结构进行了设计。较高的热负荷会使电机温升问题变得突出,因此建立了永磁电机三维瞬态温度场求解模型,通过计算出的电机定子绕组铜耗、定子铁心损耗、永磁体涡流损耗和表面散热系数,得到电机三维瞬态温度场仿真结果。     

基于Maxwell的电动汽车轮毂电机电磁损耗特性分析

电动汽车轮毂电机经常要在复杂的运行工况和恶劣环境下运行,导致轮毂电机电流和内部电磁损耗不断发生变化,对电机温升分析和可靠运行产生严重影响。以1台4 kW轮毂电机为例,利用Maxwell电磁有限元分析软件,建立轮毂电机的电磁有限元模型并对电磁场进行计算。通过选取加速和过载中常见的8种工况进行计算,分析了轮毂电机各部件的电磁损耗分布状态和数值变化规律。由分析结果可知,定子铁耗随转速的上升而增加,随过载倍数增加的变化不大;转子产生的铁心损耗可以忽略不计;永磁体涡流损耗同时随着加速和过载的增加而增加,但加速工况产生的影响更强;绕组铜耗主要受过载倍数变化的影响,占总损耗的比重最大,是主要热源。研究结果为轮毂电机温度场的分析和冷却结构的设计提供重要的参考依据。     

双边水冷永磁直线电机的磁热耦合分析（英文）

为了产生高加速度,设计一台12槽11极双边水冷永磁直线电机,其需要给绕组提供很高的电流密度。在这种情况下,铜耗和铁耗增加,电机热分析变得必不可少。针对该电机有水冷和无水冷两种模式,全面考虑电机所有材料建立基于双闭环算法的磁热耦合二维有限元模型。通过模型,分析热对流系数和不同频率下铁耗对温升的影响及温升对永磁体性能的影响,分析连续工作制下水流量对电机温升及推力的影响。结果表明,即使在较小的水流量时,电机的推力仍然可提高2倍。其次,分析不同工作制下电机能输出的最大推力。通过样机测试结果验证分析结果。     

基于温升曲线的电机过载控制研究

针对某履带全方位平台所用电机的特殊需求,为进一步提高平台越野能力,提出一种基于一定过载倍率下电机温度特性曲线的电机控制方法,通过理论分析得出了电流、时间与电机温度的关系,利用实验测定电机不同过载倍率下温度特性,拟合电机温升曲线与电机过载时间曲线,通过多次实验修正电机温升函数参数,验证了方法的正确性。通过控制电机一定过载工况下的工作时间,最大程度地提高了电机的过载能力,较大程度上提高了平台的越野爬坡能力与加速性能。     

高转矩密度电机温度场分析及冷却系统优化

针对电动客车用高转矩密度电机具有体积小、转矩大并且冷却结构水温高的特点,建立电机温度场仿真模型,设定了模型的仿真边界,对电机持续运行工况的稳态温度场和短时运行工况的瞬态温度场进行仿真分析,仿真结果显示该电机的温升满足设计要求,可以可靠运行。同时,对该电机冷却系统进行了研究和优化,结果表明,圆周螺旋水路结构的散热效果最好,可结合电机实际情况从工艺的角度来优化选择。     

磁钢用量对车用多层钕铁硼同步磁阻电机电磁性能影响

针对一种车用多层U形钕铁硼同步磁阻电机,基于有限元,研究了磁钢用量对其电磁性能的影响。结合遗传算法,确定了使各层磁钢分布相对较优的目标函数,以此目标函数,得到了不同磁钢总用量下的各磁钢布置结构。分析了磁钢用量对电机空载气隙磁密,短时运行工况下的峰值转矩、最大功率输出能力,长时运行工况下的功率因数、效率、磁阻转矩占比的影响。结果表明,车用多层U形钕铁硼同步磁阻电机在短时工况和长时工况的最佳电磁性能对磁钢用量的需求存在一定的矛盾,同时磁钢用量过多会加剧电机饱和,恶化空载气隙磁密波形,降低高速区的功率因数、效率和最大功率输出能力,为同类型电机快速设计时磁钢用量的选择提供了一定的参考依据。     

短时高过载运行定子交流励磁隐极同步电机设计

短时过载倍数是衡量驱动电机性能的一个重要指标,制约了驱动电机乃至传动系统的轻量化设计。为了提高变频器供电同步电机的短时过载能力,提出一种由定子侧提供交流励磁的隐极同步电机的设计方法。该电机的工作磁场由定子绕组q轴电流建立,位于d轴的转子绕组电流则为转矩电流,而定子绕组中的d轴电流用以抵消转子转矩电流产生的电枢反应磁动势,从而维持气隙磁场基本恒定。分析表明,此类电机重载运行时漏磁路饱和上升为限制电磁转矩的主要矛盾,在电磁设计中必须予以重点考虑。通过对该类电机漏磁路饱和特点进行有限元分析,提出了电机结构尺寸的优化设计方法。最后,以用于高压断路器分合闸操动机构的驱动电机为例,设计了工程样机,并通过实验对其短时过载运行特性进行了验证。     

电动汽车驱动电机三维CFD热分析与温升测试研究

针对电动汽车驱动电机在整车极限工况下的温升问题,采用流-固共轭传热数值计算方法对永磁同步电机的散热性能进行了仿真计算,得到了不同工况下电机定转子的温度分布规律。利用滑环模块解决了转子温升测试的难题,将不同整车工况下电机的温升测试数据和计算流体动力学(CFD)仿真结果对比,验证了仿真计算模型及方法的准确性,为整车在各种行驶路况下准确获取电机内永磁体工作温度提供了理论支持。     

高温超细长潜油永磁电机温升研究

潜油电机槽满率低、振动大,增大了绕组绝缘损坏的风险。为此,提出一种定子模块组合式潜油电机(MCSPMM)结构,能够有效增大电机的槽满率,减小电机振动。但在高温高压的工作条件下,需要对这种特殊结构电机的温升进行进一步设计和校核。由于实际工况下电机温升测试困难,为了确保电机运行的稳定性,对超细长潜油永磁电机的温升进行了研究。其发热量可用热负荷进行近似考量并用有限元进行了验证,计算极限工况下电机的温升分布,为超细长MCSPMM的设计提供重要依据。     

盘式交流永磁同步电机温升影响因素研究EI北大核心CSCD

首先根据510 kW盘式电机的电磁设计参数以及热物性参数建立了三维温度场流场耦合模型,分析了额定工况下电机发热部件的温度分布,接着对样机进行了温升实验。针对温升实验电机温度偏高进行了改进性研究探索。主动降温方面,建立了三维轴向磁通电机模型,从铁耗理论模型和电磁仿真模型角度分析了不同牌号硅钢片,在空载和负载工况下,铁耗瞬态变化趋势。被动降温方面,基于建立的三维耦合模型,分析了入口流速、端盖材质、额定负载和过载对电机定转子最高温度影响。接着分析了不同水道模型、不同入口流速条件下,对壁面对流换热系数以及入口和出口压力损失变化规律。通过以上温升影响因素的分析,为后续盘式电机散热冷却改进设计提供理论依据。     

中型高压电动机暂态温度场分析及短时过载运行研究

针对中型高压感应电动机暂态温升难以准确计算的问题，以一台紧凑型中型高压感应电动机为例，采用电机内各物理场间强耦合与弱耦合相结合的多物理场三维动态耦合分析方法，对其暂态温升进行计算。根据电机内定、转子区域流-固耦合的特点，建立电机温度场与流体场的三维强耦合分析模型。利用电机动态数学模型、磁网络模型、集肤效应模型及流体网络模型对电机损耗、转速及入口流量等进行计算，并作为耦合边界条件实现与流-固耦合模型的瞬态弱耦合求解。模拟了电机起动过程中温度的变化过程，验证了研究方法的正确性。对短时工况不同负载条件下电机的温升进行计算，获取负载条件对电机温升的影响规律，为电机的短时过载运行提供依据。研究内容为中型高压电动机暂态温升的计算及保障电机多工况的安全运行提供了参考。     

盘式交流永磁同步电机温升影响因素研究

首先根据510 kW盘式电机的电磁设计参数以及热物性参数建立了三维温度场流场耦合模型,分析了额定工况下电机发热部件的温度分布,接着对样机进行了温升实验。针对温升实验电机温度偏高进行了改进性研究探索。主动降温方面,建立了三维轴向磁通电机模型,从铁耗理论模型和电磁仿真模型角度分析了不同牌号硅钢片,在空载和负载工况下,铁耗瞬态变化趋势。被动降温方面,基于建立的三维耦合模型,分析了入口流速、端盖材质、额定负载和过载对电机定转子最高温度影响。接着分析了不同水道模型、不同入口流速条件下,对壁面对流换热系数以及入口和出口压力损失变化规律。通过以上温升影响因素的分析,为后续盘式电机散热冷却改进设计提供理论依据。