极间隔断Halbach型磁钢的永磁同步电机多目标优化设计

以降低加工难度与优化气隙磁通密度为目标,设计了表贴式极间隔断Halbach型磁钢的永磁同步电机,系统分析了极间隔断Halbach型磁钢参数对气隙磁通密度波形的影响.针对该类磁钢的参数,即磁钢极角和充磁夹角对基波幅值和正弦性畸变率都有影响的特点,提出了对磁钢参数进行多目标优化的方法,设计了以获得基波幅值极大值与正弦性畸变率极小值为多目标的混合全局优化算法,在此基础上,提出了最佳极间隔断Halbach型磁钢参数的选择方法.仿真与实验验证了优化结果选择方法的正确性,进一步验证了极间隔断Halbach型磁钢性能的优越性.     

计及齿槽极间隔断Halbach型磁钢的PMSM气隙磁场解析分析

提出将分块式Halbach磁钢的单片磁钢角度与充磁夹角作为分析参数,并利用气隙复数磁导,获得基于这2个参数的计及定子齿槽的永磁同步电机气隙磁场解析模型;系统分析这2个参数对电机径向气隙磁密的影响,提出一种性能优于传统Halbach型磁钢的极间隔断Halbach型磁钢新方案;对比分析了任意定转子相对位置与不同定子槽口宽时,极间隔断Halbach与传统Halbach型磁钢对应的径向气隙磁密基波幅值与波形正弦性畸变率,验证了该极间隔断Halbach型磁钢的优越性;有限元分析验证了解析模型的正确性,并验证了解析模型参数分析结论的正确性。     

轮毂多盘式无铁心永磁同步电机永磁体结构优化

将不等厚排列技术与90°Halbach阵列以及不等宽排列技术相结合应用到两个外转子磁钢分析,中间盘采用普通磁钢排列,通过改变磁钢排列的厚度及宽度,来进一步提高多盘式无铁心永磁同步电机气隙磁密的基波幅值和波形的正弦性,从而提高电机性能。对16极盘式永磁同步电机进行仿真建模,将"不等宽排列技术+90°Halbach阵列"模型以及其优化模型"不等厚排列技术+90°Halbach阵列+不等宽排列技术"进行静态气隙磁场对比分析。仿真数据表明,"不等厚排列技术+90°Halbach阵列+不等宽排列技术"使得周向磁密波形和切向磁密波形都大为改善,磁场波形更接近于正弦分布特征,其中周向磁密波形畸变率改善了67.02%,气隙周向磁密幅值提高了8.15%。     

基于GPR-PSO模型的永磁同步电机气隙磁密波形优化

为了使永磁同步电动机气隙磁密波形具有良好的正弦性,以气隙径向磁密波形的谐波畸变率为目标,磁钢的偏心距、极弧系数、磁钢厚度以及磁钢的充磁方向为因素变量进行优化。引进了正交实验设计的方法合理地安排了实验因素变量的搭配,利用有限元软件ANSYS Maxwell2D仿真分析得到数据样本集,采用了高斯混合回归模型(GPR)对数据样本集进行拟合,得到拟合回归模型。采用方差分析方法分析了各个因素对于谐波畸变率的影响的程度。将拟合回归函数作为适应度函数,通过粒子群算法(PSO)寻优,得到最优的磁钢参数。以一台48槽8极的永磁同步电动机为例进行仿真实验,结果表明,通过GPR-PSO模型的方法可以有效降低永磁同步电机的气隙磁密波形畸变率,使波形得到良好的改善。     

极靴式永磁同步电机径向气隙磁密分析

针对表贴式永磁同步电机空载径向气隙磁密波形正弦性差,加工复杂结构的永磁钢导致电机成本提高的问题,提出一种表贴式矩形永磁钢加装极靴的新型磁极结构。以标量磁位法为基础,建立了加装极靴后的空载径向气隙磁密解析模型,以一台18极54槽外转子永磁电机为例,通过有限元法验证了解析模型的正确性。此外,基于解析模型研究极靴结构参数对径向气隙磁密的影响规律,获得最优参数匹配。结果表明,加装极靴的永磁同步电机径向磁密幅值和波形正弦化程度明显提高。     

极间隔断Halbach型磁钢的永磁同步电机气隙磁场解析计算及参数分析

提出将分块式Halbach型磁钢的单片磁钢角度与充磁夹角作为分析参数,获得基于这两个参数的永磁同步电机的气隙磁场解析模型;系统分析了磁钢厚度、单片磁钢角度与充磁夹角对气隙磁通密度的影响;提出一种性能优于传统Halbach型磁钢的极间隔断Halbach型磁钢新方案,以获得径向气隙磁通密度更高的基波幅值与更低的波形正弦性畸变率为目标,分析获得不同极对数下该类磁钢的优化设计方案。通过有限元分析验证了解析模型的正确性,并验证了合理设计的极间隔断Halbach型磁钢的优越性。     

一种表贴式永磁电机磁极结构优化研究

针对常规表贴式永磁电机气隙磁密波形正弦度差,导致电机反电势中谐波含量高、电机谐波损耗大,以及复杂结构形状永磁体在生产、加工、装配过程中容易造成废品率高等问题,提出一种由导磁金属块和永磁体共同构成的表贴式磁极结构。用有限元方法计算常规结构以及不同程度不均匀气隙结构的气隙磁密波形,进而由傅里叶分解得到各次谐波和正弦畸变率。仿真结果标明该结构可以有效改善气隙磁密波形和电机空载反电势的正弦度。最后采用遗传算法对实现偏心结构的导磁金属块尺寸进行优化,得到了使气隙磁密波形畸变率最小的尺寸参数。有限元计算结果显示,优化设计后,气隙磁密波形畸变率和电机空载反电势谐波含量明显减小。     

基于解析模型的永磁球形电机永磁体优化设计

永磁球形电机气隙磁通密度的基波幅值和波形畸变直接影响电机性能。本文采用球谐级数推导了永磁球形电机永磁体阵列气隙磁通密度径向分量的解析模型,分析了弧长系数、永磁体厚度和气隙长度对基波幅值和波形畸变率的影响。利用气隙磁场的解析模型,以基波幅值和波形畸变率为优化目标,采用粒子群算法对六极永磁体阵列进行了多目标优化并对优化结果进行了比较和验证。结果表明,在永磁体体积相同情况下,优化的平行磁化永磁体阵列比全极距平行磁化永磁体阵列和径向磁化永磁体阵列具有更高的基波幅值和更小的波形畸变率。     

Halbach列旋转电机气隙磁密波形特性

基于6极无齿槽Halbach阵列电机模型,利用Ansoft有限元软件研究了气隙磁密波形随每极磁钢块数的变化,得出了气隙磁密波形最优时每极磁钢的块数。分析了每极磁钢块数较多时,气隙磁密波形正弦度、气隙磁密谐波和气隙磁密幅值的变化规律,得出了磁密幅值最大时的磁钢块数,并综合考虑磁密波形正弦度和磁密幅值大小时最佳的磁钢块数。     

Halbach列旋转电机气隙磁密波形特性

基于6极无齿槽Halbach阵列电机模型,利用Ansoft有限元软件研究了气隙磁密波形随每极磁钢块数的变化,得出了气隙磁密波形最优时每极磁钢的块数。分析了每极磁钢块数较多时,气隙磁密波形正弦度、气隙磁密谐波和气隙磁密幅值的变化规律,得出了磁密幅值最大时的磁钢块数,并综合考虑磁密波形正弦度和磁密幅值大小时最佳的磁钢块数。     

一种混合励磁同步发电机的气隙磁密分析及其电压谐波抑制

为改善混合励磁同步发电机的气隙磁密分布,采用三段式气隙长度对转子进行了优化,对比了优化前后的气隙磁密。为抑制电压谐波,在完成转子结构优化的基础上,进一步采用短距、分布电枢绕组以及定子斜槽等措施。最后对样机电压波形进行了实测和质量分析,结果表明:采用三段式气隙长度与定子斜槽相结合,可将电压波形的总谐波失真(THD)抑制在5%的范围内。此外,探讨了偏心距法在切向/径向混合励磁电机中应用的可行性,并对比了分别采用偏心距法和三段式气隙长度法时的气隙磁密。     

INTERIOR PERMANENT MAGNET MOTOR HAVING SEVERAL IMPROVED FEATURES

ABSTRACT

The no-load airgap flux density distribution of most conventional permanent magnet motors is square in shape. The rotor configurations having interior magnets employed in these machines also lead to vastly different saliencies along the d- and q-axes giving a quadrature axis inductance larger than the direct axis inductance. A modified rotor configuration is presented that produces a near sinusoidal airgap flux density distribution which is achieved by shaping the rotor airgap profile while keeping the interior magnets rectangular in shape. As a result of this shaping the quadrature axis inductance is reduced significantly while there is almost no change in the direct axis inductance. It is also shown that the new rotor configuration leads to significantly reduced cogging torque and less saturation along the q-axis which assists in maintaining a linear torque versus current relationship in field oriented control employing the quadrature axis current. Airgap flux density levels, inductances and static torque characteristics obtained using the finite element simulation work are presented comparing them with those for a uniform airgap machine. There has been good agreement between the experimental and simulation results. The operational advantages gained by the improvements made are also briefly discussed.     

基于波形重构法的永磁电机电磁振动噪声计算研究

提出了基于波形重构法的径向气隙磁密和径向电磁力波解析计算方法,简化了永磁电机电磁振动和噪声(EVAN)的计算过程,解决了永磁电机径向电磁力波计算较为复杂的难题。首先介绍了波形重构法计算永磁电机EVAN的理论依据。然后,以1台永磁电机为例,详细介绍了运用波形重构法计算永磁电机电磁振动噪声的具体步骤。最后,对电机EVAN进行多物理场有限元仿真,将波形重构法计算结果与有限元仿真结果对比,在误差允许范围内二者的计算结果具有一致性,由此验证了波形重构法计算电机EVAN的准确性。     

Analysis of the Audible Noise of Three-Phase Squirrel-Cage Induction Motors Supplied by Inverters

One of the major problems in inverter-fed motors is the high level of audible noise produced by harmonic current and voltage components. To analyze these phenomena the field in the machine airgap is calculated using the rotating field theory together with the Maxwell stress theorem. This analysis yields a way for predicting the spectrum components produced by the motor and for relating it to the airgap flux density distribution time harmonics caused by the nonsinusoidal supply. The theoretical approach is used for calculating the airgap flux density distribution and the frequency spectrum components of a small three-phase squirrel-cage induction motor fed by a six-step voltage source inverter (VSI) and by a pulsewidth-modulated (PWM) inverter. The theoretical results are compared with experiments.     

CURVATURE EFFECTS IN RADIAL-FIELD PERMANENT MAGNET MACHINES

ABSTRACT

The paper describes two analytical models for predicting the magnet/airgap flux density distribution in radial-field machines having permanent magnets mounted adjacent to the airgap. The models differ in that inter-pole leakage is neglected in the first and accounted for in the second. However, amongst other things, both allow the determination of the spread of magnet working points due to flux focusing. Furthermore, it is shown that for machines in which the magnets are mounted on an inner hub an optimal magnet thickness exists for which the magnetic loading in the airgap is a maximum.     

梯形波相电流驱动六相感应电机建模与控制

针对交流电机的气隙磁链定向控制具有气隙磁通能被直接测量的优点,但要实现气隙磁链定向控制必须采用派克变换算法,使控制系统复杂化和运算量大等缺点,提出了一种气隙磁链定向控制策略:即六相感应电机梯形波相电流控制。该梯形波相电流由励磁电流和转矩电流组成,在该梯形波相电流驱动下六相定子绕组可以分为励磁绕组和转矩绕组,模拟直流电机实现励磁磁场和转矩的直接控制而不需要复杂的派克变换。采用有限元分析,研究六相电机的主要性能,建立六相电机定子相电路模型。整个六相电机驱动系统的性能通过实验完成。结果表明该种控制方案可以真正实现磁链和转矩的独立控制,使控制器结构简单,具有便于实现特点。     

基于等效剩磁法的永磁电动机转子偏心磁场解析计算

转子偏心对永磁电动机的性能有较大的影响.本文基于等效剩磁的方法,利用永磁电动机中标量磁位所满足的微分方程和场量所满足的边界条件提出了静态偏心气隙永磁电动机磁场的解析计算方法.采用该方法计算了一台转子静态偏心的永磁无刷直流电动机在不同偏心率时不同半径处的气隙磁场分布,与有限元计算结果进行了对比,结果表明该方法具有较高的准确性,并得出了相应的结论.     

基于Halbach阵列盘式无铁心永磁同步电机优化设计——楔形气隙结构电机

从优化结构角度出发,提出基于Halbach阵列楔形气隙盘式无铁心永磁同步电机,该类电机具有效率高、重量轻、噪声低、结构简单等优点,通过改变气隙结构以进一步提高盘式无铁心永磁同步电机的气隙磁密,达到提高电机性能的目的.利用FEM方法对16极盘式永磁同步电机进行建模,选取不同的空气罩尺寸来分析比较,确定适合的求解域,进而对均匀气隙与楔形气隙两种结构进行了静态气隙磁场分析比较.实验结果表明,样机出力由均匀气隙结构200W提高至楔形气隙结构的250W,效率由91.8%升高到92.4%,功率因数由0.985提高到0.993,优化设计达到了目的.     

背绕式有槽永磁同步电机的电磁场解析模型

以1台5 kW背绕式高速永磁同步电机为研究对象,建立其电磁场解析模型。将电磁场求解域划分为气隙子域、永磁体子域、槽口子域和槽子域,求解相应的拉普拉斯方程或泊松方程,解析模型计及电枢反应场、永磁场和定子开槽的影响。计算了该电机的气隙磁密、绕组磁链、绕组反电动势、齿槽转矩和电磁转矩,并将结果与二维有限元法计算结果和试验数据比较,比较结果说明了解析模型的准确性。最后以槽口开度为变量,研究其对气隙磁密分布和齿槽转矩的影响。