轴裂相整数槽集中绕组永磁容错电机及其匝间短路故障抑制研究EI北大核心CSCD

针对传统分数槽集中绕组永磁容错电机相间隔离能力弱、匝间短路故障抑制能力不足的问题,该文提出一种轴裂相整数槽集中绕组永磁容错电机。该电机各相绕组沿轴向独立排布,实现了相间的电、磁、热及物理隔离。首先,介绍轴裂相整数槽集中绕组电机的基本结构,阐述其工作原理,分析其电磁性能。然后,理论分析该轴裂相整数槽集中绕组永磁电机匝间短路故障的抑制机理。在考虑绝缘接触电阻变化的基础上,将所提轴裂相整数槽集中绕组永磁电机与传统分数槽集中绕组永磁电机在不同接触电阻情况下的故障电流、损耗和温升进行对比和分析。研究表明,相比于传统分数槽集中绕组永磁容错电机,该文所提轴裂相整数槽集中绕组永磁容错电机在故障的各个阶段,其匝间短路故障的严重性均较低,并且故障对健康相的影响很小,实现了从电机结构上抑制和隔离匝间短路故障的目的。最后,加工一台轴裂相整数槽集中绕组永磁电机样机,完成对样机匝间短路电流和故障温升的测试,实验结果与理论分析和仿真结果一致,证明了上述分析的正确性。     

单相匝间短路对永磁电机损耗及温度分布的影响研究

以一台14 k W卷烟自动化设备用节能永磁电机为例,建立了二维电磁场有限元计算模型,对永磁伺服节能电机电磁场进行了计算分析,并对比研究了永磁电机额定工作状态下定子电枢绕组匝间短路故障对电机性能的影响,给出了不同匝间短路形式下电机各部分损耗的变化规律;在此基础上,建立了永磁电机温度场计算模型,分析了电机匝间短路故障时电机电枢绕组及永磁体温度的变化规律,揭示了永磁电机绕组匝间短路对电机温度分布的影响机理。所得出的结论对永磁电机故障分析及防止永磁体高温失磁具有重要的意义。     

多相永磁电动机定子绕组短路故障动态分析

定子绕组短路故障对多相永磁同步电动机的运行有非常严重的影响,因此有必要对其进行仿真分析以便为进一步研究其对永磁体工作点的影响奠定理论基础,同时也为电机结构设计提供一定的理论依据。本文利用场路耦合时步有限元法,建立了多相永磁同步电动机的数学模型;然后通过对电机定子绕组等效电路方程和电磁场方程联立求解,计算得到了单相对地短路、两相间短路以及三相短路三种突然短路状态下的定子相绕组暂态电流、端电压以及电磁转矩波形;最后将仿真波形与实验波形相对比,证明了该数学模型和计算方法的正确性,并得到了三种短路状态下,相绕组电流和电磁转矩随时间变化规律的一些结论。     

单绕组无轴承永磁薄片电机短路容错运行

针对无轴承永磁薄片电机因相绕组出现短路故障,导致电机无法正常工作的问题,以六相单绕组无轴承永磁薄片电机为例,具体分析了相绕组出现短路故障时的短路电流,并提出基于定子电流重构原则的短路故障容错控制方法。该方法通过对非故障相定子电流加入悬浮力与转矩补偿,满足了电机稳定运行所需的悬浮力与转矩,并给出了各相绕组出现短路故障时的非故障相定子电流数学模型。在此基础上,通过对理论短路电流与仿真短路电流的对比分析以及短路故障状态下的悬浮力、转矩脉动的分析,验证了理论分析以及定子电流数学模型的正确性。最后,以齿1相绕组端部短路为例,通过实验验证了所提容错控制策略的正确性。     

分数槽集中绕组定子磁动势的分解

介绍了单元电机的基本概念。以12槽双层的分数槽集中绕组为例,给出绕线原则,并在不确定单元电机极对数的情况下,用交流电机绕组理论、函数的傅里叶级数展开两种方法,从一个线圈、一组线圈、一相绕组到三相绕组详细推导了分数槽集中绕组各次谐波的绕组因数和磁动势,得出了分数槽集中绕组的一般特点和普遍规律。最后指出转子极对数接近但不等于定子槽数的一半是采用分数槽集中绕组的永磁电机的最佳选择。     

双定子永磁电机内外定子绕组相轴相对位置确定方法

确定内外定子绕组相轴相对位置是双定子永磁电机设计安装过程中必须解决的问题.本文推导了永磁电机定子绕组相轴位置与电机设计参数关系的解析表达式,并分别以整数槽、分数槽绕组电机为例,将解析表达式求解结果与槽导体电势星形图分析结果进行对比;采用有限元方法分别计算了内外定子均为分数槽和内定子为整数槽外定子为分数槽两种情况下的双定子永磁电机电磁特性;最后测试了内外定子均为分数槽样机绕组的相电动势波形.研究结果表明:解析表达式分析结果与槽导体电势星形图分析结果完全一致,有限元分析结果与实验结果吻合很好,验证了理论分析的正确性.本文所得解析表达式能准确计算永磁电机定子绕组相轴位置,适用于三相60°相带分数槽双层分布式、集中式绕组电机及整数槽绕组电机.     

基于线圈子单元的永磁同步电机健康与定子绕组短路故障数学模型

针对相绕组为基本单元的永磁同步电机定子绕组短路故障数学模型，存在故障空间位置影响无法计及、不同短路故障需要重新建模，且无法研究健康状态时线圈对电机性能的贡献等问题，该文提出一种基于线圈子单元的永磁同步电机健康与定子绕组短路故障数学模型（APM）。首先，将每个线圈分割为多个线圈子单元，分别建立各子单元的电压、阻抗和空载反电动势等物理量的矩阵方程，利用基尔霍夫电压定律建立所有子单元的电压方程，建立电机的电磁功率和转矩方程。其次，利用有限元法和拟合法建立考虑槽内空间位置关系的线匝电感矩阵，通过矩阵变换得到计及位置信息的子单元电感矩阵。然后，在Matlab/Simulink中建立APM的仿真模型和图形化界面，通过修改抽头编号及图形化界面中短路电阻模块的连接位置，计算电机健康和不同类型定子绕组短路故障下的电磁特性。最后，有限元仿真和实验结果验证了模型的正确性和准确性，表明APM不仅可以精细地分析健康状态时线圈对电机性能的贡献，也可以高效、准确地分析线圈内部不同位置短路故障对电机性能的影响。该文研究可以为永磁同步电机的设计、故障诊断和容错控制提供依据。     

多三相分数槽集中式绕组容错电机匝间短路故障温度场分析

匝间短路是一种常见的电机绕组故障,会产生巨大的短路故障电流,导致绕组局部过热并使电机性能下降,造成严重的安全事故和连带损失。该文研究了一台多三相永磁磁阻电机在不同运行工况下匝间短路故障的电磁和热特性。通过精细化绕组建模将故障线圈和健康线圈加以区分,建立三维全域流固耦合仿真模型提高仿真精度。论文基于2D电磁模型和3D热模型的联合仿真分别探究了短路线圈位置、短路线圈匝数、负载电流以及转速对永磁电机匝间短路温度的影响,并加工一台功率为5kW的样机进行实验验证。实验结果验证了仿真模型的准确性,同时为预防匝间短路故障提供了依据。     

短路容错控制在多相无轴承永磁同步电机中的可行性分析

容错性作为多相无轴承永磁电机关键技术之一,其控制系统的可行性对提高整个电机的安全性和鲁棒性具有重要意义。本文对多相无轴承永磁电机短路故障下的控制模型及其短路电流表达式进行了推导。在此基础上,提出以某特定矩阵的三阶非零子式或其行秩作为短路容错控制的可行性判别依据。并以一台六相无轴承永磁电机为例,对其中任意一相、两相和三相绕组发生短路故障时的容错控制可行性进行了系统分析和归纳,且给出了该电机的短路容错控制系统框图。文中还利用有限元仿真对短路故障下的电机运行状态作了详细分析,并在一套原理样机平台上进行了实验验证。     

星–三角接法的多层绕组分数槽永磁电机谐波磁动势分析

为解决分数槽永磁电机电枢绕组磁动势中存在高幅值低次谐波这一难题,该文对多层绕组采用星-三角(Y-(35))接法的分数槽集中绕组永磁电机进行理论分析,推导出适用于任意匝数比例、机械角度差的谐波磁动势计算方法,并由三相电机推广到m相分数槽永磁电机。基于该方法,该文进一步以10极12槽分数槽永磁电机为例,研究如何利用Y-(35)接法的多层绕组结构抑制高幅值低次谐波磁动势的方法,并给出其绕组匝数比例、偏移角度的关系表达式。最后,利用有限元软件建立不同绕组层数、不同接法的三相10极12槽永磁电机的二维有限元模型。仿真结果表明,当多层绕组分数槽永磁电机采用给定的绕组匝数比和偏移角度的Y-(35)接法绕组时,可以有效抑制低次高幅值谐波,减少分数槽永磁电机中铁心和永磁体涡流损耗,提高电机的运行性能。     

直驱永磁电机绕组匝间短路故障研究

直驱永磁电机包括旋转结构与直线结构,其电磁负荷高,直接与负载相连接,电机的可靠性运行对系统安全非常重要,绕组匝间短路故障是其中一种重要的影响因素。本文以直驱永磁直线电机（PMLM）为研究对象,基于有限元方法分析了初级绕组匝间短路故障对电机性能的影响。首先介绍了直驱PMLM的拓扑结构与气隙磁场,分析了匝间短路对相电流与短路电流的影响,然后计算了短路匝数、短路位置对电机性能的影响,包括三相电流、短路电流、平均推力与推力波动,最后总结了匝间短路故障对PMLM性能的影响,为直驱系统的故障诊断与容错运行提供理论支持。     

永磁同步电机定子匝间短路故障阻抗参数分析

分析了正常和匝间短路故障状态下永磁同步电机(PMSM)等效电路模型,建立了PMSM的有限元分析模型,提出了故障状态下故障匝和正常匝电感的计算方法,得到了电机绕组电感、电流和输出转矩等参数与短路匝数的关系。分析结果表明故障状态下的转矩波动变大而平均值基本不变;三相绕组电流都会增加而发生短路故障的绕组相电流的增加幅度远大于正常相,短路电流随短路匝数的增加而减小;正常相的绕组电感基本不变,而故障相的绕组电感和短路匝的电感与短路匝数的平方有关。     

基于开口变压器法的交流电机定子非激励相绕组匝间短路检测研究

为了解决交流电机定子绕组中线圈绝缘损伤引起匝间短路故障无法准确、快速定位的问题,提出将检测转子绕组匝间短路的开口变压器法移植到检测交流电机定子绕组匝间短路,定子单相添加激励源,非激励相绕组设置故障点,开口变压器检测故障点所在槽,分析故障前后开口变压器绕组感应电动势的变化。首先阐述开口变压器检测定子非激励相的工作原理,分析正常和故障状态下通过开口变压器铁心漏磁通的表达式,进一步得到开口变压器绕组感应电动势表达式,获取故障变化规律。随后建立交流电机电磁仿真模型,进行仿真分析,最后用一台定子样机进行实验验证。结果表明：故障状态下,随着故障程度的加深,故障点所在槽的开口变压器感应电动势随之减小,证明了开口变压器可以作为离线检测交流电机定子非激励相绕组匝间短路故障的有效手段。     

单绕组无轴承永磁薄片电机缺相运行特性分析

针对无轴承永磁薄片电机因绕组或功率开关故障导致电机无法正常工作的问题,以六相单绕组无轴承永磁薄片电机为例,提出定子电流重构原则的缺相故障控制方法。该方法以电机的悬浮力和转矩数学模型为基础,结合功率最优约束条件,给出了更具通用性的定子电流缺相控制模型。通过对缺相后剩余定子电流及其产生的悬浮力脉动进行分析,得到可保证电机稳定运行的缺相形式,即任意一相绕组相邻两相和相对两相绕组故障可实现缺相控制,而对于相隔一个定子齿的两相绕组故障及缺相绕组个数大于2的故障形式无法实现缺相控制。最后,在一台原理样机上实现了任意一相和相对两相故障的缺相控制。     

磁导调制式永磁直线伺服电机的设计

为了削弱永磁直线伺服电机端部效应引起的推力波动,本文提出了基于磁导调制的永磁直线伺服电机设计方法。电机的初级采用开口槽,利用齿槽磁导与端部磁导相调制,使总磁导波均匀分布在奇数个永磁体磁极内。将磁导调制方法与分数槽绕组理论有机结合应用于永磁直线伺服电机的设计中,电机的初级绕组采用单齿集中成型线圈,具有短距与分布效应,且有工艺性好、绕组端部短、推力密度高的特点,有效地削弱了永磁直线伺服电机端部效应引起的推力波动。文中给出了磁导调制式永磁直线伺服电机设计方法的一般规则,并给出了一个每相2绕组的直线电机算例,样机的分析计算验证了所述方法的正确性。     

不同绕组连接方式下的六相永磁同步电动机MT容错控制

多自由度使多相电机具备了优异的容错能力。本文针对单中性点、双中性点及开端绕组结构的六相永磁同步电机,以缺相容错运行时输出转矩最大为目标,提出一种适用于不同绕组结构电机的容错电流计算通用表达式。通过对六相永磁同步电机缺一相故障状态下的自由度进行分析,计算了不同定子绕组结构下的容错电流,并给出相应的控制方法。对比三种不同绕组结构电机容错运行时的带载能力,开端绕组结构的六相永磁同步电机缺相容错运行时输出转矩最大。利用Matlab/Simulink建立了六相永磁同步电机模型及其控制系统,验证了计算结果的有效性。     

槽口宽度对分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩的影响

基于分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩产生的机理,运用能量法和傅里叶分解推导出分数槽集中绕组永磁电机的齿槽转矩解析式,确定气隙磁导平方的傅里叶分解系数与槽口宽度之间的相互关系,得到抑制齿槽转矩的槽口宽度计算方法。借助于Ansoft有限元软件,仿真分析不同极槽配合的永磁电机槽口宽度对齿槽转矩的影响。仿真结果表明,整数槽永磁电机的齿槽转矩随槽口宽度的增加而增加;分数槽集中绕组永磁电机选择合适的槽口宽度可显著抑制齿槽转矩,改善电机的转矩品质。采用有限元仿真与解析法两种计算方法,得到的齿槽转矩随槽口宽度变化的规律是相似的,验证了解析式的有效性,为精细化设计提供了依据。样机测试结果与有限元仿真值基本吻合,进一步验证了仿真方法的正确性。     

一种直驱永磁电机分数槽绕组的设计与分析

简要介绍了永磁电机常用的交流绕组组成。对比分析了采用不同节距对电机性能的影响,通过采用绕组系数计算及有限元参数分析说明选用双层距式分数槽结构的优势;并通过方案对比,验证了直驱永磁电机采用分数槽优于整数槽方案。     

基于绕组函数法的分数槽集中绕组永磁同步电机电感参数研究

利用绕组函数法量化分析分数槽集中绕组永磁同步电机相对于整数槽绕组电机的自感与互感特性,并推导出通用性规律,得出不同每极每相槽数时分数槽集中绕组永磁同步电机电感参数与同极数整数槽绕组的比值规律。利用有限元分析工具对该类绕组永磁同步电机的交直轴同步电抗进行分析,总结内置式转子磁极结构、带极靴表面式转子磁极结构分数槽集中绕组永磁同步电机的凸极率特性,并通过实验对计算结果进行验证。     

多相整流永磁同步发电机绕组内部相间短路的故障分析

该文将多回路法与有限元法相结合,建立了多相整流永磁同步发电机系统绕组内部相间短路的通用数学模型,可计算永磁电机正常及绕组内部故障工况的电气量分布,不仅适用于每相单分支的多相电机,还适用于每相多分支的情况。在一台特制的六相双分支永磁同步发电机样机上进行了故障实验,实验结果和仿真结果相吻合,验证了数学模型的正确性。在准确计算绕组电流的基础上,进一步计算了故障前后样机内部的温度场分布,结果表明故障导致样机内部温度不再均匀分布。根据仿真和实验结果,分析了该样机相间短路的故障特点,并说明了短路点附近明显升温对永磁电机的严重影响以及不同组三相绕组间相间短路引起整流桥中某些二极管过电流的潜在危害。该文研究为多相永磁同步发电机内部相间短路故障检测提供了依据。