新型磁悬浮开关磁阻电机的有限元分析

为了解决传统的磁悬浮开关磁阻电机定子同一齿极上的转矩绕组与悬浮力绕组的强耦合的问题,本文提出一种采用了混合定子极的新型8/10极磁悬浮开关磁阻电机模型。混合定子中都只有一套绕组,其中四极产生转子所需转矩,另外四极产生转子回到平衡位置的径向力。本文利用Ansoft软件建立电机模型,进行了静态转矩特性仿真、电磁径向力数值计算和动态仿真研究。仿真结果为此新型电机的优化设计和进一步研究提供了理论依据。     

一种混合双定子磁悬浮开关磁阻电机

针对传统磁悬浮开关磁阻电机(BSRM)存在的多变量非线性强耦合问题,并以提高系统悬浮输出能力、降低悬浮功耗为目的,提出一种混合双定子磁悬浮开关磁阻电机(HDSBSRM)。该电机采用内、外双定子结构,外定子与内定子共用一套转子结构,内定子通过引入轴向充磁型永磁环,为产生主动可控悬浮力提供稳定偏置磁场。在介绍其拓扑结构和工作原理的基础上,推导了径向悬浮系统的数学模型,分析了基本电磁特性和解耦特性,验证了其主绕组与悬浮力绕组以及两自由度悬浮力绕组之间具有的自解耦特性。并就其悬浮输出能力和悬浮功耗等方面,与传统双定子磁悬浮开关磁阻电机进行了比较,验证了其具有高悬浮输出和低悬浮功耗的优点,表明所提HDSBSRM结构的合理性与优越性。     

混合励磁双定子磁悬浮开关磁阻电机电磁特性分析

针对传统电励磁双定子磁悬浮开关磁阻电机受内定子尺寸限制,不能产生较大悬浮力的问题,提出一种新型混合励磁双定子磁悬浮开关磁阻电机,将电励磁与高性能稀土永磁材料相结合,提高径向承载能力。在分析该电机结构与工作原理的基础上,构建等效磁路并进行分析计算,获得悬浮力计算模型;利用有限元方法仿真分析电机的静态电磁特性,如悬浮力特性、电感特性、转矩特性、偏心特性、永磁体对电磁性能的影响,并与传统电励磁双定子磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力特性进行比较,仿真结果验证了所提出电机在结构上能够实现悬浮力与转矩的解耦,同时具有较大的径向承载能力。     

磁悬浮开关磁阻电动机转子径向偏心时的仿真

磁悬浮开关磁阻电动机结合了开关磁阻电动机和磁轴承的特点,通过电磁力控制转子径向位置。分析了磁悬浮开关磁阻电动机悬浮力和旋转力的产生原理。基于开关磁阻电动机转子的四个特殊位置,利用二维有限元方法分析了转子位于中心位置与有径向偏心时的电机内部磁场,给出了磁场分布图、径向悬浮力与径向偏心矩的关系曲线、旋转力与径向偏心矩的关系曲线,为进一步描述磁悬浮开关磁阻电动机悬浮力与旋转力的模型提供了依据。     

用于飞轮储能的单绕组磁悬浮飞轮电机径向力补偿方法

将开关磁阻电机定、转子位置互换,定子极上仅有一套可同时产生悬浮力和转矩的绕组,每套绕组独立控制,转子直驱飞轮,省去机械传动装置,得到更适用于飞轮储能的单绕组磁悬浮飞轮电机。精确的数学模型是稳定控制电机的基础,针对麦克斯韦应力法对积分路线的选取较为敏感的问题,运用有限元分析其电磁特性,引入径向力修正系数,推导出单绕组磁悬浮飞轮电机径向力较精确的数学模型。为保证单绕组磁悬浮飞轮电机能在绕组发生故障时正常悬浮,考虑径向力系数随角度的变化的趋势以及不同齿极下径向力系数的差异,提出无β方向约束径向力补偿和有β方向约束径向力补偿方法。结果表明所提出的补偿方法具有可行性和较高的精确性。     

双定子磁悬浮开关磁阻电机直接转矩与直接悬浮力控制

研究一种双定子磁悬浮开关磁阻电机。该电机采用内-外双定子结构,内定子和外定子上分别设置悬浮力绕组和转矩绕组。在结合拓扑结构说明其运行原理的基础上,针对该电机同时存在转矩脉动和悬浮力脉动过大的问题,提出了直接转矩(DT)与直接悬浮力控制(DSFC)策略。比较了传统方波控制策略与所提控制策略下系统的转矩脉动、悬浮力脉动以及转子径向位移波动。仿真结果表明:DT/DSFC不仅能提高系统动态响应速度,而且有效抑制了转矩和悬浮力脉动,削弱了转子径向抖振,验证了所提控制策略的有效性与优越性。     

基于有限元分析的磁悬浮开关磁阻电机数学模型的全角度拓展

针对磁悬浮开关磁阻电机在定转子齿极非交叠区间的模型空白,推导了该区间的数学模型.在对电机磁场进行有限元分析的基础上,确定了磁路分割方案,推导了各部分磁导及各绕组自感和相互之间的互感表达式,进而根据机电能量转换原理,推导了径向悬浮力及电磁转矩的表达式,从而完整了磁悬浮开关磁阻电机一个相周期全角度范围内的数学模型.有限元数值验证结果证明了模型的正确性.     

一种磁悬浮直线开关磁阻电机悬浮模块设计与分析

磁悬浮直线开关磁阻电机继承了直线开关磁阻电机的优点,结合有效的悬浮设计方案,在磁悬浮运输系统中具有一定的应用潜力。研究了磁悬浮直线开关磁阻电机的悬浮模块及其改进结构,分析磁场分布和磁路模型,在此基础上,利用有限元软件进行仿真,通过结果分析发现所提出结构具有天然解耦的结构特点,可以实现悬浮力控制和推力控制解耦以及悬浮力控制与动子前进位置解耦,通过线性调节悬浮电流即可线性控制悬浮力,使悬浮电流控制为标量控制,大大降低了悬浮控制系统的复杂性。此外,改进结构可以有效提高悬浮电流利用率,减小悬浮绕组损耗。     

双定子磁悬浮开关磁阻电机的转子位置角自检测EI北大核心CSCD

以一种双定子磁悬浮开关磁阻电机为研究对象,该电机的悬浮力绕组和转矩绕组分别绕制在内、外定子上,两绕组独立控制,可以减小系统的控制难度。针对其安装传统位置传感器容易导致系统体积、成本和复杂度增加,适应性和可靠性降低的问题,该文研究了基于转矩绕组动态电感模型的转子位置自检测方法,并且利用转矩绕组电压脉冲激励法确定电机起动时转子的初始位置。该方法物理意义明确,适用的转速范围宽,对处理器实时运算速度的要求也不高,比较容易工程实现。最后,实验结果表明该方法能较准确地估计该双定子磁悬浮开关磁阻电机的位置。     

无轴承开关磁阻电机磁饱和特性的电磁场分析

阐述了无轴承开关磁阻电机径向悬浮力产生的原理,考虑电机内复杂的磁场饱和情况,定性分析了主、副绕组电流大小对悬浮力的影响.计及磁场饱和,建立了无轴承开关磁阻电机的有限元分析模型,以一台3kW样机为例计算了各种主、副绕组电流组合时的转矩与悬浮力.数值计算结果验证了定性分析所得结果,表明无轴承开关磁阻电机在运行中存在比传统开关磁阻电机更加复杂的磁饱和现象,磁饱和使得电机悬浮力与绕组电流关系严重非线性,而且悬浮力大小并非总是随绕组电流的增加而增加,存在随电流增加悬浮力减小的情况,这必然给稳定悬浮控制带来困难.     

Radial Force Analytic Modeling for a Novel Bearingless Switched Reluctance Motor When Considering Rotor Eccentricity

Abstract—Analytic modeling of radial forces is proposed for the novel bearingless switched reluctance motor, where the rotor eccentricity is taken into account. The novel bearingless switched reluctance motor's model is never disclosed, even though there are many advantages, such as fewer suspension windings and simpler control circuit and algorithm, when compared to the conventional bearingless switched reluctance motor. The analytic model of radial forces is very important to achieve this new bearingless switched reluctance motor's suspension control. The rotor eccentricity is a key cause to affect the radial forces. This article calculates the air-gap permeances through considering rotor eccentricity. The self-inductance and mutual-inductance expressions of the motor torque windings and the suspension windings are derived by using the magnetic equivalent circuit method. The derived radial force model discloses the effects of winding currents, rotor position angle, and rotor eccentricity displacement. The finite-element analysis based results verify the built model.     

基于三相半桥功率变换器的无轴承开关磁阻电机绕组结构分析

无轴承开关磁阻电机兼有开关磁阻电机和磁轴承的优点。功率变换器是无轴承开关磁阻电机的重要组成部分,其控制绕组电流,对电机旋转和悬浮性能有重要影响。悬浮绕组功率变换器采用三相半桥结构时,由于负载的不对称,存在中点电压漂移问题。该文简要介绍了电机悬浮原理和数学模型,将功率变换器和电机作为一个整体,分析了中点电压漂移的原因及绕组配置对中点电压的影响。给出了5种绕组结构形式下,各相悬浮力之和及其对中点电压的影响。通过合理配置绕组结构,使电机在恒定径向负载的情况下,中点电压波动大为减小。给出了4种优化的无轴承开关磁阻电机绕组结构。实验结果证明了理论分析的正确性。     

Torque and suspension force in a bearingless switched reluctance motor

Bearingless switched reluctance motors, which can control rotor radial positions with magnetic force, have been proposed. The bearingless switched reluctance motors are characterized by integration of switched reluctance motors and magnetic bearings. These motors have two kinds of stator windings composed of motor main windings and suspension windings in the same stator in order to produce suspension force that can realize rotor shaft suspension without mechanical contacts or lubrication. For successful stable operation, accurate theoretical formulas of instantaneous torque and suspension force are necessary to a rotational speed controller and a rotor radial position controller. This paper derives the theoretical formulas of the instantaneous torque and the suspension force from an assumption of simple permeance distribution. This derivation process makes an assumption that fringing fluxes are distributed on elliptical lines. It is shown with experimental results that the derived theoretical formulas are very accurate in terms of practical application. © 2006 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 157(2): 72–82, 2006; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20157     

无轴承开关磁阻电机转子质量偏心补偿控制

由于机械不平衡原因,无轴承开关磁阻电机存在转子质量偏心的问题,这会导致额外的不平衡径向磁拉力,从而使电机的悬浮精度变差,这也是限制电机高速时转速进一步提升的重要因素。分析转子质量偏心对电机悬浮性能的影响,介绍悬浮转子振动控制原理,设计基于最小均方（least—mean—square,LMS）算法的白适应凹陷滤波器,将其加入到无轴承开关磁阻电机（bearinglessswitchedreluctancemotor,BSRIV1）系统中,利用Matlab／Simulink对该振动控制方法进行仿真研究,最后在一台实验样机上进行实验验证。结果表明,基于LMS算法的白适应凹陷滤波器能够在不同的电机转速条件下有效补偿转子的同频振动位移,抑制转子偏心振动,提高转子悬浮精度。     

宽转子无轴承开关磁阻电机的转子极形优化

为了解决宽转子无轴承开关磁阻电机由于开关型供电方式以及双凸极铁心结构在运行过程中容易导致转矩脉动很大的问题，本文对其转子极结构进行改进，提出在转子极两侧开槽的优化设计方案。旨在通过增大开槽处的气隙磁阻，提高用于产生转矩的切向分量的气隙磁密，从而降低转矩脉动。对所开槽进行参数化处理，使用控制变量法分析各开槽参数对转矩性能的影响，以性能指标最优为目标确定开槽参数。利用场路耦合的方法将电机有限元分析模型和直接瞬时转矩控制电路模型结合起来，实现电机系统的动态运行。仿真结果表明转子极开槽后能够有效降低宽转子无轴承开关磁阻电机的转矩脉动，提升平均转矩，并且对径向悬浮力的影响很小。     

一种磁悬浮开关磁阻电机的自适应控制器

磁悬浮开关磁阻电机结合了同步电机和磁轴承的优点.本文考虑到电机参数的时变性,设计了适用于磁悬浮开关磁阻电机的自适应控制器,并对其进行了仿真.仿真结果表明了该控制系统具有良好的动静态性能.     

无轴承开关磁阻电机控制策略综述

无轴承开关磁阻电机结合了磁轴承与开关磁阻电机的双重优点,在航空、高速等领域具有非常广阔的发展前景。该文简要地介绍了无轴承开关磁阻电机的工作原理及其数学模型,总结了近年来无轴承开关磁阻电机在控制策略方面的研究成果,并对主要控制策略的优缺点进行了分析和比较。最后指出了无轴承开关磁阻电机未来的研究和发展方向。     

新型混合励磁磁悬浮开关磁阻电机基础研究

为了实现磁悬浮开关磁阻电机(BSRM)转矩和悬浮力的自然解耦,提出了一种新型混合励磁磁悬浮开关磁阻电机(HEBSRM)。新型HEBSRM由12/14极BSRM、环形永磁体和径向磁轴承三部分组成。12/14极BSRM的转矩极和悬浮极之间嵌有隔磁环,使转矩磁通路径完全独立于悬浮磁通路径,从而在结构上实现转矩与悬浮力解耦。此外,详细推导了电机径向悬浮力的数学模型,并且通过有限元分析验证了新型HEBSRM结构的合理性。