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.     

新型16相磁悬浮开关磁阻电机解耦特性及数学模型

针对传统磁悬浮开关磁阻电机转矩与悬浮力的控制耦合问题,提出一种采用混合转子齿的新型16相磁悬浮开关磁阻电机。将转子齿划分为转矩齿和悬浮力齿,并增大悬浮力齿的极弧,消除了悬浮力调节对转矩的影响,分块转子结构和短磁路励磁消除了不同绕组间的磁力线耦合。在Ansys Maxwell 2D中建立样机模型进行磁链仿真,结果表明,该结构实现了转矩与悬浮力的解耦控制。求解了电机转矩和悬浮力的数学模型,通过有限元仿真软件验证了数学模型的正确性,为该电机悬浮力和转矩控制提供了依据。     

宽转子无轴承开关磁阻电机的计及磁饱和径向力模型

针对无轴承开关磁阻电机现有的基于无磁饱和假设的数学模型只适用于未磁饱和工况的缺点,为宽转子单绕组无轴承开关磁阻电机建立了一种可以计及磁饱和影响的全周期径向力数学模型。首先依据该电机的磁场有限元分析结果,基于麦克斯韦应力法求出了径向力关于气隙磁密的表达式;然后对铁心材料的非线性磁化特性进行拟合,再根据该电机的等效磁路计算了计及磁饱和影响的气隙磁密;之后建立了该电机的径向力模型,并在对比分析了边缘气隙磁密和主气隙磁密对径向力的影响后,对所建径向力模型进行简化,以减小计算量和复杂度。最后利用三维有限元分析进行验证,结果表明所建径向力模型对该电机未磁饱和、部分磁饱和以及完全磁饱和工况均适用。计及磁饱和的全周期径向力模型的建立,可以为电机运行特性分析、本体优化设计以及控制策略研究提供更准确的理论参考。     

单绕组磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型

针对现有的单绕组磁悬浮开关磁阻电机在建立数学模型时常忽略磁饱和影响的不足,利用麦克斯韦应力法,结合等效磁路分析法,推导了考虑磁饱和特性的单绕组磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型。以一台样机为例,建立有限元仿真模型,同时对比基于虚位移法推导所得的数学模型,验证数学模型的正确性和优越性,为电机的运行特性分析、本体优化设计以及控制策略研究提供更准确的理论依据。     

无轴承开关磁阻电机麦克斯韦应力法数学模型

针对已有基于虚位移法的无轴承开关磁阻电机数学模型推导复杂的缺限,从麦克斯韦应力法角度出发,建立了考虑电机磁饱和特性的数学模型。在大电流饱和状态下,该模型有效地描述了电机产生的径向悬浮力和电磁转矩。利用有限元分析的方法验证了该模型的优良特性。试验结果显示利用该模型能够很好地实现电机稳定悬浮,表明采用麦克斯韦应力法建模的正确性和可行性。该方法的应用为研究无轴承开关磁阻电机电磁力分布提供了新的思路。     

无轴承开关磁阻电机径向电磁力模型

针对现有无轴承开关磁阻电机数学模型忽略磁饱和或对磁饱和考虑不充分的不足,将麦克斯韦张量法和磁路分析法结合起来,提出了一种计算无轴承开关磁阻电机径向电磁力的方法.该方法考虑了电机运行过程中磁饱和以及转子的偏心位移,能够准确的描述电机径向电磁力的特性,为电机运行状态的离线分析和电机的设计提供了更为可靠的理论依据;该模型同时为无轴承开关磁阻电机电磁振动和噪声的预测与控制提供了理论依据.以一台实验样机为例,建立了考虑磁饱和的无轴承开关磁电机有限元分析模型.仿真结果证明了该解析模型的有效性.     

考虑磁饱和的共悬浮绕组式无轴承开关磁阻电机径向力模型

无轴承开关磁阻电机一般工作在磁路饱和状态,其径向力解析模型的建立是实现稳定悬浮控制的基础.针对无轴承开关磁阻电机径向力的严重非线性问题,提出了一种用一次线性关系描述材料磁化特性的拟合方法,利用该方法针对一台共悬浮绕组式无轴承开关磁阻电机求取了气隙磁场强度,并利用麦克斯韦应力法推导了考虑磁饱和的全周期径向力解析模型.搭建了样机的有限元模型并进行了仿真分析,将仿真结果与线性模型、考虑磁饱和的径向力解析模型计算结果比较,验证了在大电流饱和状态下该模型的准确性.所建的径向力解析模型无需分段,即可在整个电机工作区计算电机径向力,将其应用于控制系统中具有计算速度快、通用性强的特点,为无轴承开关磁阻电机控制策略的研究奠定了理论基础.     

一种新型的磁悬浮开关磁阻发电机

为了减弱传统磁悬浮开关磁阻发电机内悬浮力绕组与发电绕组之间存在的强耦合问题,并改善悬浮力性能,提出了一种新型的磁悬浮开关磁阻发电机。结合电机结构说明了运行机理,并基于磁通分布以及绕组磁链的有限元计算结果推导了数学模型。该发电机的混合定子上依次设置悬浮极和发电极,可以减弱悬浮和发电子系统的耦合影响,实现二者的独立控制,并且悬浮极与转子齿的对齐面积等于转子齿宽,可以在发电机运转过程中产生恒定的悬浮力,增强径向负载能力,改善悬浮性能。有限元仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。     

基于转子偏心坐标系的无轴承永磁薄片电机径向悬浮力模型

针对无轴承永磁薄片电机(BPMSM)运行时转子悬浮不够稳定的问题,研究了影响BPMSM转子悬浮性能的主要因素,即转子径向悬浮力模型。依据位移补偿控制理论和角坐标系的概念,建立了新的转子偏心坐标系。在转子偏心坐标系下,基于麦克斯韦应力张量法,利用积分和三角变换推导了转子径向悬浮力模型,并设计悬浮力绕组电流直接控制系统。建立电机的有限元模型,通过对比径向悬浮力的有限元分析结果与数学模型计算结果,验证了所推导数学模型的正确性与准确性。     

无轴承永磁薄片电机的新型单绕组结构及其精确控制

针对双绕组无轴承永磁薄片电机绕组间绝缘要求高、槽满率低、电机漏磁大等缺点,提出了一种新型单绕组无轴承永磁薄片电机(M-BPMSM)结构,在每相绕组端部通入转矩电流,同时在绕组中点处注入悬浮力电流,实现薄片转子的旋转和悬浮。阐述了M-BPMSM的悬浮力产生原理,推导了其径向悬浮力的精确数学模型。在该模型的基础上建立了一种悬浮力双闭环补偿控制策略,当电机负载变化导致悬浮力幅值和方向改变时,使用该策略可以对径向悬浮力进行补偿,实现悬浮力的精确控制。利用MATLAB软件构建了仿真系统,仿真结果表明:采用悬浮力双闭环补偿控制策略对M-BPMSM进行控制,径向悬浮力具有较高的控制精度和较快的响应速度,且具有良好的动、静态性能。     

感应型无轴承电机的优化气隙磁场定向控制

由于悬浮力与转矩之间以及水平、垂直悬浮力之间的耦合，动态过程中感应型无轴承电机转子的悬浮将变得不稳定。针对磁悬浮力是定、转子间气隙磁密有源不平衡结果的概念，该文建立了感应型无轴承电机气隙磁场定向控制模型，进行了起动及突加负载大动态过程稳定悬浮的运行仿真。然而负载运行中转子参数变化和铁磁非线性饱和的影响，定向用气隙磁通发生了幅值及相位的变化，破坏了两正交悬浮力间的解耦条件，影响了转子的稳定悬浮性能。对此，该文又提出了一种优化气隙磁场定向控制策略和系统，通过对气隙磁链幅值和相位的实时修正，实现了在气隙磁场定向基础上的动态解耦控制，有效地提高了考虑参数变化及计及饱和时感应型无轴承电机的实际悬浮运行能力，为实际系统的动态解耦控制提供了实施途径。     

新型交替极无轴承永磁电机的原理与实现

传统永磁型无轴承电机悬浮力和转矩控制存在耦合，该文对一种新型交替极转子结构的无轴承永磁电机的磁悬浮原理进行了深入分析和数学建模，指出该类型电机所具有的独特的悬浮控制和转矩控制解耦的特点，并构建了无轴承交替极永磁电机的实时控制系统。实验结果表明实现了该新型无轴承永磁电机的动、静态稳定悬浮，验证了悬浮与转矩控制解耦的特性。     

单绕组无轴承永磁薄片电机的原理和实现

研究了一种单绕组无轴承永磁薄片电机的工作原理和结构设计。摒弃了传统无轴承电机的双绕组结构,采用一套绕组实现电机转子悬浮和旋转。推导了单绕组无轴承永磁薄片电机径向悬浮力的数学模型,给出相应的控制策略和功率系统设计方案。制作了实验样机,并做了空载和负载实验。实验样机调试结果表明,单绕组无轴承永磁薄片电机成功实现了包括径向、轴向和扭转等方向的5自由度全悬浮。     

无轴承永磁薄片电机径向悬浮力精确数学建模

无轴承永磁薄片电机具有薄片转子的特殊结构,为了采取有效方法控制转子偏心位移、使转子稳定悬浮,研究的关键在于获得无轴承永磁薄片电机精确的径向悬浮力数学模型。在介绍无轴承永磁薄片电机的结构和工作原理基础上,对无轴承永磁薄片电机气隙磁场进行了详细分析,基于麦克斯韦应力张量法推导了其径向悬浮力数学模型,最后对比验证了利用有限元方法的计算结果和样机实验对数学模型的理论计算结果。验证结果表明,该方法建立的径向悬浮力数学模型误差小、精确度髙。     

感应型无轴承电机磁悬浮力解析模型及其反馈控制

由于负载、干扰和径向位移检测误差，无轴承电机悬浮运行时定、转子中心并不重合，产生偏心，影响了其稳定悬浮控制性能。该文从运行原理出发，建立了计及定、转子定位偏心的感应型无轴承电机磁悬浮力的较精确解析模型，采用电机电磁场分析软件ANSOFT验证了它的精度。应用这个模型实现了悬浮力的实时观测，在传统气隙磁场定向矢量控制系统基础上添加了悬浮力的闭环控制，有效地提高了感应型无轴承电机稳定悬浮运行的动、静态性能。     

磁悬浮无轴承电机悬浮力绕组励磁及控制方式分析

该文对磁悬浮无轴承电机悬浮力绕组的励磁及控制方式进行了分析。从磁悬浮无轴承电机的运行原理出发,通过将1台该种电机等效成具有不同极数的2台电机,研究电机内磁场和转子的相对运动,得出绕组极数选取方案与等效电机工作状态的关系。进一步推导出绕组极数选取方案与悬浮力绕组励磁方式的关系。从中可以看出绕组极 数选取方案决定悬浮力绕组的电能传递方向及它的励磁方式。针对悬浮力绕组存在的两种励磁及控制方式,重点讨论了悬浮力绕组工作在自励方式时,控制悬浮力绕组励磁电流的方法。提出一种采用逆变器并联电容器的新方法,该方法通过PWM逆变器控制悬浮力绕组中励磁电流。最后,进行了实验研究。     

永磁偏置径向磁轴承的原理分析与参数设计

为克服现有永磁偏置径向磁轴承的缺陷,研究了一种磁悬浮高速电动机用永磁偏置径向磁轴承,利用等效磁路法分析其结构及工作原理,得出了径向悬浮力的数学模型,并对数学模型进行了线性化处理,得出了其径向力-位移系数和力-电流系数。给出了磁极面积、控制绕组、定转子结构等主要参数的设计方法,并制作了实验样机,对样机进行了三维有限元仿真分析和动静态悬浮实验。理论研究和实验结果表明,该型磁轴承转子磁滞损耗小,结构紧凑,控制简单,悬浮性能良好,给出的参数设计方法合理。