变频供电条件下感应电机空载铁耗分布特点及其精细化分析

变频供电条件下电源谐波与电机内部谐波共同作用下损耗产生机理及分布特点更为复杂,使得电机铁耗准确计算及精细化分析对于高效变频电机设计至关重要。以一台5.5 k W变频感应电机为例,分析了变频供电时电机定转子主要位置磁密变化情况;为了准确计算铁耗,提出一种损耗系数随磁密幅值和频率变化的两项式分段变系数铁耗模型,该模型在经典两项式常系数铁耗模型基础上引入两个附加磁密项,用于考虑非线性特性及谐波磁场对磁滞和涡流损耗的影响;进一步利用该模型对变频供电时电机铁耗进行了精细化分析,揭示了定转子铁心磁滞和涡流损耗的分布规律,并获得了谐波磁场在定转子铁心产生附加铁耗的变化特点。通过对不同电压及开关频率下的空载铁耗进行实测对比,验证了文中模型及分析结果正确性。文中研究成果可为高效变频电机设计提供重要理论支撑。     

变频驱动下双斜槽转子感应电机径向电磁力特性分析

针对变频驱动下双斜槽转子感应电机振动性能研究的不足,对变频驱动下双斜槽转子感应电机的径向电磁力展开研究。首先从变频器的输出谐波特性出发,采用解析法分析了气隙磁通密度成分,并通过分析各个磁通密度谐波的相互作用得到了径向电磁力的幅值、阶次、频率的表达式。然后采用分层有限元法结合二维快速傅里叶分解,得到了平均径向电磁力的时空分布频谱。通过不同供电方式与不同转子结构下气隙径向电磁力的对比,发现双斜槽转子结构能够有效地削弱由变频供电引入的部分高频附加径向电磁力。最后通过实验对比不同供电方式下电动叉车用双斜槽转子感应电机机壳表面的振动频谱,进而验证分析的正确性。     

用于电机损耗精细化分析的分段变系数铁耗计算模型

提出一种用于电机损耗精细化分析的分段变系数铁耗计算模型,该模型以经典Bertotti三项常系数铁耗模型为基础,引入涡流损耗附加磁通密度高次项及磁滞损耗附加磁通密度低次项,用于考虑磁路饱和导致涡流损耗增加及谐波磁场引起局部磁滞损耗增加的现象,同时,该模型中主要系数均随磁通密度幅值和频率变化,能很好地反映基波及谐波磁场对铁耗的影响,并对磁滞、涡流及异常损耗进行准确分离,实现铁耗精细化分析。为了验证该文所提模型的有效性及准确性,以Y132S-4、5.5k W和YX3-250M-4、55 k W两台感应电机为例,利用文中模型与经典Bertotti三项常系数模型对两台电机在不同电压下的空载铁耗进行实测和计算对比,结果表明该文所提模型在较宽范围内与实测值吻合程度较高。     

供电电源包含谐波及不平衡共存时感应电机损耗特性

受系统中电源多样化及非线性负荷的影响,用户侧电源中会出现包含谐波及不平衡共存现象。当电动机运行在此类复杂电源质量条件下,会造成能效降低、温升增加,严重情况下会导致电机损坏,影响安全生产。为了研究供电电源包含谐波及不平衡共存时感应电机损耗特性,以一台5.5 kW笼型感应电机为例,设计了9种电源包含谐波及不平衡共存时的供电电源波形,进一步利用时步有限元法,分析了在上述不同供电电源波形情况下,电机内部定转子铁心磁密及转子导条电流密度的分布特点,并进一步分析了空载及负载情况下的损耗特性;最后通过试验验证了文中分析结果的正确性。     

分块转子磁通切换电机绕组理论及谐波特性的研究

从分块转子磁通切换电机结构特点出发,制定分块转子磁通切换电机的线圈绕组分布图和线圈电动势星形图的画法,基于此提出任意相分块转子磁通切换电机的相带划分方法,并通过有限元仿真验证了该相带划分方法的正确性,分析分块转子磁通切换电机单线圈谐波特性,基于该文制定的线圈电动势星形图,推导出适用于任意相分块转子磁通切换电机相绕组无偶数次谐波的齿极配合判据,通过有限元仿真验证了该判据的有效性。基于上述研究成果,研制了一台三相12/7电励磁分块转子磁通切换电机原理样机,实验验证了该文提出的分块转子磁通切换电机绕组相带划分法和无偶数次谐波齿极配合判据的正确性。     

一种非线性控制的感应电机转子磁通闭环观测及应用

在分析感应电机转子磁通开环观测器的频率响应的基础上 ,提出了一种非线性控制的感应电机转子磁通的闭环观测方法。设计了一种从电压模型到电流模型的磁通观测具有指数过渡过程的非线性控制器 ,改善了感应电机转子磁通观测的过渡特性 ,并将其应用到了模型参考自适应的感应电机闭环磁通观测与转速估计系统中 ,通过仿真与实验 ,验证了该转子磁通观测器的良好性能     

高速永磁爪极电机铁耗与空气摩擦损耗计算

高速电机由于采用高频电源供电,铁心损耗较常规电机突出,且高速旋转引起的空气摩擦损耗亦非常严重。此外爪极电机磁路结构复杂且其磁通呈三维分布,因此需要考虑三维磁场、高频谐波和高速旋转等因素,针对该种高速电机损耗计算模型进行研究。首先通过三维有限元电磁仿真软件对该种电机的磁场分布特点进行分析;然后采用三维正交交变磁化近似等效旋转磁化建立铁耗计算模型,并考虑高频谐波对其影响,通过与有限元软件计算结果对比,验证了计算模型的准确性;此外针对转子转速、转子表面光滑度、轴向风速等因素对空气摩擦损耗的影响进行分析;最后通过实验验证了铁心损耗和空气摩擦损耗计算方法的准确性。     

新型外永磁转子横向磁通爪极电机特性仿真

为了研究具有特殊结构的新型外永磁转子横向磁通爪极电机的运行特性,在对该种电机的结构特点以及运行机理进行分析的基础上,利用有限元分析软件,建立了该种电机的三维电磁场分析仿真模型,仿真得到了该种的电机的气隙磁密波形和电机整体的磁密分布;然后分析了该种电机的空载感应电动势及齿槽转矩的波形;最后用自行开发了外永磁转子横向磁通爪极电机的磁路仿真程序,并对该种电机进行了性能仿真研究,结果表明该种新型结构的横向磁通爪极电机具有良好的运行特性,为该种电机的深入研究打下了技术基础.     

三次谐波注入下多相感应电机稳态性能分析

针对采用3次谐波注入的非正弦供电多相感应电机,该文提出一种基于等效电路与分布磁路法的稳态性能迭代计算方法,对3次谐波注入参数对于电机稳态性能的影响规律进行定量分析。结果表明,当3次谐波注入满足气隙磁通密度中3次谐波与基波"峰谷相对",且3次谐波磁通密度幅值为基波的1/6时,谐波注入对电机稳态性能的优化效果达到最佳。以某型45kW十五相感应电机为对象进行计算与实验验证,结果表明,在气隙磁通密度最大值和电流有效值不变的情况下,采用3次谐波注入时的基波电压与输出功率相对无注入情况最大可提升约13%。     

混合励磁分块转子磁通切换电机电磁特性分析

为了提高电励磁转子分块式磁通切换电机转矩密度和功率密度,提出一种混合励磁分块转子磁通切换电机拓扑,通过在定子齿开槽,嵌入径向充磁的永磁体,提高了电机的转矩密度和功率密度。介绍了电机的工作原理、磁通切换方式和基本参数尺寸设计。通过有限元仿真得出静态永磁磁场分布、永磁磁链、反电势和定位力矩。与典型混合励磁磁通切换电机的调磁磁性能进行对比研究。有限元仿真结果表明:混合励磁分块转子磁通切换电机具有高转矩密度、高功率密度、强容错能力、强调磁能力,适合用于启动发电系统。     

高速实心转子感应电机的转子谐波涡流损耗的分离和提取

高速实心转子感应电机主要应用于高速压缩机、飞轮储能、航空航天等领域,具有广阔发展前景。和其他拓扑结构的转子相比,实心转子具有较强的端部效应,导致转子涡流损耗进一步加剧。针对高速实心转子感应电机的转子谐波涡流损耗的分离和提取问题,以一台380 V,1 MW,12 000 r/min高速实心转子感应电机为主要研究对象,采用二维傅里叶分解方法,精确提取气隙磁场谐波特性,以虚拟永磁谐波电机模型为基础,反向构建气隙谐波磁场用以激励实心转子实现转子谐波涡流损耗的提取;结合混合激励法以及冻结磁导率法,进一步精确考虑了不同负载情况下由材料非线性导致的感应谐波涡流透入深度的变化。采用有限元建模方法,对比了采用混合激励法和冻结磁导率法提取的转子谐波涡流损耗以及感应涡流的分布。该方法为后续对转子谐波涡流损耗进行有效抑制提供了理论基础。     

论变频电源对小型变频变压异步电动机损耗的影响

由于变频电源的输出含有大量的高次谐波,这些谐波会产生相应的铜耗和铁耗,使电机固定损耗增加,电机温升增高,降低运行效率和功率因数,因此变频电源供电下电动机的谐波损耗是一个大问题。     

不同转子齿数电励磁分块转子磁通切换电机谐波特性影响的对比研究

针对不同转子齿数对电励磁分块转子磁通切换电机(ESFSM)的磁链和反电势谐波特性的重要影响,分析了电机磁通切换的工作原理,以三相定子12齿电机结构为例,从理论上对比研究了典型转子齿数(7和8)两种结构电机磁链和反电势的谐波分布特性。研究结果表明,12/7结构较12/8结构有无偶数次谐波的优点,采用有限元法提取了两种结构电机的磁链和反电势并进行傅里叶分析,分离出奇数次和偶数次谐波含量,验证了理论分析的准确性。研究结果为分块转子开关磁链电机转子齿数的设计提供了理论依据。     

一种外转子可变磁通永磁记忆电机设计与弱磁性能分析

设计了一种外转子可变磁通永磁记忆电机,利用Ansoft Maxwell 2D仿真软件建立了电机模型,给出了永磁材料磁化特性和电机工作模型。采用有限元分析方法,对电机的弱磁性能进行探究,给出了电机施加不同直轴去磁电流时的磁力线分布、相磁链曲线、反电动势曲线和磁通密度分布曲线。仿真结果表明,该电机具有良好的弱磁性能,其调磁过程主要通过改变铝镍钴永磁体的磁化水平实现。     

定子永磁式双转子电机设计与实验研究

提出一种应用于混合动力汽车驱动系统的新型定子永磁式双转子电机,即将双转子电机概念与永磁磁通切换电机相结合,以获得高转矩密度、低转矩脉动及高功率密度,满足混合动力系统对于小型轻量化及平稳运行的需求。本文对新型定子永磁式磁通切换双转子电机的拓扑结构及其混合动力驱动系统的工作原理进行了介绍,详细分析了内外电机的设计方法及基于转矩脉动最小的尺寸优化,并利用有限元方法对电机电磁性能进行了仿真。仿真表明了电机设计的合理性,通过原理样机实测数据验证了电机设计的有效性,并显示了内外电机具有的快速响应性能,说明此结构双转子电机可有效提高转矩密度,减小转矩脉动,通过合理设计能满足HEV应用功率需求。     

新型磁通切换外转子电机优化设计和瞬态联合仿真

参考内转子电机,设计了一种新型的12/22极的磁通切换外转子电机。该电机集合了磁通切换电机和外转子电机的优点,具有高功率密度和转矩密度。首先,利用有限元软件对电机参数化建模,并通过有限元分析研究电机特性,然后对电机主要的结构参数进行优化,达到减小定位力矩和增大输出转矩的目的,通过仿真分析确定电机最佳结构尺寸,改善电机运行性能。最后,利用Maxwell和Simplore软件建立该电机的多物理场瞬态联合仿真模型,通过仿真分析证实该电机设计和优化的尺寸的合理性,也证实了该控制策略的可行性。     

变频供电条件下异步电机空载磁场及损耗分布特点

以一台空间矢量脉宽调制(SVPWM)供电的5.5 k W异步电机为例,利用时步有限元法分析不同载波频率和调制比下电机定转子铁心磁密变化规律及其对损耗密度分布的影响。结果表明,变频供电时,定转子铁心磁密谐波主要集中在定子齿顶区域,随载波频率增加,电机总铁耗下降,但总体变化较小;调制比增加导致变频器输出电压谐波含量降低,电机内部定子铁心谐波损耗密度减小,电机总损耗随调制比增加而降低。对不同载波频率和调制比空载运行状态进行试验对比,验证了分析的正确性。     

双极性分块转子开关磁阻电机

针对单极性励磁时四相8/6结构分块转子开关磁阻电机的定子磁通冲突问题,把双极性励磁方法应用于四相8/6结构分块转子开关磁阻电机,基于2D有限元建立双极性分块转子开关磁阻电机的场路耦合模型,计算双极性分块转子开关磁阻电机的电流、转矩及铜耗,并在(r,θ)坐标系中细致描述定子铁心和转子铁心特征区域的磁密周期性变化规律,最后应用双频法分离铁损获得铁心的涡流损耗和磁滞损耗.计算结果表明,与同等双极性励磁的8/6结构双极性普通开关磁阻电机相比,8/6结构双极性分块转子开关磁阻电机的转矩脉动大,但铜耗减小约32%,铁耗减小约35%.     

转子轴向通风孔对高压感应电机性能的影响

为了有效降低电机温升对空空冷却方式的高压感应电机转子轭部开轴向通风孔,但原来基于磁路的算法计算出的电机铁耗、功率因数、额定电流等电磁性能与实际偏差较大;针对此问题提出基于有限元的场—路—运动耦合分析方法,以YXKK355-4、355 kW电机为例,利用电机的基本数学模型和实际的物理模型,对不同通风方式的电机建模,分析电机谐波磁场、气隙磁密等电磁参数;基于有限元的方式改进了传统三项式计算铁耗的模型,得到与试验值相近的结果;最后,基于轴向通风孔对转子磁场影响的分析结果,给出一种改进型通风孔的方案,为今后转子轴向通风孔设计提供理论依据。     

考虑铁耗的感应电机模型及对矢量控制的影响

为了探讨感应电机铁耗所造成矢量控制器控制性能下降的主要因素,从感应电机的定、转子铁耗出发,得到d-q同步旋转坐标系下,考虑铁耗的感应电机串联等效电路,并建立了考虑铁耗的感应电机状态模型.在电机参数辨识准确的情况下,借助电机状态模型,分析得到铁耗对感应电机矢量控制的磁场定向角产生偏差,电机实际输出转矩减小,电机转速的动态响应变慢.通过Matlab/Simulink仿真,验证了分析的正确性,体现了铁耗补偿对提高感应电机矢量控制性能的必要性,并为感应电机矢量控制器的铁耗补偿算法设计提供了理论参考.