高密度AFIR盘式车轮永磁电机设计

尺寸方程直接评估电机性能的优点是迅速简便的,其准确度主要取决于气隙磁密Bg的估计值.要提供准确的AFIR(axial flux inner rotor)永磁电机气隙磁密Bg,需采用三维有限元法.但三维有限元法计算量大,时间长.本文采用集中参数磁网络模型为尺寸方程提供了AFIR盘式永磁电机的气隙磁密,运用尺寸方程与集中参数磁网络模型相结合的方法对AFIR盘式车轮永磁电机进行了设计,设计结果与有限元计算以及实验测试结果相近,证明了该方法的有效性.     

高密度AFIR盘式车轮永磁电机设计

尺寸方程直接评估电机性能的优点是迅速简便的，其准确度主要取决于气隙磁密Bg的估计值。要提供准确的AFIR(axial flux inner rotor)永磁电机气隙磁密Bg，需采用三维有限元法。但三维有限元法计算量大，时间长。本文采用集中参数磁网络模型为尺寸方程提供了AFIR盘式永磁电机的气隙磁密，运用尺寸方程与集中参数磁网络模型相结合的方法对AFIR盘式车轮永磁电机进行了设计，设计结果与有限元计算以及实验测试结果相近，证明了该方法的有效性。     

磁通切换型永磁电机非线性磁网络分析

提出了一种磁通切换型永磁电机(Flux-Switching Permanent Magnet,FSPM)的通用非线性磁网络模型,该模型可以考虑磁场饱和的影响,能对气隙磁通密度分布、电枢线圈永磁磁通和感应电动势等电磁性能进行计算。针对一台三相定子12槽/转子10极的磁通切换永磁电机,首先建立了该电机的原始磁网络模型,并利用有限元法进行了验证。然后基于原始模型,进一步综合考虑局部饱和影响,提出了初始模型。为了进一步提高磁网络分析的精度,在初始模型基础上,又提出了两种新的磁网络模型——多段永磁支路模型和导磁桥模型,其计算结果更为精确。上述磁网络模型的分析结果均得到了二维有限元计算和实验结果的验证。通过对比可知,上述磁网络模型中导磁桥模型具有最高的分析精度。     

无槽永磁直线同步电动机的设计研究

建立无槽永磁直线同步电动机的物理模型和线性解析模型;在此基础上,主要对电机从确定结构类型、材料的选择、永磁体尺寸、电枢绕组和气隙进行设计;通过反复计算和校核,最终确定该电机的结构尺寸。采用矢量磁位方程求解无槽永磁直线同步电动机的电磁参数,如气隙磁密和电磁推力等,并与有限元法进行比较和分析,结果表明对该电机设计合理和方法适当。     

聚磁式横向磁通永磁直线电机的变磁导等效磁网络

针对传统横向磁通永磁直线电机空间利用率低的问题,提出一种动子三面墙聚磁式结构的新型横向磁通永磁直线电机,该电机具有高推力密度和高可靠性的特点。首先,介绍横向磁通永磁直线电机(TFPM)的基本结构和工作原理;其次,通过分析在定子和动子不同位置时电机的磁力线分布情况,依次建立等效气隙磁导模型,凸极平面结构等效磁路模型和完整的变磁导等效磁网络模型;最后,将变磁导等效磁网络模型与三维有限元模型的磁链结果进行对比分析,并搭建样机的实验平台,将变磁导等效磁网络模型与有限元模型及样机空载实验的反电势(EMF)计算结果进行对比分析,验证了变磁导等效磁网络模型的结果与有限元分析结果具有良好的一致性,进而证明变磁导等效磁网络模型的正确性。     

磁通反向电机的变网络等效磁路模型

磁通反向电机(Flux-Reversal Machine,FRM)是一种新型双凸极永磁电机,当前对FRM的研究大都基于有限元分析法进行,但该方法在分析速度和使用的方便性上尚不令人满意.本文基于变网络等效磁路法分析FRM,建立了FRM的变网络等效磁路模型,推导了气隙磁导计算公式,并用节点磁位法得到FRM的非线性等效磁路方程,通过求解该方程,对电机的绕组磁链、空载感应电动势、电感等静态特性进行了分析计算.实验结果表明了所述理论和方法的正确性和有效性.     

考虑永磁磁链谐波影响的直线永磁无刷直流电机矢量控制方法

针对直线永磁无刷直流电机(linear permanent magnet brushless DC motor,LPMBDCM)电磁力纹波及齿槽力影响的最小化控制,该文根据推导得到的表示为电流矢量及永磁磁链导数矢量点积形式的电机推力方程,得出了任意反电动势(back-electromotive force,BEMF)波形表面式永磁(surface- mounted permanent magnet,SPM)电机的矢量控制原理：定向控制电流矢量于永磁磁链导数矢量方向,通过控制电流矢量长度可获得最大效率线性推力(或转矩)控制。考虑永磁磁链谐波对永磁磁链导数矢量幅值及相位的影响,通过引入d￠q￠轴坐标系,提出一种id￠=0的非正弦波BEMF SPM电机矢量控制新方法,结合齿槽前馈补偿可以实现非正弦BEMF SPM电机的最小推力纹波最大效率控制。建立了基于有限元的LPMBDCM 精确相变量模型,对比脉宽调制(pulse width modulation,PWM)电流控制、id￠=0矢量控制的仿真效果,验证了该文方法的有效性。id￠=0矢量控制为非正弦波BEMF SPM电机提供了一种高性能控制新方法。     

皮带输送机用外转子永磁同步电机温度场研究

可移动式皮带机输送机需要经常移动,自然冷却外转子永磁电动机不需要冷却系统,移动灵活、方便,又可以直接驱动皮带机,因此是可移动式皮带输送机的首选驱动方式。自然冷却外转子永磁电机转矩密度大、额定频率低,铜耗占总损耗的比例大且因其结构细长,磁负荷偏大,又因为外转子结构使其热源部分位于电机中部,且没有水冷系统,导致其自身散热比较困难。其温升设计与普通永磁同步电机不同,对此建立一种适用于自然冷却外转子永磁电机的等效热网络模型,分析不同热负荷下电机各部分平均温度及温升情况。并通过有限元软件仿真和样机试验进行对比分析,验证热网络模型的正确性,为此类外转子永磁同步电机温升预测和电机设计提供依据。     

表面式永磁同步电机单边磁拉力抑制

在永磁同步电机当中,由于磁场的不对称,会引起相应的单边磁拉力,如8极9槽电机。该文提出了一种基于永磁体周向分段的单边磁拉力抑制措施。首先,利用气隙磁导和磁动势模型,推导了永磁电机的单边磁拉力解析模型;然后基于此模型,提出了永磁体周向分段的单边磁拉力抑制措施,推导了周向分段的最佳位置和尺寸的理论值。为了验证以上理论分析,文章以一台8极9槽永磁电机为例,运用有限元计算了周向分段位置和尺寸对单边磁拉力的影响规律,验证了解析方法的正确性,研究结果表明,采用文章所提出的永磁体周向分段方法可以大大降低电机的单边磁拉力,其峰峰值可由原来的80.6N降低到13.8N,降低了82.9%。     

双定子直线旋转永磁电机特性分析与实验研究

针对现有直线旋转驱动机构结构复杂、体积大、控制精度低等问题,提出一种新型双定子直线旋转永磁电机。该电机由内外定子及一个中间动子构成,能够实现直线、旋转和螺旋运动。分析了该电机的结构特点和运行原理,建立了双定子直线旋转永磁电机的等效磁路模型,推导了转矩和推力的表达式。通过求解所建立的等效磁路模型方程,以计算该电机的空载和负载特性,其计算结果与3D有限元方法一致。设计制作了实验样机,并在所设计的样机上进行实验研究,结果表明所提出的分析理论和方法可以快速、有效地分析双定子直线旋转永磁电机的特性,且所提出的双定子直线旋转永磁电机具有可行性。     

两相永磁同步电动机无传感器控制研究

研究了一种针对两相永磁同步电机(PMSM)无传感驱动策略的全阶自适应转速观测器.在驱动中,电机由具有公共直流供电的两相八开关逆变器提供可控交流电压.所设计的电机转速观测器利用了永磁同步电机的定子电流模型和磁链数学模型.为了估计电机转速,通过定义的一个李雅普诺夫不等式推导并证明得到一个自适应转速估计率.所设计的观测器可以有效估计电机的转速并具有较高的精度.同时,通过观测器可以计算得到电机磁链.仿真结论进一步证明了所提出的方法的可行性和有效性.     

新型多齿开关磁链永磁记忆电机分段线性磁滞模型研究

为了研究多齿开关磁链永磁记忆电机在线调磁特性,提出一种可快速计算该电机磁链及空载反电动势的分段线性磁滞模型。根据该多齿开关磁链永磁记忆电机的磁路模型及工作原理,通过在多齿开关磁链永磁电机定子中放置具有高剩磁、低矫顽力(low coercive force,LCF)的永磁体,在线改变励磁绕组中脉冲电流的大小和方向改变LCF永磁体的磁化状态,从而实现永磁磁链的在线调节。使用所提出的分段线性磁滞模型,分析多齿开关磁链永磁电机在线调磁特性过程中,比较了使用不同分段次数(四段、五段、六段和无穷段)的磁滞模型下LCF永磁体工作点的计算精度。最后,通过有限元分析和实验表明:使用所提出的分段线性磁滞模型可以快速准确地得到多齿开关磁链永磁记忆电机的调磁特性。     

磁致伸缩引起的非晶合金永磁电机振动解析计算

磁致伸缩是引起非晶合金永磁电机振动的主要原因之一。基于压磁方程建立了磁致伸缩引起的非晶合金定子铁心振动解析模型。解析模型求解区域分为定子铁心轭部和齿部子域。以振动位移为求解变量,在轭部和齿部分别建立振动微分方程,采用分离变量法求解偏微分方程,并利用边界条件得到待定系数。在解析模型的基础上,推导出电机振动特性解析计算公式。解析模型适用于计算磁致伸缩引起的径向磁通非晶合金永磁电机振动,可计算电机定子铁心振动位移、速度、加速度和应力。利用有限元法对解析法进行验证,表明了该解析方法的有效性。     

五相永磁容错型游标电机弱磁特性研究

永磁容错型游标(FTPMV)电机结合了永磁游标电机高转矩密度和永磁容错电机高可靠性的优点,因此成为专家学者研究的热点之一。为了研究此类电机在低速区和高速区的运行性能,对比分析了两种五相电机的结构特性、磁场调制机理和电感特性,并推导了五相电机弱磁情况下的数学模型。其次,基于电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制方法,建立电机驱动系统。在低速区,采用直轴电流为零的控制策略;在高速区,采用一种基于母线电压和反电动势差值判断弱磁时刻的方法重点研究了电机的弱磁特性。参数计算和仿真结果表明,电机工作在额定电流的情况下,相比传统FTPMV电机,新型FTPMV电机有更好的弱磁能力。最后,通过样机的实验数据验证了理论分析的正确性。     

3相全桥驱动的S-MCSRM数学模型

针对短磁路互感耦合开关磁阻电机(S-MCSRM)的绕组连接方式和原理,建立电机的简化磁网络模型。通过插值法计算得到开关磁阻电机(SRM)磁链/磁势曲线簇。在此基础上,推导S-MCSRM磁链方程,利用二分法计算S-MCSRM磁链特性。根据虚位移原理和SRM磁链/磁势模型,得到S-MCSRM两相同时导通时的矩角特性。利用有限元软件,从电磁场分析的角度,计算获得S-MCSRM的电磁特性,并与磁网络模型法进行比较,比较结果表明,该非线性建模法的误差不超过20%,验证了建模方法的合理性和有效性。根据建立的S-MCSRM数学模型,比较分析了电机和传统SRM的电磁转矩及转矩脉动系数。     

新型盘式横向磁通永磁无刷电机的变网络等效磁路模型

针对所提出的新型盘式横向磁通永磁无刷电机的磁路特殊性,建立了简化的变网络等效磁路模型。基于该磁网络模型,无需求解节点方程组,便可直接得到定子绕组磁链,并由此计算了电机空载时永磁相电动势波形及负载时电磁转矩波形。将这些解析计算结果与样机电机的3-D FEM计算结果及试验结果进行了比较,验证了所建立的变网络等效磁路模型及由此进行电机性能计算方法的正确性。     

双凸极永磁双转子电机优化设计与电磁特性分析

混合动力汽车(hybrid electric vehicles,HEVs)用新型双凸极永磁双转子电机(double-salient permanent-magnet double-rotor motor,DSPM-DRM)具有两个转子和两层气隙的特殊结构。针对该复杂电机结构,为获得低输出转矩波动和高转矩密度,提出了DSPM-DRM的一种优化设计方法,推导DSPM-DRM的电机尺寸公式,得到初始设计尺寸,建立了DSPM-DRM的参数化模型。以减小输出转矩波动和提高转矩密度为目标,选择气隙和永磁体充磁宽度、极弧等关键尺寸参数作为优化变量,采用遗传控制算法(genetic algorithm,GA)优化调整电机尺寸,设计并制造了一台额定功率为2 kW的实验样机。基于二维有限元法对DSPM-DRM的反电动势、永磁磁链、气隙磁密、定位力矩等电磁特性进行了计算和分析,样机实验结果验证了设计方法和理论分析的正确性,所得结论可以为该电机在HEVs动力混合装置中的应用提供参考。     

轨道交通用次级分段型直线磁通切换永磁电机研究

基于城市轨道交通直线牵引系统,已有研究成果综合比较了直线感应电机(LIM)和次级齿槽型直线磁通切换永磁(LFSPM)电机,结果表明次级齿槽型LFSPM电机具有推力密度大、效率高和功率因数高等优点。然而,其次级为齿槽结构,如应用于轨道交通等长距离驱动系统时,则会增加次级体积及材料和加工成本。为了进一步降低次级成本,该文首先提出一种次级分段型LFSPM电机拓扑结构,该电机次级无轭部,仅由分段导磁块组成,次级材料体积小、成本低。通过对该电机的气隙磁场进行谐波分析,推导了推力产生的机理。然后在直线电机驱动地铁的实际尺寸及运行工况条件下,建立了该电机的二维有限元仿真模型,并对关键参数进行了优化。最后,在最优结构的基础上,结合广州地铁4号线,对比分析了该电机和LIM的系统成本和能耗。为该类电机在轨道交通直线牵引系统实际应用奠定了理论基础和设计参考。     

永磁同步电机匝间短路不平衡磁力分析

为获得永磁同步电机运行时的不平衡磁拉力，通常采用有限元进行数值运算，但有限元法耗时长，消耗大量的计算资源。为缩短电机设计时间，提出了一种计算永磁同步电机匝间短路故障下的不平衡磁拉力的理论模型，运用该动态故障模型计算匝间短路故障条件下不平衡力。模型主要根据绕组匝数的变化，利用绕组函数法求出电机故障前后的自感、互感和电阻，然后根据磁链方程、电压方程、转矩方程和机械运动方程求得电机电流波形，并通过电机电流、绕组和电机永磁体旋转产生的磁密波形推导了永磁同步电机受到的不平衡磁拉力。最后，通过对电机的瞬态有限元数值运算验证了所提出匝间短路状态下不平衡磁拉力计算理论模型的有效性。     

基于垂直轴永磁直驱风力发电系统的仿真研究

以垂直轴风轮(VAWT)和永磁直驱发电机(Permanent magnet direct drivegenerator)为研究对象,建立了包括风力机模型、传动系统模型和永磁同步电机模型的垂直轴永磁直驱风力发电系统的数学模型及结构;采用永磁同步电机定子磁链定向前馈解耦控制,使得电机的有功分量和无功分量可以分别得到控制。运用Matlab/Simulink建立了系统仿真模型,对定子磁链定向前馈解耦控制策略进行仿真,并对结果进行分析,以验证该模型的合理性及控制策略的正确性和可行性。