基于转子永磁分段优化的轴向磁通永磁电机涡流损耗分析与试验

轴向磁通永磁电机永磁体中的涡流损耗将使转子温度升高,致使永磁体产生不可逆退磁风险,影响电机的正常运行.该文推导了轴向磁通永磁电机永磁体涡流损耗的数学模型,分析得到永磁体表面涡流路径长度及永磁体表面积对涡流损耗的影响规律;结合理论分析,在永磁体完全分段的基础上,提出了三种永磁体部分分段的优化新方法;利用有限元软件建立了电机有限元分析模型,对永磁体的电流密度分布、涡流损耗、抗退磁能力、静力学强度等进行了仿真分析与比较,获得了较合适的永磁体部分分段数和永磁体保留尺寸.最后制作了样机,测试了电机效率、永磁体磁性能和永磁体温升情况,验证了所提优化方法的有效性及理论分析的准确性.     

高频轴向磁通永磁电机永磁体涡流损耗三维解析模型

针对现有二维解析模型在计算轴向磁通永磁电机永磁体涡流损耗存在精度不足的问题,该文提出一种能够精确计算该类电机永磁体涡流损耗的新型三维解析模型。该模型利用精确子域法和电阻网络模型,能够同时考虑定子开槽、定子谐波电流、涡流反作用和涡流三维分布的影响。利用有限元法验证了精确子域模型计算得到的空载和电枢磁场分布,并在理想空载下,验证了解析模型永磁体表面涡流密度和永磁体涡流损耗值,分析电机在高频运行下涡流反作用对永磁体涡流损耗的影响。最后,对1台7kW、4000rpm的轴向磁通永磁电机进行空载脉宽调制(pulsewidthmodulated,PWM)电压供电实验和空载正弦波电压供电实验,得到因PWM谐波电流引起的永磁体涡流损耗,将实验结果,有限元结果与解析结果作对比,验证了该解析模型的正确性。     

轴向磁通非晶合金电机永磁体涡流损耗研究

对于单转子双定子轴向磁通非晶合金电机,永磁体结构形式为表贴式,在高频下运行时电机会在永磁体中产生较大的涡流损耗,造成永磁体的不可逆退磁。结合非晶合金在轴向磁通电机应用的特殊性,对轴向磁通非晶合金在不同气隙长度、不同开口槽槽宽、不同极槽配合时永磁体涡流损耗进行比较,得出永磁体涡流损耗变化规律,可以为轴向磁通非晶合金永磁电机的合理设计提供帮助。     

轴向磁场永磁同步电机转子涡流损耗研究

为解决轴向磁场永磁同步电机温度过高导致电机运行性能降低的问题,针对电机转子进行了深入研究。先利用Maxwell三维电磁场有限元分析软件建立电机有限元模型,仿真电机磁场分布和气隙磁密波形,并计算平均涡流损耗;采用铜层屏蔽减小转子涡流损耗,并仿真出转子涡流损耗随铜层厚度变化情况。     

磁极分段式高速轴向磁通永磁电机转子强度研究

为了满足机械强度要求,高速永磁电机通常采用径向磁通结构。随着非晶合金等新型超薄软磁材料的发展,高速高频轴向磁通永磁电机逐步引起关注。为此,针对一种适合于高速运行的磁极分段式轴向磁通永磁电机转子结构进行研究。建立了该转子结构强度解析计算模型,分别利用解析法和有限元法计算了不同极弧因数、转子轮缘宽度以及转子磁极分段数对转子机械强度的影响规律。同时研究了磁极分段式结构对轴向磁通永磁电机气隙磁密、空载反电动势、齿槽转矩和转矩密度等电磁性能的影响。结果证明采用磁极分段式结构能有效提高转子强度,相关研究工作为高速轴向磁通永磁电机的设计提供参考。     

高速永磁电机的转子涡流损耗分析

在高速永磁电机中,转子涡流损耗会使转子温度升高,影响电机效率等性能,甚至导致永磁体过热退磁.针对高速永磁电机中的转子涡流损耗问题,进行了解析分析和有限元计算,分析了产生转子涡流损耗的谐波来源,研究了不同定转子结构电机的转子涡流损耗,分析了定子槽数、槽口宽度、气隙长度、屏蔽层、定子齿开辅助槽对转子涡流损耗的影响.结果表明,增加定子槽数、减小槽口宽度、增加气隙长度可以减小转子涡流损耗;在护套和永磁体中间加一层高电导率屏蔽层能有效减小永磁体的涡流,且选择合适的屏蔽层厚度能够进一步减小转子涡流损耗;提出了使用合适宽度、深度、角度和槽型的辅助槽来减小转子涡流损耗、帮助电机散热的新方法.对高速永磁电机的研制具有重要的理论研究和工程应用价值.     

高速永磁电机转子涡流损耗解析计算

高速永磁同步电机采用变频器供电含有大量谐波、频率高等特点导致转子涡流损耗升高,从而使电机温度上升,给散热带来困难,影响电机效率、永磁体性能等指标。针对表贴式高速永磁电机,推导转子涡流损耗的解析计算,该方法在极坐标系下建立物理模型,考虑气隙长度、护套、永磁体等子域,并为了提高模型的计算精度,考虑了涡流反应影响和定子的开槽效应。以一台15kW表贴式高速永磁电机为例,采用正弦波供电和PWM供电两种供电方式,分析气隙长度、槽开口宽度以及护套材料对转子涡流损耗的影响。将解析法的计算结果和有限元法结果进行比较,验证解析方法的准确性。     

磁钢充磁方式对永磁电机转子涡流损耗研究

为研究不同的充磁方式对永磁电机转子涡流损耗的影响,以一台6极18槽高速永磁无刷直流电动机为例,分析了径向充磁和平行充磁两种永磁体结构,建立了高速永磁电机的有限元分析模型和转子涡流损耗计算模型,采用时步有限元法分析电机在不同充磁方式下的电磁场特征,进而对两种结构电机在三种不同工作条件下的转子涡流损耗进行对比分析,最后进一步对不同极槽配合下转子涡流损耗进行分析。结果表明:空载条件下,采用径向充磁方式,高速电机转子涡流损耗较小;随着负载增加,采用平行充磁的方式,电机的转子涡流损耗更小。该研究对降低永磁电机的转子涡流损耗及性能优化具有一定的参考价值。     

转子结构对轴向磁场磁通切换永磁电机性能的影响

在介绍轴向磁场磁通切换永磁(AFFSPM)电机结构的基础上,采用解析与仿真相结合对转子齿宽进行优化;基于全场域有限元模型,分析了转子结构参数包括齿宽、齿形和厚度对电机感应电势和定位力矩的影响。结果表明:转子齿宽与转子齿形对电机性能有较大的影响,而转子厚度对电机性能的影响较小。     

定子无铁心轴向磁场永磁电机永磁体涡流损耗研究

为解决定子无铁心轴向磁场永磁电机(无铁心AFPM)温度过高导致电机运行性能降低的问题,针对电机永磁体进行了深入研究。利用MAXWELL三维电磁场有限元分析软件建立电机有限元模型,仿真电机在三相正弦电流源驱动下永磁体电磁分布,计算平均涡流损耗。采用对永磁体分块及加屏蔽层的方式减小涡流损耗;在对永磁体分块时,做不同方向的分割,并进行仿真,分析对比并得出横向分割为3块效果最佳;在利用电磁屏蔽原理减小涡流损耗时,先对可靠性进行验证,后利用MATLAB曲线拟合得出屏蔽层厚度的最优值。     

轴向磁通永磁电机的设计与优化

本文根据一款家用乘用车的结构和运行性能需求,设计出了额定功率95kW,峰值功率190kW的轴向磁通永磁电机。电机采用内单定子外双转子结构,定子铁心采用分块式设计形式。基于永磁电机设计理论,总结归纳轴向磁通永磁电机的初始设计流程,并对其电磁性能进行初始评估。采用有限元法建立电磁分析三维模型,对采用多种转子结构电机的电磁转矩、齿槽转矩、转矩脉动及永磁体涡流损耗等进行计算和分析。文中所归纳的电动汽车驱动用轴向磁通永磁电机设计流程及降低齿槽转矩、转矩脉动和永磁体涡流措施的效果对比,为此类电机的设计及优化提供借鉴经验。     

外永磁转子横向磁通爪极电机研究

为了解决外永磁转子爪极电机漏磁较为严重的问题,提出了一种新型结构的外永磁转子横向磁通爪极电机。在对该种电机的结构、特点、材料以及运行机理分析的基础上,首先采用常规的等效磁路分析方法,建立了该种电机的等效磁路模型,并推导出各部分的磁阻和电抗的计算公式;然后利用有限元分析软件,建立了该种电机三维电磁场分析的仿真模型,并对电机内部磁场分布加以分析研究,且计算得到了电机的空载漏磁系数;最后给出了该种电机的气隙磁密及空载电动势波形。结果表明该新型结构电机具有良好的特性,也为该种电机的深入研究奠定了技术基础。     

轴向磁通永磁电机气隙磁场端部效应研究

轴向磁通电机永磁体尺寸沿径向变化较大,且定子绕组有效长度较短,因此气隙磁场径向端部磁密值的削弱不可忽略。以一台7 k W、4000 r/min表贴式双转子轴向磁通永磁电机为例,采用三维有限元法分析气隙磁场端部效应,并得出结论:气隙长度δ增大至2 mm时对内、外端部磁场影响程度相同;极弧系数αp增大,内端部气隙磁密变化速度先减小后增大,外端部恰相反,αp=0.75时分别达到速度最小值与最大值;外端部气隙磁场随斜极角度呈明显的周期性变化,气隙圆环外径至平均半径之间气隙磁密周期变化范围为[θz,2θz)。     

高频非晶合金轴向磁通永磁电机温度场计算

高频非晶合金轴向磁通永磁电机永磁体涡流损耗分布不均,所以在电机温度场计算时不能简单地给永磁体赋一个平均生热率,需要根据永磁体不同位置的涡流损耗密度赋相应的生热率。本文将永磁体分成多块,利用有限元分别计算每块永磁体上的涡流损耗大小,给出了永磁体的不同位置涡流损耗分布规律。根据涡流损耗分布规律,改进了的永磁体分块原则,提高了电机温升计算效率。最后,利用有限体积法对考虑涡流损耗分布和未考虑涡流损耗分布两种情况下电机的温升分别进行了计算,结果显示,考虑涡流损耗分布计算出的电机温升结果更接近实测值。     

轴向磁场磁通切换型永磁电机矢量控制

轴向磁场磁通切换型永磁(AFFSPM)电机是一种新型结构的定子永磁型双凸极电机.分析了AFFSPM电机结构和工作原理,确定了矢量控制系统方案,给出了采用无刷直流控制方式起动时寻找转子零点位置的方法.针对AFFSPM电机定位力矩对系统性能的影响,建立了AFFSPM电机控制系统仿真模型.以一台三相12/10极AFFSPM电机为样机,进行了AFFSPM电机矢量控制的无刷直流方式起动,空载和负载调速试验.试验结果表明,AFFSPM电机矢量控制系统具有良好的起动、调速性能及较好的抗负载扰动能力.     

轴向磁场磁通切换型永磁电机电感计算

在介绍一种新型轴向磁场磁通切换型永磁(Axial Field Flux-Switching Permanent Mag-net,AFFSPM)电机的基础上,计算了一台三相12/10极AFFSPM电机的三相绕组电感,并根据电机的结构特点,对其自感和互感的大小关系给予解释。最后分别采用Park变换法和两步法计算了该电机的交、直轴电感,得到的结果一致,所得结论对AFFSPM电机的深入研究具有一定的参考价值。     

轴向磁场磁通切换永磁电机单位功率因数控制

轴向磁场磁通切换永磁(AFFSPM)电机是一种定子永磁型双凸极电机,它结合了磁通切换电机与永磁电机的优点,且轴向长度短,转子结构简单,功率密度高,非常适合用于电动汽车与风力发电系统。本文推导了AFFSPM电机的数学模型,建立了AFFSPM电机驱动系统。针对AFFSPM电机id=0控制和最大转矩电流比(MTPA)控制策略存在功率因数降低的问题,本文以提高功率因数为目标,采用一种单位功率因数控制策略对AFFSPM电机进行了研究。仿真与实验结果表明,单位功率因数控制策略基本能够将AFFSPM电机功率因数调节到所需范围。     

轴向磁场磁通切换永磁电机齿槽转矩分析

为了有效削弱轴向磁场磁通切换永磁电机的齿槽转矩,采用能量差分法,建立了该种电机齿槽转矩的解析表达式,针对表达式中的电机结构参数,利用全场域三维有限元法.分析了一台三相12/10极轴向磁场磁通切换永磁电机在不同结构参数下的齿槽转矩,得到当定子齿宽、定子槽口宽与永磁体磁化厚度均占内径圆弧7.5°,转子齿宽占内径圆弧10.5°,且为准扇形齿时.该电机的齿槽转矩最小;在定子轭部铁心不饱和的情况下,齿槽转矩随定子厚度减小而减小,而受转子厚度的影响较小.综合考虑电机不同结构参数对齿槽转矩和感应电势的影响,得到了削弱轴向磁场磁通切换永磁电机齿槽转矩的有效方法,有效地改善了该电机的运行性能.     

轴向磁通永磁电机混合冷却结构设计与分析

针对轴向磁通永磁电机损耗大和散热困难的问题,提出了风冷结构和混合冷却结构,其中混合冷却结构由端盖风冷结构和定子水冷结构组成。建立了电机的三维模型,采用流固耦合法对电机进行仿真分析,通过对比两种冷却结构的冷却效果,选择了混合冷却结构作为电机的冷却系统。通过仿真分析了流速对电机温升的影响,并根据仿真结果确定了混合冷却结构最佳的入口风速以及水速,证明了混合冷却结构的有效性,为轴向磁通永磁电机的冷却系统设计提供了一定的参考。