材料饱和特性对永磁电机性能的影响研究

针对非晶材料饱和磁密低,非晶永磁电机性能易受铁心饱和作用影响的问题,本文提出了饱和磁密解析模型用以分析定子铁心齿部饱和作用产生的影响,该模型的特点是利用饱和前后气隙磁密的比率代替实验实测的电压比率求解出饱和系数,从而实现在电机初始设计阶段饱和效应对电机性能影响的分析与研究。基于该饱和磁路解析模型分析了定子铁心饱和对非晶永磁电机绕组电感、谐波电流以及逆变器供电情况下由载波引起的损耗的影响规律。     

轴向磁通非晶合金永磁电机空载铁耗的解析计算方法

非晶合金材料具有出色的低损耗特性,利用非晶合金替代硅钢片制作轴向磁通永磁电机铁心可有效降低电机铁心损耗,但替代后的非晶合金电机的损耗结构也将发生改变。在电机初始设计阶段,快速准确计算出电机的空载铁耗是轴向磁通非晶合金电机设计及优化的关键。该文针对3D时步有限元计算耗时长的问题,改进现有多环等效模型计算方法,推导了气隙磁密、定子铁心损耗和永磁体涡流损耗的解析解,构建了空载铁耗的解析计算模型。利用3D有限元对解析模型计算值进行了验证,结果显示解析计算模型计算误差仅为9.42%。利用该解析模型分析槽口和气隙长度对空载铁耗的影响,结果显示采用减小槽口宽度降低空载铁耗的效果更为明显。     

非晶合金永磁电机负载损耗及效率特性分析

为了研究采用非晶合金材料代替硅钢片材料制作铁心后,永磁电机在负载运行时的损耗与效率的变化规律,研制了两台相同结构尺寸参数的非晶合金永磁电机和硅钢片永磁电机。利用实验方法测试了两台电机在相同运行工况下的损耗与效率特性,并借助有限元方法对两台电机不同负载率时的损耗进行了对比分析。结果显示,轻载时,非晶合金永磁电机定子铁心损耗低于硅钢片电机,效率优势明显;但随着负载率的增加,非晶合金电机定子铁心饱和严重,导致绕组磁动势波形畸变,由绕组磁动势谐波引起的损耗高于硅钢片电机,非晶合金电机效率优势随负载率的增加逐渐减小。     

非晶合金铁心叠片导热系数测试与电机热分析

为了研究定子铁心采用非晶合金材料对永磁电机温度分布的影响,首先基于无限大平板层法对两种叠压系数非晶合金铁心试样轴向叠片的导热系数进行测试;然后利用电磁场软件对两台定子铁心分别采用非晶合金材料和硅钢片材料、其余结构尺寸完全相同的1.6 k W永磁同步电机的损耗进行计算,在此基础上对两台电机的三维温度场进行仿真分析,并对比分析了硅钢片电机和非晶合金电机的温度分布规律;最后对这两台电机进行了温升试验,并将试验数据与计算结果进行对比,验证了分析、计算的有效性。     

非晶合金在永磁同步电机的应用

基于非晶合金Metglas官网提供的Metglas2605SA1非晶合金材料的相关性能参数,利用Ansoft Maxwell分析定子铁心材料采用非晶合金Metglas2605SA1,且单频率激励下的永磁同步电动机的电磁性能与输出特性,同时分析了气隙及定子轭部磁密的空间分布,以及永磁电机存在的齿槽转矩问题,并与具有相同结构和控制参数的定子铁心采用硅钢D23-50永磁电机进行对比分析。仿真结果表明,采用定子铁心采用非晶合金永磁电机相比于硅钢D23-50永磁电机有以下优势:电机重量轻,铁耗相对于硅钢电机更小,效率比硅钢电机高2.41%,磁场响应能力强。但其齿槽转矩的数值高于硅钢电机。     

非晶合金永磁同步电机空载损耗

为了研究电机铁心加工工艺对非晶合金材料磁化和损耗性能的影响,实验实测了非晶合金铁心的磁化性能和损耗性能,通过分析非晶合金铁心损耗测试结果,得出了铁耗计算模型中磁滞损耗系数随频率变化的修正方法。研制了两台相同结构尺寸和参数的永磁同步电机,定子铁心分别采用非晶合金材料和35W270硅钢片,对比分析了两台电机在正弦波和变频器供电情况下的空载损耗。结果显示,正弦波供电时,非晶合金电机的空载损耗仅为硅钢片电机的45%,但由于非晶合金电机在变频器供电时,时间谐波电流含量高于硅钢片电机,由此引起的谐波损耗大于硅钢片电机。     

磁致伸缩引起的非晶合金铁心振动解析计算及影响因素

磁致伸缩是引起非晶合金电机振动噪声显著增大的主要原因之一。基于压磁方程建立了磁致伸缩引起的非晶合金圆环铁心振动解析模型。解析模型以振动位移为求解变量,采用分离变量法求解振动微分方程。解析模型可用于计算磁致伸缩引起的非晶合金铁心振动位移和振动加速度。通过测试不同加工工艺非晶合金铁心样品的振动,得出叠压和卷绕、浸漆和退火对非晶合金铁心振动的影响规律,确定不同加工工艺非晶合金铁心振动计算修正系数。本文研究工作为非晶合金电机振动噪声的研究奠定了基础。     

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。     

PWM逆变器供电下非晶永磁电机的损耗分析

为了研究PWM逆变器供电情况下,非晶永磁电机损耗的分布规律,本文分析了考虑加工影响的非晶电机定子铁心损耗的计算方法以及考虑磁导谐波、磁动势谐波和载波谐波的永磁体涡流损耗分离方法。利用有限元方法分析了一台表贴式非晶永磁电机在PWM逆变器供电情况下的损耗分布规律。结果显示,由载波谐波引起的损耗是该电机最主要的损耗分量,约占总损耗的66.0%。     

非晶电机机械性能与电磁特性的数值分析

基于某公司提供的Metglas2605SA1非晶合金材料相关性能参数,利用商用软件Ansoft研究了非晶合金Metglas2605SA1作为电机定子铁心对电机电磁性能及输出特性的影响。分析了气隙及定子轭部磁密的时空分布,并与相同结构参数的硅钢D23_50电机进行了对比分析。结果表明,采用非晶合金Metglas2605SA1定子铁心的三相异步电机相比硅钢D23_50三相异步电机具有以下优势:电机总重量减少4.0%,总损耗降低16.8%,效率提高了1.8%,功率因数提高了0.015,起动性能得到了显著改善。     

高速永磁电机综合设计与分析

高速非晶合金永磁电机设计受电磁、机械、温升的制约,因此高速非晶合金永磁电机的设计是一个多物理场综合设计的过程。针对高速非晶合金永磁电机设计受多物理场制约的问题,基于多物理场的分析方法,分析了非晶合金材料对高速永磁电机电磁性能的影响;研究了内置式永磁转子在高速运行状态下的应力分布,并分析了轴承支撑刚度对转子系统临界转速的影响;针对高速非晶合金永磁电机损耗分布特点研究了其温度场的分布。基于提出的多物理场综合设计方法,设计并制造了一台额定功率15 k W、最高转速30 000 r/min的高速内置式非晶合金永磁电机,并对样机进行了试验,验证了仿真分析与设计方法的可行性,为高速非晶合金永磁电机的设计提供参考。     

基于计算流体力学的非晶合金轴向磁通永磁电机冷却系统设计

采用一种新型材料——非晶合金作为轴向磁通永磁(AFPM)电机的定子铁心。研制非晶合金和硅钢片两种材料的定子铁心,对其损耗特性进行对比,实验数据显示非晶合金替代常规硅钢片作为电机铁心,能够降低电机的铁耗,但是同时由于高频率的选择使得电机转子部分等损耗有所增加。为进一步提高非晶合金轴向磁通永磁电机冷却效率,优化电机设计保证电机的安全运行,对该类电机的冷却系统进行设计。研究四种冷却结构并建立相应的三维流体场数学模型和物理模型,基于计算流体力学(CFD)理论基础,通过有限体积法,在相同的计算条件、网格划分前提下,研究四种冷却结构的热特性和流动特性。优选出螺旋型结构并对其进行具体尺寸参数设计,最后对无隔水板和螺旋结构进行温升试验。试验结果表明,螺旋结构的绕组和转子冷却效率高出无隔水板结构33.1%和26.5%,为该类新型材料的永磁电机冷却结构设计及电磁方案优化提供了指导。     

永磁同步电动机定子铁心采用非晶与硅钢的性能对比

非晶合金具有高磁导率、低矫顽力、低损耗的优势,将其应用于电磁装置以提升性能成为当前的研究热点。针对非晶材料在高速电机中的效率提升已有许多研究,为研究较低转速下非晶材料对电机性能的影响,制作了两台电动汽车转向泵用1.5 kW永磁同步电动机,其中一台的定子铁心采用非晶材料,另一台采用普通硅钢材料。采用电磁场有限元法求解了两台电机在低速下的磁场分布、定子铁心损耗分布和效率。计算结果表明,非晶材料同样能够提升低速电机性能。然后在不同供电频率下进行了计算,结果表明:频率越高,非晶电机的效率高于硅钢电机越多。搭建了实验平台,测试结果表明,在100 Hz、1200 r/min时非晶合金电机效率比硅钢电机高1.4%,与仿真结果一致。     

过盈配合对非晶合金电机铁耗影响的实验研究

为了研究过盈配合加工对非晶合金永磁电机铁耗的影响,采用实验方法测试了多种过盈量时非晶合金材料的损耗特性,并对实验结果进行了分析。给出了考虑过盈配合加工的非晶合金电机铁耗计算方法,并通过样机实验对铁耗计算结果进行了验证,进而分析了不同过盈量时非晶合金电机铁耗的变化规律。结果显示,过盈配合加工会导致非晶合金材料涡流损耗增加,非晶合金电机轭部损耗增加、温升升高、效率降低。在非晶合金电机定子铁心装配时应采用尽可能小的过盈量或不采用过盈配合工艺。     

磁性材料在永磁饱和型故障限流器中的应用

首先介绍了永磁饱和型FCL的基本结构和工作原理,指出永磁体和软磁铁心材料的选择至为重要.通过综合比较分析多种永磁和软磁材料的磁性能、力学性能和经济性,提出了磁性材料的选择原则:高压大容量FCL可选择钕铁硼或稀土钻作为永磁体的待选材料,小容量FCL则考虑使用永磁铁氧体;铁硅合金和非晶态合金可作为软磁铁心的待选材料.磁性材料的温升效应、永磁体磁后效现象以及磁性材料工作点的优化配合等,是亟待研究的关键技术问题.     

基于响应面法的电动汽车用非晶合金永磁同步电机优化设计

为提升电动汽车用永磁同步电机效率,提出采用高磁导率、低损耗非晶合金定子铁心代替传统硅钢定子。首先,基于有限元法分析直接替换现有硅钢定子的永磁同步电机转矩性能不达标,其次,在外形尺寸、槽面积不变及转矩性能不降低的前提下,以效率为优化目标,以定子齿宽以及永磁体宽度为优化变量,采用响应面法对非晶合金定子永磁同步电机进行优化设计。最后通过优化前后效率及转矩对比,说明了非晶合金电机在效率提升方面的优越性。     

储能飞轮用大功率高速永磁同步电机电磁设计

储能飞轮用高速电机的工作状态包括电动机、发电机及空载三种。提高储能飞轮的能量转换效率、降低电机在各种运行状态的损耗成为其电磁设计的主要任务。从工程应用的角度,对储能飞轮用大功率高速永磁同步电机的绕组损耗、铁心损耗及涡流损耗进行了分析,重点分析了定转子间隙对转子构件涡流损耗的影响,同时提出了一种阶梯式转子永磁体结构,可满足永磁同步电机(PMSM)对空载反电动势的低谐波要求,并提出了转子护套材料的选取原则。最后通过一个算例介绍了电机的设计分析及性能参数的计算。     

高过载永磁同步电动机设计研究

永磁同步电动机(PMSM)的过载能力受到铁心饱和、电枢反应的制约,常规设计PMSM无法满足一些高过载应用场合的需求。分析PMSM过载能力的影响因素,研究定子裂比和气隙长度等结构参数对其影响方式,进而分析得出相关结构参数对于PMSM过载能力的影响规律。设计了1台额定功率1 kW的高过载能力PMSM,有限元仿真结果显示该电机可达到5.26倍过载能力。