12槽10极磁通切换型永磁同步电机设计与分析

磁通切换型永磁同步电机因其定转子拓扑简单、结构紧凑、转矩密度大、故障率低等优点,能够实现电机在较宽速度范围内运行调速,适用于风力发电、混合动力汽车等领域。在深入分析磁通切换型永磁同步电机磁通切换工作原理基础上,设计了一台12槽10极磁通切换型双凸极电机,采用有限元方法计算了电机的气隙磁场、永磁磁链和反电动势、齿槽转矩以及输出转矩等电磁特性。最后通过一台3 k W样机对其转矩特性进行了实验验证,实验结果与有限元仿真结果一致,验证了上述方法的正确性。     

电动汽车用混合励磁场调制电机设计研究

场调制电机是一种基于磁齿轮效应的新型磁场调制式电机,具有低速大转矩特性。将混合励磁概念引入到场调制电机,提出一种混合励磁场调制电机。在不增大电机体积和不增加电机定、转子极槽数情况下,实现电机在强、弱磁过程中宽调速范围运行。分析其工作原理,采用有限元方法计算电磁特性,包括空载永磁磁链、空载感应电动势、齿槽转矩和输出转矩等,对其强、弱磁过程进行了分析。制作1台1 kW样机,搭建实验平台并进行特性测试,结果表明,该电机具有转矩密度大、齿槽转矩小、调速范围宽的特点,适用于电动汽车领域。     

磁通切换型双凸极永磁同步电机研究与分析

磁通切换型双凸极永磁同步电机具有结构简单、输出转矩大、转矩密度高以及磁链、反电势正弦等优点,能够有效拓宽电机调速范围,适用于新型混合动力汽车和新能源发电等领域。在深入分析磁通切换型永磁同步电机磁通切换工作原理基础上,采用有限元设计了一台12槽/10极磁通切换型双凸极电机,计算了其电动状态下气隙磁场、永磁磁链和反电动势等静态特性,研究了其不平衡磁拉力。在此基础上,对所设计电机转矩性能进行了分析和优化,定量研究了影响其齿槽转矩的主要因素。最后通过一台2 k W样机对其转矩特性进行了实验验证,实验结果与Ansoft有限元仿真结果一致,验证了上述方法的正确性。     

混合励磁轴向磁场磁通切换型永磁电机静态特性

提出一种混合励磁轴向磁场磁通切换永磁电机,以一台12/11极电机为例分析电机的结构特点和工作原理。基于三维有限元方法研究该电机静态特性,对空载永磁磁场和气隙磁通密度进行分析,研究永磁磁链、反电动势、定位力矩及绕组电感等电磁特性,分析不同励磁电流下的气隙磁场分布和调磁特性。结果表明:该种电机的磁链和反电动势均为双极性的正弦分布,适于无刷交流运行场合;通过调节励磁电流,线圈匝链磁通变化明显,调磁效果较好。     

横向磁场磁通反向电机的特性分析

提出一种横向磁场磁通反向电机结构,电机中的永磁体与电枢绕组均位于定子侧,转子齿嵌入开槽的非导磁材料转子筒中,定转子铁心均可由硅钢片叠压制成。相比传统横向磁场电机,横向磁场磁通反向电机具有结构简单、加工方便的优点。介绍了电机的基本结构,阐述了电机的基本工作原理。利用傅里叶级数法推导了电机的反电动势、电磁转矩以及定位转矩的表达式。利用三维有限元方法,分析了电机的永磁磁链、反电动势、定位转矩和电磁转矩等基本特性。在其基础上研制一台样机并进行初步实验研究,实验结果与有限元结果相吻合,验证了理论分析的正确性。     

基于永磁极间偏移的磁齿轮电机齿槽转矩削弱研究

本文将一种“极间偏移”的设计理念融入至磁齿轮电机的转子永磁拓扑设计之中,形成一类极间偏移式永磁转子,旨在实现对磁齿轮电机齿槽转矩的有效削弱。为了充分挖掘磁齿轮电机的齿槽转矩特性,文章从永磁体不同极间偏移形式的角度出发,提出了两种拓扑结构。相关研究立足于“磁场调制”的研究视角,在分析电机磁动势和磁导特性的基础上,针对电机的齿槽转矩进行了推导。经过定性分析,确定和选取了极间偏移角作为削弱电机齿槽转矩的关键参数,并且对其进行优化设计。通过对极间偏移角的合理设计,改变了磁齿轮电机的永磁磁动势特性,很大程度上促进了电机齿槽转矩的削弱。基于有限元计算,仿真分析了电机的齿槽转矩特性、空载反电势、输出转矩等性能。理论分析与研究结果验证了永磁体极间偏移式磁齿轮电机对齿槽转矩削弱设计的有效性。     

轮边直驱永磁盘式电机转矩脉动分析与抑制

针对纯电动汽车轮边直驱永磁盘式电机的转矩脉动较大问题,为提高电机转矩输出的平稳性,对6k W、933 r/min额定转速的双定子单转子磁路结构的永磁盘式电机齿槽转矩与纹波转矩脉动进行了研究。通过对齿槽转矩与纹波转矩的理论推导,并建立了数学模型。利用三维有限元的分析方法,建立了永磁盘式电机三维仿真模型,以永磁体斜极角为变量,分析斜极角对齿槽转矩的削减情况,合理选择永磁体斜极角。对电机不同永磁体斜极角下的空载反电动势进行谐波分析,通过优化反电动势谐波的方法来抑制电机纹波转矩脉动。研究结果表明,采用永磁体斜极方式时双定子单转子永磁盘式电机的齿槽转矩抑制效果明显,齿槽转矩由5.4N.m降低到0.9N.m,纹波转矩脉动由10.9%降低到3.6%,转矩脉动优化显著。     

聚磁式场调制永磁风力发电机工作原理与静态特性

提出一种新型聚磁式场调制永磁(Flux-Concentrating Field-Modulated Permanent-Magnet,FCFMPM)电机,该电机外转子采用聚磁式永磁体结构改善气隙磁通密度,定子采用开口槽结构提高空间利用率.基于磁齿轮效应,定子齿对转子永磁磁场进行调制,产生极对数少、运行速度快的谐波磁场,由该谐波磁场作为有效励磁的FCFMPM电机具有低速、大转矩密度的特点.在深入分析电机工作原理的基础上,运用二维有限元方法计算了其静态特性,包括空载永磁磁链、空载感应电动势、电感、定位力矩和电磁转矩等.研制了一台5kW实验样机,并与商业化小型永磁直驱风力发电机做比较.仿真和实验结果表明,所提电机具有转矩密度大、定位力矩小、外特性硬等特点,特别适用于如风力发电等低速、直驱系统.     

辐条式磁齿轮电机齿槽转矩抑制

磁齿轮电机具有转矩密度高、转子结构坚固的特点。针对外转子辐条式磁齿轮电机齿槽转矩高等问题,以一台三相18槽28极外转子辐条式磁齿轮电机作为研究对象,利用磁场调制理论对气隙进行解析计算,然后基于麦克斯韦张量法分析外转子辐条式磁齿轮电机齿槽转矩产生的机理,并通过调节槽口角度和转子削角对磁齿轮结构进行优化。有限元分析结果表明,优化后电机的反电动势三次谐波被削弱了53%、齿槽转矩幅值被削弱了93.4%、输出转矩脉动下降了73.7%。有限元分析结果验证了调节槽口角度和转子削角的结构优化方法的有效性。     

定子永磁式双转子电机电磁性能分析

为了提高双转子电机的转矩密度,实现其应用于混合动力汽车驱动系统的小型轻量化和平稳运行的需求,提出一种三相12/22/12极定子永磁式磁通切换双转子电机结构,其绕组和永磁体均位于外定子和内转子上,外转子上无绕组和永磁体,避免了外转子的冷却问题。对定子永磁式磁通切换双转子电机的拓扑结构及工作原理进行了介绍,采用有限元方法对电机磁场分布、气隙磁密、永磁磁链、空载反电动势、电感及转矩等电磁性能进行了分析。研究结果表明,提出的定子永磁式磁通切换双转子电机结构具有内外电机磁场耦合小、空载反电动势正弦性好、转矩密度大、转矩脉动小的特点,并通过原理样机实验结果验证了电机设计的有效性。     

Electromagnetic Design and Analysis of a Novel Axial-Transverse Flux Permanent Magnet Synchronous Machine

This paper analyzes a novel hybrid axial-transverse flux permanent magnet (PM) synchronous motor achieving high torque density. The stator pole pitch and the rotor pole pitch are the same. The motor is suitable for vehicle traction systems. The new axial-transverse machine has a single-sided or double-sided air gap. The machine has two adjacent quasi-U stator cores with ring-type winding, and the rotor has two PM groups, one outer and one inner. The shape of quasi-U stator core allows changing the flux path without changing power supply polarity. The analytical expressions of the no-load back-EMF and the torque are derived, after the development of 3-D magnetic equivalent circuit (MEC) model. The 3-D finite element method (FEM) is used to analyze the magnetic field, torque, and cogging torque for different skewings of the PMs.     

改进新型齿结构对磁通切换永磁电机转矩指标的影响

基于12槽/10极磁通切换永磁电机(FSPMM)提出了定子切边齿、转子U型槽齿、转子凸缘齿3种新型齿形,以有效减小FSPMM电机的齿槽转矩和转矩波动。通过2-D有限元法从平均转矩、齿槽转矩、转矩波动等方面对不同新型齿形的FSPMM的性能进行了全面的分析和评估。结果验证了所提出的3种新型齿形状,特别是转子U型槽齿和凸缘齿可以减小齿槽转矩和转矩波动,平均转矩只有轻微的减小。     

基于响应面法的定子永磁型轴向磁通切换电机齿槽转矩优化设计

针对聚磁反应造成定子永磁型轴向磁通切换电机(SPAFFSPM)的齿槽转矩偏大、噪声大等问题。以减小定子永磁型轴向磁通切换型电机的齿槽转矩,提高电机的输出性能为目标,利用能量摄动法推导出电机的齿槽转矩解析表达式,分析影响齿槽转矩的定转子结构参数。基于响应面法与有限元法构造出定子槽弧宽、转子齿倾斜角及永磁体形状系数与齿槽转矩之间的响应面数学模型,推导出使齿槽转矩最小的定子槽弧宽、转子齿倾斜角及永磁体形状系数最优组合。最后建立优化前后电机三维有限元分析模型,搭建样机的实验平台,验证优化方法的合理性及准确性。结果表明,优化后的电机齿槽转矩减小约82.5%,且电机的输出性能得到明显提高。     

Cogging Torque Reduction in an Axial Flux PM Machine via Stator Slot Displacement and Skewing

Cogging torque is a source of vibration and noise in permanent-magnet (PM) machines. This torque is proportional to the PM flux and the reluctance variation, and is independent of the load current. In this paper, two methods for cogging torque reduction in an axial PM machine with field weakening capability are presented. The machine's rotor configuration considers two sections: one PM pole that provides the field excitation and one iron section in charge of providing low d-axis reluctance. Significant reduction of the cogging effects is achieved by adjusting stator geometry and rotor pole configuration. Three-dimensional finite-element analysis is used to demonstrate these improvements. Conclusions and design recommendations are presented for a 5-kW eight-pole PM machine prototype under construction     

Halbach永磁阵列无刷直流电机转矩的解析计算和分析

Halbach永磁阵列具有灵活配置电机气隙磁通密度、磁屏蔽的特点,将其用于无刷直流电机以增加电磁转矩、降低齿槽转矩。在保角变换求解电磁场基础上,给出无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩的解析计算模型,通过有限元仿真对该模型的准确性进行证明;使用该模型分析每极两块(1P2p)、每极三块(1P3p)Halbach永磁阵列中主磁钢弧角和辅磁钢充磁方向角对无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩的影响,对比分析径向充磁、平行充磁和Halbach永磁阵列的无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩随永磁体厚度的变化规律。分析结果表明,合理配置无刷直流电机Halbach永磁阵列中主磁钢弧角和辅磁钢充磁方向角可提高电磁转矩、降低齿槽转矩,当永磁体厚度增加时,Halbach永磁阵列更有利于电磁转矩增加。     

削弱永磁电机齿槽转矩的一种新方法

针对永磁体与有槽电枢铁心之间相互作用产生齿槽转矩,引起电机的振动和噪声,并影响系统的控制精度等问题,提出了通过改变磁极形状来削弱齿槽转矩的新方法。采用有限元分析方法,对不同形状永磁磁极的永磁电机齿槽转矩和磁通进行了分析和比较,并对槽数与极数配合对齿槽转矩的影响进行了研究。研究表明,采用偏心磁极结构可有效地削弱齿槽转矩,而对每极磁通影响较小,本文提出的方法是有效的。     

聚磁式横向磁场永磁电机自定位转矩研究

本文主要研究了聚磁式横向磁场永磁电机自定位转矩及其与电机结构尺寸之间的关系问题,首先通过二维场模型定性分析了聚磁式横向磁场永磁电机自定位转矩的特点;并采用三维等效磁网络法进行了样机的三维场分析,分析了磁场分布情况,并计算了不同定子极宽时的自定位转矩;设计了样机,样机试验数据与设计基本吻合.     

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。     

电动自行车用磁通切换电机研究

针对电动自行车用磁通切换电机齿槽转矩大的问题，依据槽极配合原理，设计并对比了12槽10极和12槽11极2台电机。有限元仿真结果表明，12槽11极电机的转矩脉动仅为12槽10极的16.6%，通过转子分段斜极方式进一步减小其齿槽转矩，同时分析转子斜极角度对电机转矩性能的影响。研究结果表明，斜极优化后的12槽11极磁通切换电机转矩脉动仅有2%，且输出转矩能够满足电动自行车日常行驶动力需求。