基于3D-FEM的新型横向磁通永磁电机的研究

横向磁通电机越来越受到世界各国研究者的注意,尤其在风力发电、军舰等要求低速大转矩的应用场合.相比常规电机,横向磁通永磁同步电动机可以提供更大的转矩密度,却存在功率因数低的问题.本文提出了一种新颖横向磁通永磁电机(TFPM)结构,即采用单边结构、卷绕式定子铁心、内置式聚磁转子结构.该电机结构工艺简化,同时具有高转矩密度和高功率因数的性能特点.文章首先讲述了新型电机的结构特点,接着利用 3D-FEM 工具对电机漏磁系数进行计算,并讨论电机结构尺寸变化对电机漏磁系数的影响.最后给出最新样机的部分参数.     

新型横向磁通永磁电机磁场研究

简要介绍了一种新型横向磁通电机，然后针对该电机进行了空载磁场分析，给出了磁通变化曲线，分析了气隙长度、永磁体宽度对磁场的影响，同时还计算了电机定位力矩。给出了样机实验数据，并与磁场计算结果进行了对比分析，比较结果说明以上方法是有效的。     

新型横向磁通永磁电机研究

横向磁通电机以其高转矩密度的优势而得到了发展，但结构复杂也限制了其应用场合。文中采用轴向充磁的永磁体，实现了一种结构相对简单的新型横向磁通永磁电机。为解决电机磁场建模、分析复杂等问题，引入隔磁磁障实现了三维场到二维场的简化。为实现优化设计，对电机关键参数和尺寸进行了合理选取，最后给出了样机电磁方案。分析结果表明，这种新型永磁电机的制造工艺相对简单，适合中小功率低速直接驱动要求。     

新型盘式横向磁通永磁风力发电机参数设计研究

横向磁通永磁发电机具有高功率、转矩密度、低速性能、电磁负荷独立设置的特点,适用于小型直驱风力发电应用。本文提出一种新型盘式横向磁通永磁发电机,该电机定子铁心采用软磁复合材料与叠片硅钢材料制成,能够降低低频损耗,减小漏磁及转矩脉动,而且电机还具有低的轴向长度,能够提高其空间利用率,使其适用于小型风力发电系统。本文首先详细介绍了该种发电机的结构,并对其进行了电磁设计;然后,对部分重要结构参数进行优化,进一步减少该电机的漏磁,提高电机运行效率;最后,利用三维电磁场有限元方法对优化后的电机进行空载与负载下的仿真运算,进一步验证了电机性能的优越性。     

新型盘式横向磁通永磁风力发电机的设计与分析

横向磁通永磁电机具有电及磁负荷解耦、功率密度转矩密度高的优点,极适合低速直驱场合。本文基于小型风力发电提出一种新型盘式横向磁通永磁发电机,由于采用了软磁复合材料与叠片硅钢材料组合定子铁心盘式结构,电机在具有横向磁通电机优良性能的基础上,还具有低的轴向长度和很低的漏磁和较高的运行效率。本文首先介绍了该电机的结构和原理,并给出了尺寸方程的推导公式,基于此,利用三维电磁场有限元方法分析了该电机空载状态下的气隙磁密、磁链、空载反电势波形及负载输出转矩波形。最后,根据理论计算,设计研制了一台盘式横向磁通永磁发电机样机,并进行了初步试验,进一步验证了电机性能的优越性。     

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。     

双定子盘式横向磁通永磁同步电机的原理分析与转矩脉动抑制

小型化是推动伺服电机技术进步的重要研究方向。通过研究提出具有转矩密度高、空间设计灵活优势的双定子盘盘式横向磁通永磁同步电机,实现电机设计的高度集成化,减小电机驱动系统体积。设计一台额定功率5.4 kW、额定转速3 000 r/min的双定子盘盘式横向磁通永磁同步电机,分析电机的主要电磁性能。为减小电机转矩脉动,提出齿极设计参数优化以及不对称定子盘结构两种手段,进一步研究不对称定子盘结构对电机转子结构强度的影响。实验验证了该电机的可行性以及主要性能参数。     

离散Halbach永磁电动机气隙磁通密度特点及其空载电动势波形优化

利用离散Halbach阵列气隙磁通密度分布特点,合理选择电动机转子结构参数,对发挥永磁体潜力至关重要。文中采用电磁场有限元数值计算方法,揭示离散Halbach阵列气隙磁通密度的谐波和基波与每极磁体数、磁体厚度以及极对数之间的变化规律。并以此为依据设计样机一台,实验结果验证了有限元模型的正确性。同时进一步以样机的结构参数为基础,对反电动势进行优化,提出一种削弱集中非叠绕组结构空载电动势谐波的方法,为离散Halbach阵列集中非叠绕组电机设计提供参考。     

新型横向磁通永磁电机双闭环控制

本文以一种新型横向磁通永磁电机为控制对象,设计了速度和电流双闭环控制系统以改善电机调速性能和稳定性。并针对换相过程长的问题,辅以提前换相手段来增大转矩电流比,提高电机运行效率。仿真和实验结果表明该控制系统能明显改善电机的运行性能。     

多层绕组盘式横向磁通永磁电机的设计优化

针对双层绕组盘式横向磁通永磁电机(DTFM)所存在的U型定子铁心内周向槽利用不充分、转矩密度和转矩品质较差等问题,本文提出了一种四层绕组DTFM。该电机在外径和槽满率不变的情况下,将U型定子铁心内齿径向向内移动一定距离并添加相应绕组匝数,充分利用了内周向槽,具有定子易加工、转矩密度和功率因数高等优点。首先,将该电机等效为盘式电机并推导功率尺寸方程;其次,对比分析了四层绕组DTFM与双层绕组DTFM的空间磁场强度分布、空载反电动势、转矩密度、转矩品质和功率因数等电磁特性,然后,利用响应面法与多目标粒子群算法相结合的优化策略,实现四层绕组DTFM的输出转矩和齿槽转矩优化;最后,基于多目标优化算法结果试制样机,并进行空载和负载实验分析,验证了所提样机的优越性和设计方法的可行性。     

新型盘式横向磁通永磁无刷电机的结构原理及设计优化

伺服电机是工业机器人的执行驱动装置,目前普遍采用表贴式永磁同步电机,但是该类型电机的轴向绕组端部以及较高质量的转子无法进一步满足工业机器人小型化以及高动态性的要求.该文提出一种应用于工业机器人的新型盘式横向磁通永磁无刷电机(DTFM),通过节省绕组轴向端部以及结合工业机器人的具体要求对电机内部空间进行合理设计,可以有效...     

无槽环形绕组轴向磁通永磁电机空载反电动势解析

无槽环形绕组有两种类型,即扇形绕组和矩形绕组。针对这两种绕组空间分布对空载反电动势的影响,分别对两种绕组轴向磁通永磁电机的空载反电动势进行了解析推导。在气隙磁密解析计算时,提出通过建立虚拟等效直线电机模型用以计算气隙磁场端部效应函数。为了验证解析公式的正确性,以一台电机方案为例,利用推导的解析公式对空载反电动势进行了计算,与有限元计算结果进行了对比,结果表明解析计算结果和有限元计算结果相对误差小于2.1%,满足工程要求。因此,推导的空载反电动势解析公式可以作为电机设计人员参考使用。     

横向磁通永磁直线电机损耗的研究

针对三维磁场下的横向磁通永磁直线电机定子铁心损耗和永磁体涡流损耗展开研究,百无给出了电机空载时的三维磁场分布图及各点的磁密波形变化规律,分析在匀速运动下速度大小、负载电流大小以及电流超前与滞后控制方式对电机定子铁心损耗的影响;其次给出了横向磁通永磁直线电机三维涡流场的数学模型,通过有限元数值计算分析空载、负载两种情况下涡流损耗随速度的变化规律;最后搭建了电机铁心损耗实验平台,通过样机空载实验与数值计算结果对比,验证铁心损耗数值计算的合理性.     

新型横向磁通永磁电机不同控制策略的对比实验

针对一种拟应用于电动汽车轮毂式直驱系统的新型横向磁通永磁电机进行了综合实验研究,以探索有效的控制方式。首先按照惯例探讨了永磁同步运行模式,发现常规U/f=C控制时的功率因数和效率均偏低,进而测定基于电压与电流控制规律的V形曲线,发现Id=0控制能使电机效率提高,但功率因数依然随负载增大而降低。为此,进一步探讨了基于Id=0的无刷直流驱动模式,发现正常换相时效率和过载能力仍然不够理想,但采用提前换相方式后改进效果十分明显,由此测定了最佳提前换相角与负载转矩的关系曲线,奠定了工业应用基础。     

新型横向磁通永磁电机无位置传感器控制

分析了新型横向磁通永磁电机的无刷直流运行特点,针对常规相电压法应用于该新型电机时会引入附加检测误差问题,深入分析其产生机理,并结合提前换相方式提出了相应的相位补偿方案以实现正确换相.借助有位置控制器实验首先验证了附加检测误差之存在,并测定了其与负载转矩间的定量关系.在此基础上,进一步利用dSPACE搭建无位置传感器控制系统,对检测误差补偿前、后的运行性能进行实验对比.实验结果表明,与常规相电压法相比,所提出的相电压法改进方案有效提升了电机负载能力,且运行结果与有位置传感器运行时也基本一致.     

新型斜气隙圆筒型横向磁通切换直线电机及其建模分析

该文提出一种斜气隙圆筒型横向磁通切换直线电机(oblique air-gap tubular transverse flux switching permanent magnet linear motor,OATTFS-PMLM)的方案,该新型直线电机综合磁通切换永磁直线电机和横向磁通永磁电机的优点,电枢绕组和永磁体均位于电机初级,次级结构只有铁心,且电负荷和磁负荷在结构上互相解耦,采用斜气隙和圆筒型结构,减小气隙磁阻和避免横向端部效应,具有次级结构简单、可靠性高且带负载能力强的优点。介绍该种电机的基本结构和运行原理,建立基于磁导的电机数学模型,并推导出空载主磁通、空载反电动势、电磁力与主要尺寸之间的关系式。分别通过二维和三维有限元法(finite element method,FEM)仿真计算电机磁场,并通过与传统圆筒型初级永磁直线电机对比研究,分析所提电机结构的合理性和有效性。研制一台实验样机,进行空载感应电动势和静态推力的测试实验,通过对比实验和仿真结果,验证理论分析的有效性和新结构电机原理的正确性。     

一种新型横向磁通永磁电机的建模与参数优化

针对聚磁式组合定子横向磁通永磁电机优化设计这一复杂非线性规划问题,首先分析了电机主要结构参数与力能指标的关系,确定了优化目标和优化变量,并在此基础上提出一种磁场分析和插值计算相结合的特种电机优化建模方法.从而克服了等效磁路优化模型计算精度低和三维磁场模型计算效率低的不足.同时将随机智能优化方法粒子群算法及其改进算法引人电机参数的优化过程,避免了传统优化方法对优化变量初始点的强依赖性.通过对不同优化结果的对比、分析,表明在满足样机输出转矩要求的前提下可以实现转子磁钢用量和电机整体体积最小的尺寸优化目标,充分证明了优化设计的正确性和工程实用价值.     

新型横向磁通永磁电机有位置传感器直接转矩控制

新型横向磁通永磁电机在无刷直流驱动模式下运行时,不可避免存在转矩脉动,但可以通过直接转矩控制加以改善。为规避传统直接转矩控制中的定子磁链给定难和电机起动难问题,提出有位置传感器直接转矩控制新方案,根据转子位置和转矩滞环比较器选择电压矢量,并配合适当提前换相以兼顾高转矩电流比和低转矩脉动。仿真结果证实该方案的可行性和有效性。     

横向磁场磁通切换电励磁磁悬浮直线电机的研究

在传统磁通切换直线电机的基础上,提出了一种可用于轨道交通的横向磁场磁通切换电励磁磁悬浮直线电机(TMFFSEEMSLM)。研究TMFFSEEMSLM的结构与运行原理,该电机的定子为U形磁极,动子为双H形并通过横梁连接,产生横向磁通进行导向,电枢绕组和励磁绕组均位于电机短初级上实现磁通切换,次级仅由导磁铁心构成,电励磁实现气隙磁场调节,极大地降低了远距离轨道交通的制造成本,磁悬浮使电机的初级和次级实现无摩擦运动;建立该磁悬浮直线电机的数学模型,推导电压、磁链方程以及悬浮力、电磁推力和导向力的解析表达式;建立电机的三维有限元模型,分析电机的磁场分布及其电磁参数,对电机的悬浮力、电磁推力、导向力进行仿真,研究结果验证了电机结构的可行性,可以实现牵引、悬浮与导向的一体化。     

Halbach型磁钢的永磁电机气隙磁场解析计算

随着稀土材料价格上涨、永磁电机成本增加,合理的设计Halbach磁体结构,可充分挖掘Halbach永磁电机磁钢的潜力.分析了每极三块的Halbach磁体磁化规律,建立了Halbach型永磁电机气隙磁通密度的解析模型,该解析法计算的气隙磁场与有限元方法计算结果吻合,验证了解析模型的正确性;研究了充磁角度对气隙磁通密度的影响,结合充磁角度传统计算公式,给出了极间有间隔的Halbach磁体充磁角度的计算公式;通过解析模型分析极弧系数和极对数对Halbach永磁电机气隙磁通密度切向分量的基波幅值和波形正弦性畸变率的影响,给出不同极弧系数、充磁方式和极对数时Halbach永磁电机气隙磁场的变化规律.