混合励磁轴向磁场磁通切换型永磁电机特性分析与试验研究

提出了一种适用于电动汽车驱动系统的E型铁心混合励磁轴向磁场磁通切换型永磁(HEAFFSPM)电机。以一台三相6/10极电机为例,基于三维有限元方法全面研究该电机静态特性,包括气隙磁密、空载永磁磁链、空载反电动势、电磁转矩、转矩-电流特性、绕组电感和磁场调节能力等;研究转子齿扇形角度和转子斜极对电机反电动势和齿槽转矩的影响,分析表明转子齿扇形和转子斜极可以改善反电动势和齿槽转矩波形。制造了一台2 k W样机并对其进行测试,验证了有限元分析结果的准确性,结果表明HEAFFSPM电机的磁链和反电动势均为正弦分布,带载能力和磁场调节能力均较强。     

注塑机用永磁同步电动机的设计与分析

为改善注塑机用永磁同步电动机的气隙磁密波形,降低振动和噪声,提出一种新的转子结构。设计了一台8极36槽永磁同步电动机,在转子铁心上适当打孔和开槽,借助电磁场有限元分析软件ANSYS Maxwell,建立电机模型,并对电机空载气隙磁场、齿槽转矩、电磁转矩及径向电磁力波进行了分析与计算,仿真结果表明,采用该转子结构可减少电机转矩脉动和气隙磁场谐波。样机试验结果验证了该电机设计的合理性。     

分数槽集中绕组双馈感应电机电磁特性分析

定转子均采用分数槽集中绕组结构的双馈感应电机极槽数接近,气隙中含有丰富的磁动势谐波,谐波极对数磁场相对于转子高速旋转,会引起电机的转矩脉动。为此,通过磁能和虚位移法求解电磁转矩解析表达式,分析不同次数、不同运动方向的谐波磁场对电磁转矩的影响以及转矩脉动的特点;利用编码器的定位测量功能,提出了一种测量样机转子实时位置的方法,从而量化分析感应电压、电磁转矩等参数。最后利用有限元建立样机二维模型,仿真结果表明：转子转速越快,转子感应电压幅值越小,转矩脉动频率越高,转子转速越慢,转子感应电压幅值越大,转矩脉动频率越低,验证了分数槽集中绕组双馈感应电机电磁耦合理论的正确性。     

新型电动车用轮毂电机的稳态研究

设计了一种新型电动汽车用外转子双凸极永磁电机,采用有限元法对该电机在空载和互载时的特性进行分析,并对电枢电流对电机磁场的影响进行了深入研究,得出该电机在空载和负载时的磁场分布图以及空载时转子在不同位置时的气隙磁密分布曲线;同时也求出了永磁磁链、不同互载时磁链、输出转矩、励磁转矩、自感磁阻转矩和互感磁阻转矩随转子位置角的变化曲线,这些特性的获得为以后分析该电机的动态特性奠定了坚实的理论基础.     

基于Maxwell 14的外转子电励磁双凸极电机研究

基于Ansoft Maxwell 2D的仿真环境,建立外转子电励磁双凸极电机(DSEM)的仿真模型.对模型进行瞬态磁场仿真,研究电动机的空载特性和负载特性,获得电动机在不同转子位置角度时的磁场分布、电枢和励磁绕组磁链以及电磁转矩曲线等数据.这些数据为电动汽车驱动系统用电机的设计和优化提供了一些参考.     

磁动势法五相永磁力矩电机转矩分析

五相永磁力矩电机由于极数与槽数相近,含有丰富的磁动势谐波,磁动势谐波会影响电机的转矩性能。为此,采用磁动势法分析电机的电磁转矩,通过磁能和虚位移原理推导出了电机电磁转矩的解析表达式,揭示了具有相同空间次数的定子和转子磁动势谐波相互作用才能产生电磁转矩的规律。通过对五相永磁力矩电机的定、转子磁动势谐波与电磁转矩关系的分析,指出与与主波转速一致的定子和转子磁动势谐波相互作用能提高五相永磁力矩电机的平均电磁转矩。利用Ansoft有限元软件仿真分析了电机在正弦波、梯形波和方波供电下的定子磁动势、转子磁动势以及转矩性能。结果表明,非正弦供电能够增加电机的电磁转矩,但也带来了转矩脉动,验证了磁动势法分析五相永磁力矩电机转矩的有效性和正确性。     

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。     

模块化多单元磁通切换电机设计与特性分析

该文提出一种具有高转矩密度、低转矩脉动的新型模块化多单元磁通切换(modularelementaryfluxswitching permanentmagnet,ME-FSPM)电机结构，研究槽极配合对电磁特性的影响。基于气隙磁场调制原理，从永磁磁场调制的角度阐明ME-FSPM电机气隙磁导调制系数对永磁磁密调制谐波影响规律。由于轴向模块配合与集成环形绕组拓扑，ME-FSPM电机不同槽极配合下具有高绕组因数特征，进而针对性的定义气隙磁导调制系数是决定永磁磁链基波幅值的关键参数。依据气隙磁导调制系数模型，揭示电负荷恒定下转子极数与电磁转矩变化规律。基于气隙磁密分布规律，分析模块配合下齿槽转矩抑制原理，依据槽极配合选择实现齿槽转矩基波抵消以及输出转矩提升，提出ME-FSPM电机槽极配合选择方法。最后，在6槽ME-FSPM电机结构下，选择6槽/7极和6槽/8极结构具有良好的转矩特性，并通过仿真与实验验证理论方法的合理性与有效性。     

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。     

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。     

低转矩脉动低速大转矩电主轴感应电机的设计与分析

针对低速大转矩电主轴电机转矩脉动偏高的工程实际问题,对电机不同槽配合的性能进行分析综合对比,精确选择出各方面性能较优的电机方案。针对感应电机有限元仿真瞬态场收敛速度慢、在多方案对比时求解周期长的问题,提出时谐场和瞬态场联合仿真的思路,实现电机的快速优化设计。对一台12极7.5 kW的电主轴感应电机在每极每相槽数为3、2.5、2三种不同槽配合的组合下进行二维电磁有限元分析计算,对比其在额定工况下的铁耗、绕组铜耗、转子铝耗、效率、功率因数和转矩脉动等电磁性能。结果表明了转子导条数目的增加,能够使电机电磁性能保持较高水平,特别是能够维持较低的转矩脉动水平。最后对定子槽数90和转子槽数106的槽配合方案进行了样机制作,试验验证了样机的性能,并验证了时谐场和瞬态场联合仿真的准确性。     

一种非对称混合式永磁同步电机设计与分析

针对传统内置式永磁同步电机磁阻转矩与永磁转矩不是在相同电流相位角下达到最大,不能最有效的利用磁阻转矩与永磁转矩的问题,提出了一种新型非对称转子结构永磁同步电机设计方案,电机输出转矩和减小转矩脉动。首先,一种不对称转子结构,通过使转子不对称,使磁阻转矩和永磁转矩在相近电流相位角下达到最大,从而提高输出转矩。其次,为衡量转矩利用率,引入转矩利用率因子,利用冻结磁导率法将电磁转矩分解为磁阻转矩和永磁转矩两部分,运用有限元确定表面磁极最佳偏移角θ;最后,对提出的新型非对称转子结构永磁同步电机进行电磁性能分析,在不增加材料与制造成本的情况下,电机最大输出转矩增加7.52%,转矩脉动减小39.15%。     

转子分段斜极对永磁伺服电机性能的影响

着重研究不同分段斜极段数对转矩波动和噪声的影响。通过Ansoft软件进行3D电磁场计算,并将3D场计算的气隙磁密进行矢量相加,利用Ansys软件将叠加后的平均气隙磁密进行2D声场计算,将分段斜极复杂的3D声场计算简单化,同时提出一种将转子分成两段斜极结构的简单工艺,并总结了满足该工艺的设计要求。通过试验验证,该仿真计算与试验基本一致,为该类电机设计计算提供参考。     

自轴承式双定子实心转子盘式异步飞轮电机设计

自轴承式双定子实心转子盘式异步飞轮电机（DSSRAFIM）具备双定子盘式电机与实心转子异步电机的结构特点,基于其结构特点,研究了该电机的设计方法。为将DSSRAFIM内三维分布的电磁场等效为二维分布,采用了改进的分环法,将其等效为一系列宽度相等、长度递增的双初级钢次级直线电机。通过建立双初级钢次级直线电机模型,分析实心转子厚度、气隙长度等关键尺寸参数对DSSRAFIM运行性能的影响。且分析得到了轴向磁拉力、电磁转矩与定子电流的关系,研究表明该电机除提供稳定转矩外,还能同时提供稳定可控的悬浮力,实现自轴承运行。     

永磁同步力矩电机的多领域联合设计与分析

基于Ansys、MATLAB/Simulink等仿真软件,对永磁同步力矩电机的工作特性进行多领域分析。以抑制转矩脉动和振动为目标对电机进行电磁仿真和模态分析;仿真电机空载最高转速的转子离心应力和转子结构形变;校核技术指标要求的最高转速工作点的运行可靠性;基于Ansys Simplorer平台对电机控制系统的转矩特性进行联合仿真;分析电机加工工艺对电机性能的影响。从而从整体系统角度出发,寻求最优的电机设计方案。     

罩极式电动机转矩波动分析与抑制方法研究

采用双旋转磁场理论对罩极式电动机定子产生的磁动势进行分析,得到了罩极式电动机的等效电路;推导了气隙旋转磁场和转子电流的数学表达式,进而得到了电动机电磁转矩的数学表达式,结果表明电磁转矩中包含二倍频振动转矩分量。对罩极式电动机的实际转矩波动进行了检测,验证了上述理论的正确性。根据罩极式电动机转矩波动的产生机理和变化规律,提出了一种基于峰谷互补原理的转矩波动抑制方法,研制出了低转矩波动罩极式电动机样机。最后搭建实验平台对电动机样机的转矩波动进行了测试,结果表明其二倍频振动转矩分量能够得到有效消减,验证了所提出的抑制方法的科学性。     

Topology Optimization of Rotor Pole in Switched Reluctance Motor for Minimum Torque Ripple

Torque ripple is a major problem for switched reluctance motors, which may cause undesirable vibration and acoustic noise, especially at low speed. This paper presents an optimal topology structure of rotor for 8/6 pole switched reluctance motor by using the level set method. The nonlinear ferromagnetic material boundary of rotor pole is implicitly represented through an embedded level set function. This method is applied to obtaining the optimal distributions of material in the design domain for minimizing torque ripple and maximizing average torque. In the optimization objective function, the reluctivity of ferromagnetic material is selected as the design variable. The normal velocity is derived from sensitivity analysis, where the adjoint variable method is utilized. Two-dimensional finite element method is employed to calculate the electromagnetic parameters of this electric machine. Analysis results obtained from the transient simulation of electromagnetic field coupled with control circuit show that the torque ripple is reduced effectively by using the optimized rotor structure.     

永磁伺服电机转子偏心对电机性能的影响研究

针对永磁伺服电机转子偏心对电机综合性能的影响,以一台14 k W卷烟自动化设备永磁伺服电机为例,建立了电机二维电磁场数学模型,给出了求解域以及相应的边界条件;采用有限元计算方法,计算分析了永磁电机转子偏心对气隙磁场的影响,给出了转子偏心影响气隙内谐波磁场的变化规律,并与部分实测数据进行了对比。在气隙谐波磁场分析的基础上,定量分析了气隙谐波磁场的变化对电机输出转矩和电机转子表面涡流电密的影响,给出了静态偏心、动态偏心以及不同偏心程度情况下电机输出转矩、电机转子涡流损耗的变化规律,并进一步揭示了涡流损耗变化的机理,为深入研究永磁电机偏心对电机性能的影响提供了理论基础。     

Brushless DC Motors Using Unsymmetrical Field Magnetization

The prevalent types of brushless dc motors have evolved from the classical synchronous machine structures, using two-phase, three-phase, or four-phase stator windings and symmetrical N-S field magnetization patterns. The popular two-phase two-pulse brushless motor requires auxiliary means for starting and for ensuring relatively constant torque with rotor position. Three methods are used: 1) skewed stator poles, which introduce unsymmetrical air-gap reluctance and the resultant unsymmetrical air-gap magnetic field, 2) the Wessels design, which uses a rotor pole pattern of north-south-zero (N-S-0) and auxiliary stator poles, and 3) a combination of N-S-0 rotor pattern and 1200 electrical (el) pitch stator coils to produce an unsymmetrical air-gap magnetic field. The electromagnetic torque produced by motors using each of these methods is calculated using the coenergy method.