宽转子无轴承开关磁阻电机的计及磁饱和径向力模型

针对无轴承开关磁阻电机现有的基于无磁饱和假设的数学模型只适用于未磁饱和工况的缺点,为宽转子单绕组无轴承开关磁阻电机建立了一种可以计及磁饱和影响的全周期径向力数学模型。首先依据该电机的磁场有限元分析结果,基于麦克斯韦应力法求出了径向力关于气隙磁密的表达式;然后对铁心材料的非线性磁化特性进行拟合,再根据该电机的等效磁路计算了计及磁饱和影响的气隙磁密;之后建立了该电机的径向力模型,并在对比分析了边缘气隙磁密和主气隙磁密对径向力的影响后,对所建径向力模型进行简化,以减小计算量和复杂度。最后利用三维有限元分析进行验证,结果表明所建径向力模型对该电机未磁饱和、部分磁饱和以及完全磁饱和工况均适用。计及磁饱和的全周期径向力模型的建立,可以为电机运行特性分析、本体优化设计以及控制策略研究提供更准确的理论参考。     

无轴承开关磁阻电机的减振控制策略

脉动的径向电磁力导致的定子振动问题阻碍了磁阻电机的推广应用。该文研究了一种利于减小无轴承开关磁阻电机(bearingless switched reluctance motor，BSRM)定子电磁振动的悬浮运行控制策略。该控制策略在保证电机转子悬浮所需悬浮力一定的前提下，以减小定子极受到的径向电磁力为控制依据。基于悬浮运行原理和数学模型，叙述了减振控制策略的基本原理；推导了主绕组电流、悬浮绕组电流、开通关断角等电机相关控制参数的计算方法；并给出了系统控制框图。仿真和实验结果均证实了新的控制策略不仅能实现电机的稳定悬浮旋转运行，同时有利于减小 BSRM 定子电磁振动，验证了理论分析的正确性和可行性。     

单绕组磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型

针对现有的单绕组磁悬浮开关磁阻电机在建立数学模型时常忽略磁饱和影响的不足,利用麦克斯韦应力法,结合等效磁路分析法,推导了考虑磁饱和特性的单绕组磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型。以一台样机为例,建立有限元仿真模型,同时对比基于虚位移法推导所得的数学模型,验证数学模型的正确性和优越性,为电机的运行特性分析、本体优化设计以及控制策略研究提供更准确的理论依据。     

无轴承开关磁阻电机控制策略综述

无轴承开关磁阻电机结合了磁轴承与开关磁阻电机的双重优点,在航空、高速等领域具有非常广阔的发展前景。该文简要地介绍了无轴承开关磁阻电机的工作原理及其数学模型,总结了近年来无轴承开关磁阻电机在控制策略方面的研究成果,并对主要控制策略的优缺点进行了分析和比较。最后指出了无轴承开关磁阻电机未来的研究和发展方向。     

新型无轴承开关磁阻电机双相导通数学模型

针对传统无轴承开关磁阻电机数学模型单相电流导通模式的局限性,提出了一种适用于单、双相导通的无轴承开关磁阻电机数学模型.在建立两相电流导通的等效磁路模型基础上,确定电感矩阵,推导出两相电流导通的径向悬浮力和电磁转矩的表达式.基于该数学模型的双相电流导通模式极大程度地拓宽了无轴承开关磁阻电机的工作区域,增加了其承受径向负载的能力.利用磁场分析法验证了该数学模型的正确性和优良的工作特性.     

无轴承开关磁阻电机的转矩计算

无轴承开关磁阻电机具有体积小、效率高的优点,分析了无轴承开关磁阻电机的电磁力产生的原理,用增强能量增量法推导计算了电机转矩的方程式,并使用有限元方法对电机的转矩进行了计算验证,分析了电机的转矩特性,给出了实现电机稳定运行的电流取值范围,为电机设计提供了参考。     

无轴承开关磁阻电机磁场及力特性的分析

分析了无轴承开关磁阻电机(SRM)径向悬浮力产生原理.考虑磁饱和,以非线性磁化曲线为基础,建立了无轴承SRM的ANSYS有限元二维模型,对一台原理样机进行了电磁场分析,计算了转矩与悬浮力特性.将计算结果与采用线性磁化曲线时的有限元结果进行了比较,结果显示出考虑磁饱和的必要性,同时为样机的有效控制奠定了基础.     

无轴承开关磁阻电机磁饱和特性的电磁场分析

阐述了无轴承开关磁阻电机径向悬浮力产生的原理,考虑电机内复杂的磁场饱和情况,定性分析了主、副绕组电流大小对悬浮力的影响.计及磁场饱和,建立了无轴承开关磁阻电机的有限元分析模型,以一台3kW样机为例计算了各种主、副绕组电流组合时的转矩与悬浮力.数值计算结果验证了定性分析所得结果,表明无轴承开关磁阻电机在运行中存在比传统开关磁阻电机更加复杂的磁饱和现象,磁饱和使得电机悬浮力与绕组电流关系严重非线性,而且悬浮力大小并非总是随绕组电流的增加而增加,存在随电流增加悬浮力减小的情况,这必然给稳定悬浮控制带来困难.     

无轴承开关磁阻电机麦克斯韦应力法数学模型

针对已有基于虚位移法的无轴承开关磁阻电机数学模型推导复杂的缺限,从麦克斯韦应力法角度出发,建立了考虑电机磁饱和特性的数学模型。在大电流饱和状态下,该模型有效地描述了电机产生的径向悬浮力和电磁转矩。利用有限元分析的方法验证了该模型的优良特性。试验结果显示利用该模型能够很好地实现电机稳定悬浮,表明采用麦克斯韦应力法建模的正确性和可行性。该方法的应用为研究无轴承开关磁阻电机电磁力分布提供了新的思路。     

无轴承开关磁阻电机的功率变换器研究

无轴承开关磁阻电机结构简单、运行效率高、容错能力强,具有良好的高温和高速适应性。介绍了无轴承开关磁阻电机的悬浮原理和系统构成,简要分析了其控制策略。根据其控制特点,设计了主绕组和悬浮绕组功率电路拓扑结构,通过实验样机验证了功率电路的可靠性。     

磁网络模型在两相激磁开关磁阻电机中的应用

针对两相激磁开关磁阻电机（TPESR电机）初始设计中采用有限元方法速度太慢的问题,建立了TPESR电机的非线性变结构等效磁网络模型以提高设计效率,提出了一种气隙磁导的计算方法和局部饱和的处理技术。利用该模型对TPESR电机进行了磁场特性的分析,并且和有限元计算及试验结果做了比较。结果证明,磁网络模型的计算速度要远高于有限元,而精确度基本满足要求．适于进行电机初始设计。     

一种改进的无轴承开关磁阻电机数学模型

类似于常规开关磁阻电机,无轴承开关磁阻电机的定、转子极宽并非总是相等,通常转子极宽略大于定子极宽,在建立数学模型时应当考虑这一因素.现有的无轴承开关磁阻电机数学模型都存在电机定、转子极宽相等的约束.考虑无轴承开关磁阻电机定、转子极宽可能存在的不相等因素,采用基于直线磁路和变椭圆系数的椭圆形磁路分割法求取气隙磁导,推导出无轴承开关磁阻电机的通用数学模型,使其不仅适用于定、转子极宽相等,而且适用于转子极宽大于定子极宽的情况.以实验室样机为例,将基于所建模型的分析结果与有限元分析结果进行了对比,验证了所建数学模型的正确性,精确度满足工程要求.应用所建立的无轴承开关磁阻电机数学模型,分析了定、转子极宽不等对悬浮力和转矩的显著影响.     

单绕组无轴承开关磁阻电机转子偏心时悬浮力的分析与计算

无轴承类电机转子的偏心运行是不可避免的,由有限元分析可知转子偏心对其径向受力影响较大,忽略转子偏心时的径向受力分析将很难实现转子的稳定悬浮运行。而目前有关无轴承类电机的径向力计算都没有考虑转子偏移量的影响,只是计算转子在中心位置时的受力情况。鉴于此,针对具有结构简单优势的单绕组无轴承开关磁阻电机(BSRM),本文提出了考虑转子偏移量的径向力数学模型,给出了绕组电流、电机结构参数、转子偏移量、转子旋转位置与径向力之间的数学关系。同时考虑到转子偏心对电磁转矩的影响较小,推导了忽略偏心影响的电磁转矩解析式。与有限元分析对比结果验证了本文径向力与转矩数学模型的正确性。最后,基于推导所得的数学模型对单绕组BSRM径向力与转矩控制进行了初步的动态仿真研究,进一步验证了数学模型的准确性与实用性。     

Torque and suspension force in a bearingless switched reluctance motor

Bearingless switched reluctance motors, which can control rotor radial positions with magnetic force, have been proposed. The bearingless switched reluctance motors are characterized by integration of switched reluctance motors and magnetic bearings. These motors have two kinds of stator windings composed of motor main windings and suspension windings in the same stator in order to produce suspension force that can realize rotor shaft suspension without mechanical contacts or lubrication. For successful stable operation, accurate theoretical formulas of instantaneous torque and suspension force are necessary to a rotational speed controller and a rotor radial position controller. This paper derives the theoretical formulas of the instantaneous torque and the suspension force from an assumption of simple permeance distribution. This derivation process makes an assumption that fringing fluxes are distributed on elliptical lines. It is shown with experimental results that the derived theoretical formulas are very accurate in terms of practical application. © 2006 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 157(2): 72–82, 2006; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20157     

磁悬浮开关磁阻电机逆动力学建模与控制

针对磁悬浮开关磁阻电机这一多变量、非线性、强耦合系统解耦控制时逆动力学模型难以获取的问题,提出一种基于最小二乘支持向量机的逆动力学建模与解耦控制方法.介绍磁悬浮开关磁阻电机工作原理,给出悬浮力和转矩的动力学模型,分析模型的可逆性.在此基础上,结合最小二乘支持向量机拟合与逆模解耦线性化特点,研究磁悬浮开关磁阻电机的最小二...     

磁悬浮开关磁阻电机建模与参数优化设计

针对磁悬浮开关磁阻电机参数设计问题,提出一种基于最小二乘支持向量机与粒子群优化算法的电机结构参数优化设计方法.采用三维有限元仿真建立样本空间,构建悬浮力、电磁转矩与绕组间互感的最小二乘支持向量机非参数模型;并基于该非参数模型,选择满足额定电磁转矩为约束条件,悬浮力最大且绕组间互感最小为优化目标,采用粒子群优化算法获取电...     

无轴承高速开关磁阻电机设计中的关键问题

讨论了无轴承开关磁阻电机在高速运行时的电磁设计、结构强度、稳定性设计、转子应力设计、散热设计、磁性材料选择等关键技术问题,给出了在设计过程中应注意的问题和优化设计的方法依据。考虑上述电机设计原则,对一台7.5kW无轴承开关磁阻电机进行了电磁和结构参数的优化设计,建立了基于ANSYS的二维有限元模型,对径向悬浮力和转矩特性进行了计算,比较了仿真和理论计算结果;在实验样机上测量了主绕组、悬浮绕组电感。结果表明,该设计方法满足了无轴承高速开关磁阻电机的设计要求,对进一步进行参数优化具有参考价值。     

双极性分块转子开关磁阻电机

针对单极性励磁时四相8/6结构分块转子开关磁阻电机的定子磁通冲突问题,把双极性励磁方法应用于四相8/6结构分块转子开关磁阻电机,基于2D有限元建立双极性分块转子开关磁阻电机的场路耦合模型,计算双极性分块转子开关磁阻电机的电流、转矩及铜耗,并在(r,θ)坐标系中细致描述定子铁心和转子铁心特征区域的磁密周期性变化规律,最后应用双频法分离铁损获得铁心的涡流损耗和磁滞损耗.计算结果表明,与同等双极性励磁的8/6结构双极性普通开关磁阻电机相比,8/6结构双极性分块转子开关磁阻电机的转矩脉动大,但铜耗减小约32%,铁耗减小约35%.     

基于麦克斯韦应力法的双绕组无轴承开关磁阻电机新型数学模型

现有的双绕组无轴承开关磁阻电机麦克斯韦应力法数学模型忽略了相互垂直方向上径向悬浮力的耦合,但当转子偏离定转子齿极中心对齐位置较大时存在较强的耦合,故现有模型难以满足高精确度稳定悬浮控制要求。选择一种计及相互垂直方向悬浮力耦合的新积分路径,建立了基于麦克斯韦应力法的双绕组无轴承开关磁阻电机新型数学模型,同时为计及电机磁路的饱和特性,采用最小二乘法对铁心材料的非线性磁化曲线进行拟合,求解考虑磁饱和的各气隙磁密。通过与有限元仿真结果对比,验证了所建模型不仅揭示了相互垂直方向上径向悬浮力的耦合关系,考虑了磁饱和特性,且具有精确度良好、计算量小等优点,为实现高精度稳定悬浮控制奠定了基础。