基于Halbach阵列与组合型磁极相结合的表贴式永磁电机优化设计

为了减小表贴式永磁电机气隙磁场中谐波含量过高所带来的电机性能下降的影响,提出了Halbach磁体阵列与组合型磁极相结合的转子结构。基于时步有限元计算软件,利用田口法正交试验,以谐波畸变率THD和气隙磁密基波幅值大小为评价标准,优化设计了4极永磁电机的转子结构参数。优化参数包括:磁钢厚度、组合磁极的磁极配比、Halbach充磁夹角、较小磁能积的永磁材料的矫顽力大小。通过对比优化前后气隙磁通密度谐波含量,验证了该优化方法的有效性。     

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.     

基于Halbach阵列的永磁球形电动机磁场

Halbach阵列永磁电机与常规磁体结构电机相比,具有更接近正弦的气隙磁密分布、更大的气隙磁通及良好的自屏蔽作用等特性.因此,Halbach阵列永磁电机具有效率高、体积小、重量轻等优点.本文提出一种Halbach阵列永磁球形电动机,介绍了其基本结构和工作原理,并给出了转子磁极的Halbach阵列充磁规律.以转子4极、每极3块Halbach阵列磁体结构为例,对其磁场进行了分析,得出了磁场三维解析模型,并对磁场沿球坐标ψ和θ两个方向的谐波含量进行了研究.最后采用有限元方法对磁场进行了分析.     

新型双层Halbach永磁阵列的解析分析

提出了一种新型双层Halbach永磁阵列,该阵列结构简单、易于优化,可以得到很高的气隙磁通密度正弦度。设计了一台高速无槽永磁同步电机,运用标量磁位法对双层Halbach永磁阵列在电机气隙中产生的磁场进行了解析分析,得到了气隙磁通密度的数学表达式,并进一步得到了电机空载反电动势。分析表明,优化后的气隙磁通密度的谐波畸变率仅为0.5%,反电动势中的谐波含量也非常小。制造了一台样机并进行了实验研究,通过解析、仿真与实验结果的对比,验证了解析方法的正确性。     

永磁直线同步电动机Halbach阵列磁场分析

直线电动机的气隙磁场是决定其性能的关键因素.针对平板动磁式永磁直线同步电动机(PMLSM),采用Halbach磁体阵列来提高气隙磁场的正弦性.给出了Halbach阵列磁体排列方式及磁化规律;利用有限元法对Halbach磁体结构与常规磁体结构的永磁直线同步电动机进行比较,分析了磁通密度在平均气隙及轭部的分布情况;在此基础上提出了一种基于Halbach阵列的改进的磁体排列方案,并分析了此方案对电机气隙磁密的影响,得出了一些有用的结论.     

Halbach永磁直流电动机气隙磁密分析

首先通过Halbach永磁直流电动机的物理模型推导出气隙磁密的解析解，进而分析磁场的分布特点；然后利用有限元方法求解Halbach永磁直流电动机气隙磁密的数值解，并将两种方法的计算结果进行比较对照，分析了磁通密度随磁体厚度、极对数、每极磁体阵列数的变化规律以及3维情况下沿轴向的衰减情况。     

改进型Halbach阵列的永磁同步电机分析与设计

针对Halbach永磁阵列具有单边聚磁,提高气隙磁场磁通密度基波幅值和改善磁通密度波形的正弦性的优异特性,研究了一种改进型的Halbach永磁阵列。该阵列结构简单、充磁方便、易于优化,进一步改善了气隙磁通密度的正弦度,提高了磁通密度的基波幅值和反电动势基波幅值、永磁电机效率,降低了转矩脉动。运用标量磁位法对改进型Halbach永磁阵列在电机气隙中产生的磁场进行解析分析,得到了气隙磁通密度和空载反电动势的表达式,并利用Maxwell应力张量法解析电磁转矩;通过设计一台8 kW的电机模型,运用磁场有限元仿真验算该方法的准确性和有效性。     

应用新型Halbach阵列的PCB定子轴向磁通永磁电机性能分析

本文针对定子为印刷线路板（printed circuit board,PCB）结构的轴向磁通永磁电机的特点,将一种新型的Halbach永磁体阵列应用于该永磁电机中,并对其性能参数进行分析。通过与传统Halbach永磁体阵列的无铁心轴向磁通永磁电机相比可知:应用新型Halbach永磁体阵列的PCB定子轴向磁通永磁电机在相同尺寸及同等永磁体用量条件下,具有更高的气隙磁密及每极磁通,可获得更高的空载反电势,同时有效地降低了漏磁,使得气隙磁密更接近正弦波,电机的整体性能得到了提升。有限元分析结果和样机的对比试验证明了应用新型Halbach永磁体阵列的PCB定子轴向磁通永磁电机的合理性和有效性。为PCB定子轴向磁通永磁电机的设计提供一定的参考。     

三段Halbach磁铁阵列永磁同步电机铁心的优化设计

Halbach磁铁阵列和集中绕组的分数槽绕组应用于永磁同步电机可提高输出转矩并降低转矩波动,满足伺服系统快速性和高精确度的要求,但需要对电机铁心进行再设计。依据Halbach磁铁阵列的理论建立了每极三段Halbach磁铁阵列永磁同步电机磁场的模型,并分析了气隙磁场特点,提出采用集中绕组的分数槽绕组削弱齿谐波。分析电机铁心的结构特点,确定多个关键尺寸为设计变量,以一定电流的最大转矩平均值和最小转矩波动为主要优化目标,采用Taguchi方法简化优化设计的计算,并建立了双层的优化模型。以一台8极9槽的伺服电动机为例,采用有限元计算,阐述了每极三段Halbach磁铁阵列永磁电机多变量、多目标的优化过程。     

磁体结构尺寸对Halbach阵列的影响

基于Halbach磁体阵列结构的内转子永磁电机的基本模型,比较了Halbach磁体结构与普通磁极结构的永磁电机,分析了Halbach磁体结构的气隙磁密分布,得出磁体结构的气隙磁密、磁通随永磁体的厚度的变化规律,总结出Halbach阵列具有磁单边特性,且在强侧具有良好的正弦特性。     

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。     

Halbach阵列永磁电机齿槽转矩分析与计算

为了削弱永磁电机齿槽转矩,提高电机气隙磁密,改善气隙磁场分布,采用分段式Halbach阵列磁体结构,使永磁体获得理想的单边磁场。利用Maxwell软件,建立电机二维有限元分析模型,计算空载时电机的磁力线分布,获得电机气隙磁密和齿槽转矩等电磁特性,并与传统径向充磁磁体电机进行对比分析。研究结果表明,该方法能有效削减齿槽转矩,提高磁密幅值,增强磁密正弦性。     

集中非叠绕组的绕组因数对电势谐波抑制

为了研究集中非叠绕组永磁同步电机绕组因数对电势谐波的削弱作用,给出了集中非叠绕组的元件连接方式,推导了集中非叠绕组的齿/极配合关系,并在此基础上讨论了集中非叠绕组的节距类型,分析了节距因数和分布因数对电势谐波的影响。分析结果表明:集中非叠绕组的节距因数只能消除电势相数次或相数的倍数次谐波,当每极每相槽数的最简分式分子为1时,分布因数对电势谐波没有削弱作用。为消除电势中特定次谐波,进一步提出了利用槽口因数来消除特定次电势谐波的方法。实例分析和样机研究验证了本文分析的正确性和所提方法的可行性。     

永磁无刷直流电机负载磁场及其电磁转矩的计算

该文在考虑齿槽影响的前提下，建立了永磁无刷电机电枢反应磁场的解析计算模型，求出永磁电机相绕组的自感和互感。在对水磁无刷直流电机空载气隙磁场和空载相绕组反电动势求解的基础上，结合永磁无刷直流电机主电路的拓扑结构，构造出电机绕组的场路耦合模型，由此计算出电机相绕组电流变化波形。在考虑齿槽影响情况下，计算出永磁电机在任意时刻的电枢反应磁场和负载气隙磁场，进而计算出永磁无刷直流电机产生的瞬时电磁转矩，以便定量分析永磁无刷电机的电磁转短被动和绕组换相引起的转矩被动，为分析永磁无刷直流电机的工作特性和振动噪声提供了可靠的依据。     

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。     

少稀土组合磁极Halbach永磁同步电机性能和材料成本研究

稀土永磁同步电机性能优越,但稀土永磁材料价格昂贵导致电机成本增加。因此,提出了一种新型少稀土永磁同步电机,其永磁体采用组合磁极Halbach结构。分析了少稀土组合磁极永磁同步电机的结构特点,并在此基础上,提出了少稀土T型、HAT型和LREH型三种组合磁极Halbach永磁同步电机拓扑结构。从电机空载反电动势、空载齿槽转矩和额定负载电磁转矩等方面分析了三种拓扑结构少稀土永磁同步电机,并与稀土永磁同步电机进行对比分析。在等转矩条件下研究了钕铁硼和铁氧体两种永磁体厚度对少稀土组合磁极永磁同步电机材料成本的影响。对比分析了稀土永磁同步电机和三种少稀土永磁同步电机的材料成本。有限元仿真结果表明LREH型少稀土组合磁极Halbach永磁同步电机具有更好的转矩性能和更低的材料成本。     

一种基于波形等效原则的永磁电机空载反电动势在线测量方法研究

永磁电机的空载反电动势是电机设计的重要指标,综合反映了电机的电磁性能。一台永磁电机在设计完成时,其额定转速下的空载反电动势的大小是确定的。但随着电机投入运行,由于工作环境的温度、机械或是化学变化,可能会使得永磁体发生退磁问题,进而影响电机的工作性能。传统的反电动势测量方法均为离线测量,具有诸多不便性。本文根据实际的工程需要,提出一种在线测量永磁电机反电动势的方法,并设计样机验证了理论的有效性。通过捕获电机在任意转速断电后一个电周期内的反电动势波形,利用波形等效思想得到等效正弦波,并进一步推算出永磁电机在额定转速下的反电动势。将其与空载反电动势设计值进行对比,即可对当下永磁体的磁性能做出快速评估,为电机的故障维护和长期稳定运行提供技术保障。     

聚磁型永磁游标容错电机研究

提出一种带有磁通桥结构的聚磁型永磁游标容错电机,引入容错齿结构.首先,提出了SAPMVFM结构,采用磁通桥结构改善多极对聚磁型永磁游标电机磁路,提高电机的输出转矩,并通过定子Halbach阵列改善了由于磁通桥造成的输出转矩波动.其次,对游标电机的电磁原理及磁通桥结构的工作原理进行了分析.再次,对电机的结构进行了优化以得...     

基于永磁形状的BLDC永磁电机转矩分析与优化

无刷直流永磁电机因节能高效、便于使用等优势而受到广泛关注。然而,该类电机通常因空载感应电动势波形不理想而具有转矩脉动较大等问题。以24槽4极无刷直流永磁电机为例,基于气隙磁场调制理论分析了转子永磁型无刷直流电机的空载感应电动势等电磁特性,以磁场调制原理中的永磁初始磁动势源为切入点,探讨影响电机空载感应电动势波形系数的因素并揭示感应电动势形成的内在机理。首先,针对24槽4极传统转子永磁无刷直流电机的运行原理和空载气隙磁场进行分析,并根据得出的结论采取永磁体谐波削极的方式优化电机空载感应电动势波形系数,最后通过仿真验证了理论分析和优化方案的合理性。