基于MVO的表贴式Halbach永磁同步电机优化设计

本文提出了一种采用Halbach充磁的新型不均匀表贴式转子结构的永磁同步电动机。在转子永磁体材料用量相同的前提下,该电机所采用的不均匀不等厚永磁体结构能够有效地改善气隙磁密波形,从而提高电机性能。为了得到转子永磁体形状的设计参数,建立了该电机的数学模型,以气隙磁密基波含量、谐波畸变率和永磁体用量为目标函数来进行电机的优化设计。为了寻找目标函数的最值,首次采用Multi-Verse Optimizer(MVO)优化算法进行寻优,提高了寻优速度和准确性。非均匀Halbach阵列结构电机与传统均匀分布Halbach充磁电机进行了仿真性能对比,结果表明,非均匀Halbach阵列结构电机可以进一步改善气隙磁密波形,提高电机性能。     

不同转子结构的永磁半直驱同步风力发电机电磁场的计算与分析

以1.5MW永磁半直驱式同步风力发电机为研究对象,设计了定子252槽、转子32极、永磁体在转子嵌放位置不同的发电机方案,建立电磁场二维有限元计算模型。分别给出两台风力发电机空载和负载两种工况下的磁场波形,并给出两台电机各取一个单元电机内的负载径向气隙磁密谐波分解图,同时计算了负载时绕组磁动势的谐波含量。此外,对相同类型结构的小型永磁同步风力发电机的实测数据与理论计算结果进行比较,为设计大容量永磁半直驱风力发电机提供了一些有意义的参考。     

基于Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电机磁钢优化

对基于90°Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电机的磁钢进行形状优化,以改善电机的气隙磁密波形。分析了电机的结构和空载电磁场,在此基础上采用改变永磁体边缘形状方法将90°Halbach型永磁体阵列优化为内圆型、外圆型和削角型3种,并利用有限元法分析不同永磁体形状对气隙磁密波形的正弦性和基波幅值的影响。分析表明优化后的90°Halbach型盘式无铁心永磁同步电机能够获得和45°Halbach型电机基本相同的气隙磁密,并且在永磁体充磁、加工和安装定位等方面要优于45°Halbach型电机。3种永磁体形状优化中内圆型永磁体的优化效果最佳。     

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。     

Halbach阵列无轴承永磁电机有限元分析

针对气隙磁密对无轴承永磁电机可靠性、转矩脉动及径向悬浮力的影响,提出了Halbach阵列永磁转子结构。从无轴承永磁电机的转子结构出发,对常规面贴式永磁转子和Halbach阵列永磁转子进行了比较分析,并用Ansoft进行了有限元分析,得出了两种不同转子结构的磁力线分布图及气隙磁密波形,分别对两种转子结构的无轴承永磁电机的径向悬浮力与悬浮力绕组电流的关系进行了对比。分析结果表明:Halbach阵列应用在无轴承永磁电机中能显著提高气隙磁密及其正弦特性,增大径向悬浮力。Halbach阵列应用于无轴承永磁电机具有可行性和可靠性。     

Halbach结构在永磁交流伺服电机中的应用

由正弦波电流驱动的永磁交流伺服电机,因其优良的性能被广泛应用于航空、航天、船舶和军工等领域。而独特的Halbach磁体阵列结构因其特有的充磁方式,具有磁场分布正弦性好、气隙磁密幅值高等优点。为进一步提升永磁交流伺服电机的性能,给出了两类Halbach磁体磁感应强度解析式,分析了Halbach结构在永磁交流伺服电机中的应用及该结构电磁特点,并通过有限元仿真对比研究了平行充磁Halbach结构、径向充磁Halbach结构、常规平行充磁结构与常规径向充磁结构电机的气隙磁场与输出转矩。最后通过搭建实验测试平台验证了仿真的准确性。     

新型无铁心永磁直驱风力发电机

针对传统永磁直驱风力发电机结构重量大、齿槽转矩严重、定转子之间存在电磁吸力并存在铁心损耗等问题,采用Maxwell2D软件,优化了传统永磁直驱风力发电机的极数、磁钢宽度和厚度.在转子直径不变的情况下,对定、转子材料不同的三种永磁直驱风力发电机进行了建模和仿真,比较分析了这三种发电机的优缺点,提出了新型无铁心永磁直驱风力发电机.仿真和计算结果表明:加入Halbach列后的新型无铁心永磁直驱风力发电机是一种重量较轻、气隙磁密相对较高的电机.     

Halbach阵列永磁型无轴承电机特性研究

在分析永磁型无轴承电机径向悬浮力产生机理及转子永磁体Halbach阵列基础上,设计了一种Halbach阵列永磁型无轴承电机,采用耦合电路瞬态有限元分析方法对径向磁化永磁转子和Halbach阵列永磁转子的气隙磁密波形及高次谐波、径向悬浮力、反电动势及转矩进行比较分析。研究结果表明:永磁型无轴承电机转子永磁体采用Halbach阵列结构能显著提高气隙磁密幅值及其正弦特性,增大径向悬浮力与转矩,减小悬浮力、转矩及反电动势的脉动。     

轮毂多盘式无铁心永磁同步电机永磁体结构优化

将不等厚排列技术与90°Halbach阵列以及不等宽排列技术相结合应用到两个外转子磁钢分析,中间盘采用普通磁钢排列,通过改变磁钢排列的厚度及宽度,来进一步提高多盘式无铁心永磁同步电机气隙磁密的基波幅值和波形的正弦性,从而提高电机性能。对16极盘式永磁同步电机进行仿真建模,将"不等宽排列技术+90°Halbach阵列"模型以及其优化模型"不等厚排列技术+90°Halbach阵列+不等宽排列技术"进行静态气隙磁场对比分析。仿真数据表明,"不等厚排列技术+90°Halbach阵列+不等宽排列技术"使得周向磁密波形和切向磁密波形都大为改善,磁场波形更接近于正弦分布特征,其中周向磁密波形畸变率改善了67.02%,气隙周向磁密幅值提高了8.15%。     

磁极组合型无铁心永磁直驱风力发电机转子结构设计

Halbach阵列用在电机上有很多好处,但却造成成本上升,研究了一种适用于无铁心永磁直驱风力发电机的径向磁场磁极组合型Halbach阵列,阐述了该新型磁极的结构与优点。借助二维有限元分析方法,找到了利于实现Halbach阵列单边磁屏蔽能力磁极组合方式,并且优化了软磁材料的尺寸,确定了电机的极弧系数。与常规Halbach阵列相比,优化后的组合磁极型电机在保证一定气隙磁密的基础上,减少了永磁体用量,降低了电机成本。     

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。     

三种不同充磁方式圆筒型永磁直线电机气隙磁场研究

影响圆筒型永磁直线电机性能的关键因素是气隙磁场的大小。利用有限元软件An-sys分析了三种不同充磁方式动子结构圆筒型永磁直线电动机在无槽和开槽时的气隙磁场磁密大小和波形。在其它结构参数不变时,分析了极弧系数、永磁体厚度和气隙大小随气隙磁密大小变化规律。得出了在相同条件下,轴向充磁和Halbach充磁方式气隙磁密大、变化范围广、受开槽影响小而径向充磁方式气隙磁密小,变化范围窄,波形畸变率高。得到的规律为动子选择和电机设计提供了依据。     

Halbach列旋转电机气隙磁密波形特性

基于6极无齿槽Halbach阵列电机模型,利用Ansoft有限元软件研究了气隙磁密波形随每极磁钢块数的变化,得出了气隙磁密波形最优时每极磁钢的块数。分析了每极磁钢块数较多时,气隙磁密波形正弦度、气隙磁密谐波和气隙磁密幅值的变化规律,得出了磁密幅值最大时的磁钢块数,并综合考虑磁密波形正弦度和磁密幅值大小时最佳的磁钢块数。     

永磁同步直线电机建模及混沌搜索优化设计

建立了永磁同步直线电机的电磁场有限元物理模型,以此对气隙磁密波形畸变率进行了深入的分析。通过电机参数样本空间设计,利用正交试验设计方法进行非线性回归建模分析,给出了气隙磁密波形正弦度可行的电磁方案。基于混沌搜索理论和适应函数对永磁同步直线电机结构参数进行优化。仿真结果表明,在此结构参数基础上,电机磁极偏移后其三相反电势依然有较好的对称性,为永磁同步直线电机及其他的电磁工程设计提供了一种新的思路。     

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。     

新型结构高速无槽永磁同步电机研究

针对高速无槽电机电感普遍较小的问题,提出了一种新型结构的高速无槽永磁同步电机。该电机的定子采用一种集成电感的新型无槽结构,由一种新型无槽定子铁心和背绕式绕组两部分组成,能够显著增加每相绕组的漏感;转子采用双层Halbach永磁阵列,可以得到很高的气隙磁密正弦度。首先重点介绍了集成电感的无槽电机定子的结构,分析了漏感增加的机理。通过解析法得到了附加漏感的计算方法,并分析了附加漏感与定子结构尺寸的关系。其次介绍了双层Halbach永磁阵列的结构和特点。通过仿真分析,将新型电机与普通无槽电机的特性进行了对比,验证了增加漏感的优势。最后,制造了一台新型高速无槽永磁同步电机的样机,通过实验证明了新型电机的有效性。     

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。     

Estimation of output voltage for high‐speed,surface permanent magnet generator with large air gap length

This paper presents a method to estimate the output voltage of a high‐speed, surface permanent magnet generator with large air gap length at design stage. The output voltage is estimated by the induced electromotive force and the synchronous inductance obtained from the analytical results of the flux linkage using FEM. Also, a method to classify the synchronous inductance per causative factor is proposed. The air gap leakage inductance is not negligible in a large‐air‐gap machine like this generator. The validity of the proposed method has been proved by the measured values of a generator designed by this method, and the measured values also show that the output voltage of the generator is within the permissible range. The method proposed in this paper will be an effective tool to design a high‐speed, surface permanent magnet generator with large air gap length. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 153(2): 52–60, 2005; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20228