永磁饱和型故障限流器的高压大容量化分析

为提高永磁体的偏置能力以利永磁饱和型故障限流器朝高压大容量发展,从温度和外磁场两方面分析了钕铁硼永磁体的稳定性问题,论证了其应用到该限流器的可行性;提出"饱和深度比"的定义,指出改善永磁体的偏置能力与提高铁心的饱和深度比等价;基于一种结构参数可调的永磁饱和型故障限流器拓扑,分析了限流器结构参数与铁心饱和深度比的数量关系,并通过有限元法仿真以及实验加以验证;最后给出了10kV等级永磁饱和型故障限流器的一个设计实例。仿真与实验结果均表明,增加永磁体的厚度与截面积可获得较优的偏置能力,实现永磁饱和型故障限流器的高压大容量化在技术上是可行的。     

一种开路形式的永磁饱和型故障电流限制器的温度场稳态分析

永磁饱和型故障电流限制器(PMFCL)具有结构简单、损耗小和运行成本低的特点,具有良好的应用前景。永磁体在高温下会失磁,因此开展PMFCL温度场的计算分析有重要的实际意义。针对一种直线型的PMFCL结构,使用有限元软件进行磁场分析得出铁心在一个周期内的磁感应强度随时间变化的B-t曲线,再根据铁心的B-P曲线计算其损耗,并考虑永磁体的损耗,分析线路正常工作状态和故障状态保持持续的极端情况下永磁饱和型故障电流限制器的稳态温度场,仿真结果发现该新型的限流器的永磁体在线路正常工作状态和故障状态下均处于未失效的磁性状态的温度范围内,从而处于两个稳态中间的故障过渡过程中PMFCL的永磁体满足设计的温度和磁性性能要求,验证了此PMFCL具有很好的磁场热稳定性。     

钕铁硼永磁材料在过热失磁条件下的磁滞损耗测试与分析

以钕铁硼为代表的稀土类永磁材料因其磁性能好、价格低、力学性能好等特点广泛应用于永磁电机,电机中的谐波磁场又会使永磁体产生损耗,严重时会导致永磁体过热失磁,影响到电机的稳定运行。通过设计的永磁综合磁特性测试装置定量施加交流磁场,发现在低频下,饱和充磁的钕铁硼会出现明显的磁滞现象。对钕铁硼材料在过热失磁条件下进行了磁滞损耗的定量测试与磁特性分析,发现过热失磁的钕铁硼会产生明显的磁滞损耗。测试结果表明：永磁体在高温状态下长时间运行时会逐渐失去磁性,永磁体的磁滞损耗会逐渐增加,甚至在一定条件下磁滞损耗会高于涡流损耗。这说明永磁体的磁滞损耗会加速永磁体的失效,而且在某些情况下是失磁的主要原因。     

谐波磁场下永磁体涡流损耗测试与分析

针对永磁电机的时间谐波和空间谐波引起电机中永磁体涡流损耗增加的问题,本文搭建了永磁体谐波磁特性测试系统.分析了基波叠加不同谐波次数、含量和相角之后磁通密度B的波形变化规律,测量了钕铁硼(NdFeB)永磁体在不同谐波激励下的动态磁滞回线,研究了谐波次数、含量和相角三个因素对钕铁硼涡流损耗的影响,并对比了钕铁硼、钐钴(Sm2Co17)、铝镍钴(AlNiCo)三种永磁材料在谐波磁场下的磁特性.结果证明谐波次数和含量对永磁体涡流损耗具有较大影响,谐波相角对永磁体涡流损耗无明显影响.研究结果对永磁电机的电磁优化和设计具有重要的参考价值.     

钕铁硼永磁材料在过热失磁条件下的磁滞损耗测试与分析

以钕铁硼为代表的稀土类永磁材料因其磁性能好、价格低、力学性能好等特点广泛应用于永磁电机,电机中的谐波磁场又会使永磁体产生损耗,严重时会导致永磁体过热失磁,影响到电机的稳定运行。通过设计的永磁综合磁特性测试装置定量施加交流磁场,发现在低频下,饱和充磁的钕铁硼会出现明显的磁滞现象。对钕铁硼材料在过热失磁条件下进行了磁滞损耗的定量测试与磁特性分析,发现过热失磁的钕铁硼会产生明显的磁滞损耗。测试结果表明：永磁体在高温状态下长时间运行时会逐渐失去磁性,永磁体的磁滞损耗会逐渐增加,甚至在一定条件下磁滞损耗会高于涡流损耗。这说明永磁体的磁滞损耗会加速永磁体的失效,而且在某些情况下是失磁的主要原因。     

电动汽车用永磁电机的失磁空间分布特性及影响因素

电动汽车用永磁电机普遍使用的高性能钕铁硼永磁材料在高温、强磁场等条件作用下易发生的不可逆失磁故障已成为该类电机高可靠性设计的主要瓶颈。针对电动汽车用永磁电机的失磁问题,该文利用永磁体虚拟分块方法,建立基于永磁体磁特性参数、工作温度、空间位置等变量的永磁体失磁分析模型;利用电磁场和温度场双向耦合的三维多物理场计算方法,研究了永磁电机失磁的空间分布特性及其影响因素。结果表明,永磁电机失磁空间分布存在明显的不均匀性。永磁体失磁分布规律受其工作温度、退磁电流幅值与角度等因素影响。最后,通过一台115 kW的永磁驱动电机样机在永磁体工作温度、转子表磁磁场分布、电机性能方面的测试,验证了该文所提分析方法和结论的准确性。     

考虑漏磁效应的永磁饱和型故障限流器磁路建模与实验研究

漏磁效应对永磁饱和型故障限流器(permanent-magnet-biased saturation based fault current limiter,PMFCL)的动态特性具有重要影响。针对一种直线式PMFCL的磁拓扑,以铁心磁通的工作零点作为分界阐明了其2个阶段的限流机理,指出铁心磁通自过零反向后将发生畸变,永磁体不再参与限流过程。基于磁场分割原理实现2类等效磁路模型中总漏磁导和漏磁系数的计算,针对拟圆环截面磁通管的漏磁导,提出基于曲线拟合而改变积分变量的求解方法。在Matlab/Simulink环境下建立了考虑漏磁效应的PMFCL仿真模型,分别与小电流和大电流工况的实验结果进行对比,验证了建模方法的有效性。     

一种多自由度电机三维磁场分析及永磁体设计

在简述永磁球形多自由度电机的优越性能的基础上,针对一种新型永磁球形多自由度电机提出了4种永磁转子设计方案,对每一种永磁体结构进行了静磁场磁通密度模值和磁场分布计算,建立了球坐标下永磁体磁场解析求解模型,进行对比分析.同时基于三维有限元软件,对各种永磁转子结构的球形多自由度电机转矩特性进行了计算和仿真.设计制备了5个圆柱体组合结构的钕铁硼永磁转子来代替球形结构,制作了模型样机.理论分析和实验结果表明了所设计结构的有效性,转子易于实现三自由度偏转运动,并对转子永磁体的受力进行了测试,与仿真计算结果一致.     

内置式永磁同步电机磁体涡流损耗研究

采用气隙磁位分布函数作为边界条件取代定子磁场,建立计及磁路饱和及齿槽效应影响的永磁同步电机磁体涡流损耗计算的二维有限元模型。对内置式钕铁硼永磁同步电机各次谐波磁场引起的永磁体涡流损耗进行分析计算。结果显示:磁路饱和对涡流损耗的影响很大,各次谐波中具有一阶齿谐波特征次数的谐波磁场是引起永磁体涡流损耗的主要因素。     

永磁偏置型故障限流器对系统暂态稳定性的影响

永磁偏置型故障限流器(permanent-magnet-biased saturation based fault current limiter,PMFCL)的使用会对电力系统的暂态稳定性产生一定影响。为此,首先介绍了PMFCL的基本工作原理,并以单机无穷大系统为例,利用正序增广网络建立了含PMFCL的暂态稳定分析模型;其次基于发电机功角曲线和等面积法则,详细分析了在输电线路不同位置发生不同类型的短路故障时PMFCL限流电抗值以及故障切除时间对系统暂态稳定性的影响;最后通过时域仿真计算出发电机在不同短路故障类型下的输出功率最大值和功角变化曲线。结果表明:输电线路发生三相对称短路时,PMFCL限流电抗值越大则越有利于系统的暂态稳定性;线路中间部分发生单相接地故障时,限流电抗值越大则越不利于系统的暂态稳定性,此时可适当延长故障切除时间来改善系统的暂态稳定性;两相接地短路和两相短路故障下,PMFCL对系统暂态稳定性的影响规律基本一致。以上针对PMFCL对系统的暂态稳定性影响所开展的研究,为PMFCL的元件参数优化提供了参考,也为其实际应用提供了理论依据。     

稀土永磁材料退磁曲线的计算及应用

对退磁曲线线生度较好的磁体,提出一种用数学方法计算磁体Ｂ＝ｆ（Ｈ）关系和磁通损失数学表达式的方法。讨论了稀土永磁体磁性均匀性,稳定性,温度变化系数等使用特性。用数理统计方法研究了粉末烧结Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ永磁体磁性能的均匀性。分析发现,磁体磁通量的分布受成分,取向磁场和密度等多种随机因素的影响,统计结果比较好的服从正态分布。     

极端气温永磁体磁通测试系统

设计搭建了一台永磁体极端气温磁通测试系统。系统主要由温度控制、磁性能测试与连接组件三部分组成。通过合理的结构设计实现了可变温度环境下磁通的准确测试。利用本测试系统对两种典型永磁样品(烧结钕铁硼、永磁铁氧体)进行测试。实验结果表明:在-60~100℃温度区间内,样品的开路磁通随着温度的升高线性衰减。牌号N50M烧结钕铁硼的磁通平均温度系数为-0.09%/℃,牌号Y25永磁铁氧体的磁通平均温度系数为-0.15%/℃。     

磁极径向组合轴向磁场永磁电机转矩品质分析与优化设计

为了实现轴向磁场永磁(axial field permanent magnet,AFPM)电机大转矩惯量比、低转矩脉动等高品质转矩输出,提出磁极径向组合式的AFPM电机,采用传统表贴永磁与Halbach永磁阵列沿径向排列的转子结构。分析电机运行原理,推导电机功率尺寸方程;通过有限元方法对比分析该结构与传统表贴式结构的磁场分布、转矩、转矩脉动、反电动势及电感等电磁特性。在此基础上,基于响应面分析,构建多目标遗传优化设计方法,对电机转矩、齿槽转矩、反电动势和转矩脉动进行优化设计。最后,基于优选参数加工制造样机,并进行实验研究,验证了该电机结构的有效性和分析的正确性。     

表面式永磁同步电机单边磁拉力抑制

在永磁同步电机当中,由于磁场的不对称,会引起相应的单边磁拉力,如8极9槽电机。该文提出了一种基于永磁体周向分段的单边磁拉力抑制措施。首先,利用气隙磁导和磁动势模型,推导了永磁电机的单边磁拉力解析模型;然后基于此模型,提出了永磁体周向分段的单边磁拉力抑制措施,推导了周向分段的最佳位置和尺寸的理论值。为了验证以上理论分析,文章以一台8极9槽永磁电机为例,运用有限元计算了周向分段位置和尺寸对单边磁拉力的影响规律,验证了解析方法的正确性,研究结果表明,采用文章所提出的永磁体周向分段方法可以大大降低电机的单边磁拉力,其峰峰值可由原来的80.6N降低到13.8N,降低了82.9%。     

磁性材料在永磁饱和型故障限流器中的应用

首先介绍了永磁饱和型FCL的基本结构和工作原理,指出永磁体和软磁铁心材料的选择至为重要.通过综合比较分析多种永磁和软磁材料的磁性能、力学性能和经济性,提出了磁性材料的选择原则:高压大容量FCL可选择钕铁硼或稀土钻作为永磁体的待选材料,小容量FCL则考虑使用永磁铁氧体;铁硅合金和非晶态合金可作为软磁铁心的待选材料.磁性材料的温升效应、永磁体磁后效现象以及磁性材料工作点的优化配合等,是亟待研究的关键技术问题.     

异步起动表面-内置式永磁转子同步电机特性分析及优化

提出一种异步起动表面-内置式永磁转子同步电机(LSSIPMSM),LSSIPMSM通过定子旋转磁场和转子起动铜层间的相互作用产生异步起动转矩。采用解析和有限元法相结合的方法对LSSIPMSM进行性能分析及关键参数优化,研究了起动铜层厚度、永磁体厚度等参数对起动性能和同步运行性能的影响,从而确定最优的铜层厚度和永磁体厚度。建立LSSIPMSM的电磁场有限元模型,分析LSSIPMSM在永磁体不同退磁状况下的起动性能和同步运行性能,并通过三维温度场有限元模型分析了不同退磁状况下的温度场分布。通过仿真结果的对比分析,验证了LSSIPMSM具有较好的动态性能和稳态性能。     

高频轴向磁通永磁电机永磁体涡流损耗三维解析模型

针对现有二维解析模型在计算轴向磁通永磁电机永磁体涡流损耗存在精度不足的问题,该文提出一种能够精确计算该类电机永磁体涡流损耗的新型三维解析模型。该模型利用精确子域法和电阻网络模型,能够同时考虑定子开槽、定子谐波电流、涡流反作用和涡流三维分布的影响。利用有限元法验证了精确子域模型计算得到的空载和电枢磁场分布,并在理想空载下,验证了解析模型永磁体表面涡流密度和永磁体涡流损耗值,分析电机在高频运行下涡流反作用对永磁体涡流损耗的影响。最后,对1台7kW、4000rpm的轴向磁通永磁电机进行空载脉宽调制(pulsewidthmodulated,PWM)电压供电实验和空载正弦波电压供电实验,得到因PWM谐波电流引起的永磁体涡流损耗,将实验结果,有限元结果与解析结果作对比,验证了该解析模型的正确性。     

圆筒式永磁联轴器磁场仿真分析及结构优化设计

为确保乏燃料后处理厂混合澄清槽搅拌装置的永磁联轴器长期安全可靠运行,对永磁联轴器进行磁场仿真分析及结构优化设计。采用有限元方法建立三维磁场仿真模型,建模过程充分考虑联轴器的实际运行工况。首先,考察磁极对数、磁极厚度、磁场气隙、磁转角对磁转矩的影响。其次,通过温度场仿真分析考察转速对联轴器温升的影响。最后,以降低联轴器的隔离套温升为目标,对其进行结构优化设计并进行仿真分析。结果表明:优化结构的隔离套温升得到明显减小。控制联轴器温升可有效降低永磁联轴器退磁失效风险。研究成果可为同类型联轴器设计提供参考。     

用响应曲面法研究高梯度磁场下燃煤PM10的捕集效率

建立高梯度磁场捕集燃煤PM10实验台,采用电气低压冲击器测量颗粒浓度的变化,利用响应曲面法对PM10捕集效率进行实验研究,得到捕集效率的预测模型。计算结果表明通过该预测模型可以很好地描述捕集效率与颗粒浓度、磁场强度、气体流速和磁介质填充率等重要操作参数之间的关系。因素分析表明磁场强度对捕集效率的影响最大,同时颗粒浓度与磁场强度、磁场强度与气体流速以及磁场强度与磁介质填充率的交互作用均对捕集效率有重要的影响。