Design and analysis of a brushless motor for ball screw drives

Design and analysis of brushless motors for ball screw drives, such as application-specific electric motors, are presented. Since the motor should be designed as a built-in structure for machining equipment, the motor dimensions are restricted. A new design concept for such applications is presented. Under various combinations of motor dimensions and electrical parameters, the motor performance is simulated using a personal computer, and the optimized parameter combination is selected. Based on the optimized parameters, a prototype motor is constructed to prove the validity of the proposed design procedure. © 1999 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 127(3): 41–52, 1999     

直槽与斜槽式永磁无刷电动机的有限元分析

说明了斜槽式永磁电机的分段计算法。利用有限元分段计算法,对电枢斜槽结构的电机车用轮毂式永磁无刷直流电动机的空载和负载磁场进行了计算,并由此算出电动机的反电动势随转子位置角的变化波形和反电势系数曲线;对直槽和斜槽式结构的气隙磁密分布、反电势波形和反电势系数作了比较和分析。接着,用磁链法和能量法分别计算了电动机的自感和互感系数,计算结果与实测值对比,说明计算具有较高的精度。     

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.     

基于SIMULINK的永磁无刷直流电动机及控制系统的建模与仿真

根据电机的数学模型和运行原理,通过MATLAB软件的SIMULINK和PSB模块,搭建了电机及整个控制系统的仿真模型。从仿真结果看出,该电机模型及控制系统跟实验的相符合,因此,加快了实际系统的设计与分析。     

无刷双馈电机笼型转子结构对磁场调制的影响

无刷双馈电机具有优越的调速性能,且能够运行于变速恒频发电状态,因此在节能调速以及风力发电领域具有很好的应用前景,但其结构和原理比较复杂.为了研究不同笼型转子结构对无刷双馈电机磁场调制作用的影响,从交流电机的基本电磁关系出发,首先分析了定子功率绕组与控制绕组产生的磁动势和气隙磁密,进而导出了转子笼条的感应电动势、电流和磁动势,在此基础上,用实例说明了笼型结构转子磁动势的特点及其对磁场调制作用的影响,最后用有限元计算对理论分析结果进行了验证.理论分析和仿真结果表明,对磁场调制起主要作用的是笼型转子靠近公共笼条的短路环,通过调整转子短路环分布可以增强有效谐波、削弱无用谐波,由此对笼型转子结构进行优化设计.     

Magnetic field analysis by the edge element FEM

Several useful techniques are presented for magnetic field analysis by the edge element FEM. The relations of nodal, edge, and facet shape functions are visualized as important properties using the differential operators of gradient and rotation. These shape functions and the rotation of edge shape functions are presented for tetrahedral, prismatic, pyramidal, and hexahedral elements. Furthermore, the method of determining coil current distributions satisfied with conservation of current is shown using a current vector potential and a surface tree gauge condition for open‐loop coils and closed loop coils. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 154(1): 59–65, 2006; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20168     

一种表面-内置式永磁转子同步电机三维全域温度场分析

针对表面-内置式永磁转子同步电机(SIPMSM)具有结构紧凑和功率密度高的特点,准确计算SIPMSM各部件的温度分布非常重要。采用电磁场-温度场耦合分析的方法对SIPMSM的三维全域温度场进行计算。建立SIPMSM的电磁场和温度场有限元模型,分析在同步运行速度下负载和永磁体退磁对SIPMSM三维全域温度场的影响,也分析了在额定负载下运行速度对SIPMSM三维全域温度场的影响。通过仿真与实验结果的对比分析,验证了样机模型的合理性和计算结果的正确性。     

正弦极宽调制式永磁电机的磁场分析与实验

为提高传统表面式永磁电机气隙磁场的正弦程度,降低永磁电机的谐波影响,提高表面式永磁电机的效率与力能指标,提出一种正弦磁极调制式的永磁电机转子结构.转子铁心表面磁极是由若干小磁块阵列构成的,阵列中磁块的宽度、高度及磁块之间的间隔符合一种调制关系,合理设置转子永磁替的结构和位置使其产生的气隙磁场波形更加接近正弦波.通过电磁...     

Computational Accuracy Enhancement in Magnetic Field Analysis by Using Orthogonalized Infinite Edge Element Method

Electromagnetic phenomena intrinsically spread over an infinite region. Thus, efficient handling of open boundaries is one of the main issues in electromagnetic field computations. This paper deals with the orthogonalized infinite edge element method that efficiently performs precise analysis of the infinite region. In this method, several parameters are used to achieve high accuracy. As one of the parameters, we focus on the reference point and investigate the effect of its position setting on accuracy. We also evaluate the accuracy of the calculated magnetic field in the far region. By applying boundary element method as postprocessing, it is found that high computational accuracy in the region can be effectively achieved.     

高速永磁电机流体场与温度场的计算分析

为了研究中小型高速永磁电机内部流体场与温度场分布规律,以一台15k W,30000r/min内置式高速永磁电机为例,基于计算流体力学和传热学理论建立了三维流体场与温度场的物理模型,应用有限体积法对流体场与温度场进行耦合计算,得到了电机内空气的流动特性与各部件的温度分布规律。针对高速电机运行时转子表面空气摩擦损耗大的问题,基于所建立的3D流体场模型,分析了转子转速、转子表面粗糙度对空气摩擦损耗的影响。研究结果表明,高速永磁电机端腔空气的流动性差,加之空气摩擦损耗的影响,导致转子温升较高,且转子转速、转子表面粗糙度对空气摩擦损耗有着重要影响。     

Optimum design of a long-stroke thin linear DC motor

Computers have been more widely used in recent years. Researchers are now able to analyze a magnetic field using the finite element method. A motor can be designed more effectively and rationally. It is important to understand design space. Design space means the limit of the thrust or design variables within constraints. Within these limited dimensions, a linear dc motor (LDM) for a pen recorder is designed. This LDM is very thin with long strokes. It is described as follows: (1) the thickness of the permanent magnet and the length of the gap are selected as the design variables in the magnetic circuit of the LDM; (2) the effective magnetic flux density of LDMs using the 3-D finite element method is compared; (3) the design space of thin LDM with long strokes is clarified. The LDM measurement value (thrust constant) was increased at 0.60 N/A from the first LDM. © 1997 Scripta Technica, Inc. Electr Eng Jpn, 118 (4): 84–93, 1997     

磁场调制式磁力齿轮及其有限元计算

为避免机械齿轮振动,或要在分开物体间传递力矩,可以采用磁力齿轮传动装置。设计该磁力传动装置时需要对其设计参数进行精确计算。在电机设计时,使用有限元方法对一种大力矩磁力齿轮——磁场调制式磁力齿轮进行了磁场计算,为设计该磁力齿轮提供了有力的工具。     

集中绕组永磁无刷电机的转矩研究

集中绕组永磁无刷电机由于绕组结构与常规60°相带分布绕组不同,定子磁动势的谐波含量增加,定子齿、槽的影响也加大。本文采用电机磁能虚位移原理计算电机转矩,并编制了计算软件,不仅可以计算电机的平均电磁转矩,还可以得到由谐波磁场产生的谐波脉动转矩。通过实例计算,本文还比较了整数槽绕组和分数槽绕组产生谐波转矩的情况,采用分数槽绕组可以削弱谐波脉动转矩。     

无刷直流电动机转子退磁故障的检测方法

为了研究无刷直流电动机的转子退故障,基于Ansoft/Maxwell软件平台,设置转子退磁故障,建立求解电机反电动势的有限元模型;基于Ansoft/Simplorer软件平台,建立无刷直流电动机系统的仿真模型.在电机稳态运行下,对定子电流进行傅里叶分析,研究并建立基于定子电流监测转子退磁故障的仿真模型:退磁故障与特征频率的关系、退磁故障程度与特征频率幅值的关系.进一步,采用基于转矩常数估计的方法对无刷直流电机的转子退磁故障进行监测.仿真结果表明,在转速波动较小时采用定子电流分析法的效果更好,在转速波动较大时,采用转矩常数估计法可以在线监测无刷直流电动机转子的退磁故障.     

电磁悬浮控制系统磁场有限元分析

在分析电磁悬浮控制系统基本原理的基础上，以磁浮球控制系统的磁场为例，论述了轴对称非线性磁场的有限元分析方法，建立了有限元方程，应用二维磁场有限元软件对在不同的悬浮气隙下的磁场吸力进行了精确的计算。     

杯状纵磁真空灭弧室开断能力与触头直径和触头开距关系的试验比对

对杯状纵磁真空灭弧室的极限电流开断能力与触头直径和触头开距间的关系I=k×D2×Bz0.4进行了试验验证。当触头直径分别为48,58,66mm时,触头开距设定为8,11,14mm,对9只真空灭弧室试品在振荡回路上进行极限开断能力试验;用三维有限元方法对9种情况下的纵向磁场进行了计算;将计算结果带入公式与试验结果及灭弧室开断能力标定值进行比较,考虑试验的误差,认为公式有参考意义。     

梯形永磁体盘式无铁心电机的设计与研究

针对永磁盘式无铁心同步电机的轴向磁场结构,在现有Halbach永磁阵列的基础上,提出一种梯形结构永磁体阵列。详细阐述该电机的结构与优点,利用有限元方法研究了不同梯形结构永磁体阵列对气隙磁密的影响,根据气隙磁场中的谐波含量及空载反电势畸变率选取最优转子结构。该结构在保证与传统结构永磁体材料用量相当的前提下,有效提高气隙磁密的基波,降低谐波含量。由于轴向磁场结构的特殊性,给出该电机的设计规则,如磁极尺寸和导体占空比的确定。计算了电机在负载工况下不同定子电流对交直轴电感的影响,为该类电机的设计提供了一定的参考价值。     

Sensorless rotor position estimation at standstill of cylindrical brushless dc motors using opened phase voltage change caused by eddy currents

A rotor position estimation of a cylindrical brushless dc motor at standstill has been difficult to obtain. Therefore, torque control of a motor has been difficult at starting of the motor, and realization of the position estimation at standstill has been sought. This paper proposes a simple processing of a rotor for which nonmagnetic materials are pasted on the rotor surface. This processing generates an eddy current on nonmagnetic materials and causes an opened phase voltage change according to rotor position. The experimental results using a microcomputer show that it is possible to estimate rotor position of the cylindrical motor despite a standstill by using the opened phase voltage change. ©�1998 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 126(1): 52–60, 1999     

12 kV真空断路器永磁直线电机操动机构特性分析

为解决12 kV真空断路器(Vacuum Circuit Breaker, VCB)传统操动机构和旋转电机操动机构结构复杂、可靠性低、动作分散性大以及有槽直线电机操动机构定位力引起推力脉动、振动、噪声及速度控制退化等而导致其难以精确分、合闸的问题,提出无槽圆筒形永磁直线同步电机操动机构。根据12 kV真空断路器分、合闸特性要求,对无槽圆筒形永磁直线同步电机(Slotless Tubular Permanent Magnet Linear Synchronous Motor, STPMLSM)的结构和参数进行设计,推导出其数学模型。利用有限元法对该电机操动机构的静、动态特性进行仿真分析,得到启动过程中电磁推力与时间的关系,分合闸过程中断路器动触头行程与时间、速度与时间的关系。结果表明:所设计的电机操动机构结构参数能够满足断路器分合闸特性要求,且推力波动得到有效抑制,为各电压等级断路器采用此类电机操动机构提供可靠依据。     

稀土永磁无刷直流电机的正/反转过渡过程分析

稀土永磁无刷直流电机正/反转的实现不同于其它电机。为了缩短正/反转过渡过程时间,减小过渡过程中能量损耗,提高效率,对电动舵机系统的方波永磁无刷直流电机正/反转的实现方法进行详细分析,并根据电机的基本公式,解得正/反转过渡过程的转矩、转速动态方程,利用M atlab进行仿真,最后通过实验验证了分析的正确性与实用性。