五相永磁容错型游标电机弱磁特性研究

永磁容错型游标(FTPMV)电机结合了永磁游标电机高转矩密度和永磁容错电机高可靠性的优点,因此成为专家学者研究的热点之一。为了研究此类电机在低速区和高速区的运行性能,对比分析了两种五相电机的结构特性、磁场调制机理和电感特性,并推导了五相电机弱磁情况下的数学模型。其次,基于电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制方法,建立电机驱动系统。在低速区,采用直轴电流为零的控制策略;在高速区,采用一种基于母线电压和反电动势差值判断弱磁时刻的方法重点研究了电机的弱磁特性。参数计算和仿真结果表明,电机工作在额定电流的情况下,相比传统FTPMV电机,新型FTPMV电机有更好的弱磁能力。最后,通过样机的实验数据验证了理论分析的正确性。     

模块化永磁直线游标电机等效磁网络及漏磁分析

在模块化永磁直线游标电机的初始设计及优化设计中,使用有限元方法(FEM)计算漏磁系数时需要耗费大量的建模和计算时间。针对这一问题,建立该种电机的等效磁网络模型,在建模期间,考虑气隙中的边缘效应,并计算永磁体组与定子齿在不同相对位置时的等效磁导,得到该种电机在一个周期内不同相对位置时的漏磁磁导和漏磁系数的数学解析表达式。采用FEM验证了该数学解析表达式的准确性。研究结果为模块化永磁直线游标电机的设计提供了理论依据。     

磁通切换型永磁电机非线性磁网络分析

提出了一种磁通切换型永磁电机(Flux-Switching Permanent Magnet,FSPM)的通用非线性磁网络模型,该模型可以考虑磁场饱和的影响,能对气隙磁通密度分布、电枢线圈永磁磁通和感应电动势等电磁性能进行计算。针对一台三相定子12槽/转子10极的磁通切换永磁电机,首先建立了该电机的原始磁网络模型,并利用有限元法进行了验证。然后基于原始模型,进一步综合考虑局部饱和影响,提出了初始模型。为了进一步提高磁网络分析的精度,在初始模型基础上,又提出了两种新的磁网络模型——多段永磁支路模型和导磁桥模型,其计算结果更为精确。上述磁网络模型的分析结果均得到了二维有限元计算和实验结果的验证。通过对比可知,上述磁网络模型中导磁桥模型具有最高的分析精度。     

新型Halbach阵列永磁游标电机结构优化设计

为提高永磁游标电机(PMVM)的输出转矩,发挥Halbach永磁体阵列的聚磁优势,提出转子侧Halbach阵列永磁体游标电机。采用解析分析法和有限元法,对比分析PMVM和Halbach永磁体阵列A型结构永磁游标电机(HPMVMA),结果显示采用Halbach永磁体阵列后提高了电机的空载反电势和输出转矩,减少了永磁体用量,但也带来了电机转矩脉动的增加。因此,在HPMVMA调制齿之间加入永磁体,构成新型Halbach永磁体阵列B型结构永磁游标电机(HPMVMB),对HPMVMB进行了永磁体、调制齿、定子齿宽等结构参数的优化,经过运行性能和经济指标对比分析,结果表明,与HPMVMA相比,HPMVMB永磁体用量增加20%的情况下,永磁体利用率和电机转矩密度分别提高了40.8%和69.01%,而转矩脉动下降了11.74%。通过有限元仿真验证了电机理论的有效性,并为游标电机的设计与优化提供了一定思路。     

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。     

用于电磁弹射的容错型初级永磁直线电机特性

提出一种应用于电磁弹射的新型双边容错型初级永磁型直线电机,该种电机具有次级结构简单的特点。首先,本文给出了电机的结构和工作原理。其次,在采用二维有限元对电机的静态推力特性分析基础之上,通过能量法对电机推力公式进行了推导分析,并且对电机的容错特性进行了分析。然后,采用瞬态有限元对电机在正常和断路故障下的推力变化进行了仿真分析,并对电磁弹射过程电机运行情况进行了仿真分析。最后,通过一个同比例缩小的小尺寸同类电机进行了实验研究,验证了电机的推力特性和容错性能。仿真和实验结果显示该电机具有高的推力密度、较小的推力波动和简单的控制策略,在电磁弹射系统应用中具有很好的前景。     

新型永磁游标电机的设计与研究

针对传统直驱式电机,在低速大转矩输出时成本高且运行风险大的问题,提出一种直驱式低速大转矩永磁游标电机,与传统游标电机相比,结构上采用双定子中间转子形式。内外定子齿均具有磁通调制作用,转子磁极直接面向两侧气隙,磁钢得到了充分利用。文中介绍了该电机工作原理、设计方法,给出了详细的设计参数及结构、装配示意图。对影响电机性能较大的如内外定子齿周向宽度、径向高度及其配比等结构参数进行了优化设计。建立了电机二维模型,通过有限元法对其齿槽转矩、输出转矩、空载反电势、气隙磁密等性能进行了分析,仿真结果验证了理论分析的正确性。     

基于占空比调制的五相容错永磁游标电机直接转矩控制

采用传统直接转矩控制策略的五相容错永磁游标电机,存在转矩脉动过大、定子电流谐波分量较高等问题。提出一种基于占空比调制技术的直接转矩控制策略。根据每个采样周期的转矩和磁链误差,运用一种简单有效的求解方法,计算出有效电压矢量作用的最佳时间。既能保持电机优良的动态响应性能,也能有效减小转矩和磁链脉动,并降低定子电流的3次谐波含量。与此同时,该策略保持了直接转矩控制运算方便和结构简洁的优点。实验结果证明理论分析的正确性及所提控制策略的可行性。     

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列对永磁同步电机的性能影响

现代电机要求高速、高效、高功率密度、低脉动转矩,而稀土永磁电机表现出了其局限性。Halbach列是一种磁极磁场呈单边且正弦分布的新型永磁结构。此结构使得电机气隙磁密相对较大,转子轭部磁密相对较小,这有利于减小电机的脉动转矩和体积,提高电机的功率密度和效率。基于ANSYS的有限元分析结果证明了上述结构在保证功率密度的前提下,可以减小电机的质量,增大气隙宽度,极大地改善电机的各种性能。     

变磁阻可控磁通永磁游标电机电磁性能分析

为了兼顾永磁电机低速、大转矩特性和恒功率区的运行范围,提出一种变磁阻可控磁通永磁游标(RVFCPMV)电机。以1台三相22/2对极RVFCPMV电机为例,介绍了RVFCPMV电机的拓扑结构。基于气隙磁通密度的调制,揭示了该电机具有低速、大转矩特性的实质,突破在电枢绕组中通入直轴去磁电流分量的传统弱磁方式,提出一种利用铁磁材料非线性导磁特性,通过调节励磁电流进而改变磁路磁阻方式实现永磁电机弱磁升速的方法。通过有限元方法对RVFCPMV电机进行了计算和分析,验证了该电机基速以下的低速、大转矩输出特性和基速以上的弱磁调速能力。     

基于联合仿真的表贴式永磁游标电机性能分析

表贴式永磁游标电机内部电磁参数复杂多变,MATLAB/Simulink不能精确反映不同运行工况下电机的实际电磁性能。将交叉耦合理论应用于表贴式永磁游标电机的磁链、电感和转矩模型的研究中,分析计算了交叉耦合对表贴式永磁游标电机磁链、电感和转矩的影响。基于ANSYS Maxwell、Simplorer及MATLAB/Simulink软件建立了场路联合仿真的电机驱动控制系统模型,测试了电机的驱动性能,并与MATLAB/Simulink定参数仿真结果进行了对比。理论分析和仿真结果表明,因电机内部电磁状态的实时变化,采用联合仿真分析方法的计算结果具有更高的准确性。     

初级永磁型游标直线电机绕组连接及其电磁特性比较

初级永磁型游标直线(LPPMV)电机具有低速、大推力输出特性,特别适用于直线直驱系统。设计合理的绕组连接方式可有效改善电机性能。首先根据电机的运行原理,针对一台6/2极LPPMV电机提出了4种不同的绕组连接方式;其次通过有限元法,比较了LPPMV电机在不同绕组连接方式下的特性,包括空载感应电动势、电感,并在相同铜耗条件下计算了绕组的总质量、电枢电流、推力、铁心磁通密度以及铁耗等,以此得到了不同绕组连接方式下电机的运行效率;最后折中选择了一种绕组连接方式,制造了样机,并通过实验验证了电机的性能。     

Halbach磁体结构电动机及其与常规磁体结构电动机的比较研究(I)--磁体结构及有导磁铁心电动机的对比研究

Halbach磁体结构应用于电动机时与常规磁体结构相比具有很大的优越性,首先给出Halbach磁体结构电动机的磁体排列方式及磁体的磁化规律,然后以无齿槽有铁心电动机为例,对比分析Halbach磁体结构电动机和常规磁体结构电动机气隙磁密分布和电动机各部分磁通的差异,得出两种磁体结构电动机气隙磁密、磁通随永磁体厚度的变化规律.     

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。     

Dual-stator Interior Permanent Magnet Vernier Machine Having Torque Density and Power Factor Improvement

—An improved topology for a low-speed permanent magnet vernier machine, called a dual-stator interior permanent magnet vernier machine, is introduced to significantly increase torque density and power factor. A dual-stator is adopted in the design for more torque and improving space utilization. An interior spoke-type magnet array in the rotor is designed for magnet flux focusing, which can effectively increase useful flux and force flux lines to pass through the entire machine during operation as opposed to two separate torque components as in a normal dual-stator permanent magnet machine. To clearly place the advantages of the proposed topology in perspective, the proposed dual-stator interior permanent magnet vernier machine is compared to a well-known dual-stator surface-mounted permanent magnet vernier machine. This article discusses the operation principle and magnetic field analysis of the proposed machine and reports comparison simulation results taken from the finite-element method. In addition, the stator tooth is optimized for further better performance on torque density and power factor.     

异形永磁体圆柱型直线电机的优化设计

为了进一步提高直线电机的推力密度,结合异形永磁体圆柱型直线电机(T-CLM)和传统Halbach结构提出了异形永磁体Halbach阵列圆柱型直线电机(TH-CLM)。建立了异形永磁体Halbach阵列圆柱型直线电机的磁路分析模型,研究了异形永磁体的异形角对电机磁场和推力的影响,得到了推力密度最大时的永磁体角度。对比分析了异形永磁体结构的两种圆柱型直线电机的推力密度,结果表明异形永磁体Halbach阵列圆柱型直线电机增强了电机的气隙磁通密度,具有更高的推力密度,并与传统的圆柱型直线电机进行了比较,验证了异形永磁体结构圆柱型直线电机在推力密度方面具有一定的优势。