定子无磁轭模块化轴向磁通永磁电机研究进展综述

定子无磁轭模块化(yokeless and segmented armature,YASA)轴向磁通永磁电机具有功率密度和转矩密度高、效率高、轴向结构紧凑、易于维修的优点,在电动汽车、风力发电等领域有广阔的应用前景,已有大量文献对YASA电机进行分析研究。该文基于国内外对YASA电机已开展的研究工作,介绍该类电机的典型拓扑结构,并从电机电磁特性计算方法与性能优化、损耗分析与抑制技术、温升与散热研究、齿槽转矩削弱技术、结构强度校核与制造偏差分析,以及定子铁心材料选取等方面进行综述,并对该类电机当前的应用情况进行整理。最后,基于YASA电机的研究现状,对未来研究的发展趋势进行展望。     

无铁心轴向磁通永磁电机的磁场解析计算

轴向磁通永磁电机磁场呈三维结构且磁路复杂,采用有限元法求解电机的气隙磁场将会耗费大量的建模及仿真时间,针对该问题,采用解析法对电机的空载磁场进行计算,通过将电机沿径向分成多个截面,使三维的轴向磁通电机等效为多个二维直线电机的组合体,在直角坐标系中求解拉普拉斯方程,得到矢量磁位,代入边界条件对磁场进行求解。计算电枢反应磁场时,采用多层电流片法进行求解,与有限元仿真结果对比,验证了解析法的可行性,提高了无铁心轴向磁通永磁电机磁场计算和电机参数设计的速度。     

无磁轭轴向磁通风力发电机多目标偏好优化设计

为了实现小型风力发电机的高性能及微风启动,将3D打印赛钢塑料与混合Halbach阵列、模块化弹性定子铁心结合,提出一种无磁轭模块化轴向磁通风力发电机。根据设计要求,分析不同材料的重量,确定了电机的初步方案。在目标约束的基础上,以感应电动势波形畸变率为主要偏好,感应电动势、齿槽转矩为次要偏好进行优化设计。采用了改进的多目标遗传优化算法及响应面法对电机进行了多目标偏好优化,并与无偏好的优化结果对比,体现了偏好优化的优势。最后,通过有限元仿真及样机实验验证该电机性能。     

定子无磁轭轴向磁通永磁电机不同极数下的转矩分析

设计了一台额定功率为28 kW的YASA结构轴向磁通永磁电机,并对相同槽数下电机的输出转矩能力进行了分析.首先,介绍了YASA结构轴向磁通永磁电机的拓扑结构,给出了部分尺寸的计算表达式.其次,综合电机结构紧凑、齿槽转矩小、效率高的特点,确定了合适的极槽配合.同时,分析比较了电机在定子槽数相同、极数不同情况下的输出转矩.研究表明,轭部厚度相同时,电机输出转矩随着极数的减少而降低;输出转矩相同时,转子轭部厚度随着极数增加而减小.最后,通过建立三维有限元模型仿真及分析比较,验证了YASA结构轴向磁通电机的转矩结论,对于轴向磁通电机的设计和应用具有一定的参考意义.     

定子无铁心轴向磁通永磁电机的绕组损耗与效率研究

定子无铁心轴向磁通永磁电机没有定子铁心,具有输出转矩平稳、质量轻、装配简单等优势,但同时也存在绕组涡流损耗大的问题。基于利兹线绕组,对定子无铁心轴向磁通电机的绕组涡流损耗进行了分析,给出了绕组涡流损耗计算的解析公式与有限元结合的非均匀分层混合计算模型,并通过简化的全绕组三维有限元模型,验证了混合计算模型的正确性和有效性。研究了以电机效率最大化为目标的利兹线规格选型方法。由于利兹线的实际制造工艺的问题,对电机效率进行了计算和分析,并给出了利兹线选型相关的定性结论。     

定子无铁心轴向磁通永磁同步电机研究进展综述

定子无铁心轴向磁通永磁同步电机(axialflux permanent magnet synchronous motor,AFPMSM)因其结构紧凑、功率密度和转矩密度大、无铁心损耗、效率高等特点受到越来越广泛的关注,在要求空间紧凑和高转矩密度的场合具有广阔的应用前景。介绍定子无铁心AFPMSM的典型拓扑结构,分析此类电机电磁性能的设计分析方法及一系列优化方法,讨论此类电机热学性能分析优化以及力学性能分析方面的研究,总结针对此类电机绕组电感很小的特性提出的控制策略以及弱磁扩速方面的研究,最后整理了此类电机目前的应用情况,并展望了定子无铁心AFPMSM研究领域今后的发展方向。     

定子无磁轭模块化轴向永磁电机磁极表面开槽分析

在永磁电机设计中,永磁体(PM)作为励磁磁源,直接影响电机性能。由于定子电流时间谐波和气隙磁场中高次空间谐波的存在,永磁体内产生的涡流损耗不容忽视,极易导致永磁体过热或不可恢复性退磁。本文提出一种减小定子无磁轭模块化轴向永磁电机永磁体涡流损耗的方法,以一台10极、12槽、20k W的轴向永磁电机为例,通过对永磁体表面开槽深度、开槽方式及开槽数目的研究,利用解析法和三维有限元仿真分析不同开槽结构的永磁体涡流损耗,推导出永磁体涡流损耗等解析式。并对比带额定负载时气隙磁通密度,合理选择永磁体表面开槽方式及开槽数目。     

轴向磁通永磁电机混合冷却结构设计与分析

针对轴向磁通永磁电机损耗大和散热困难的问题,提出了风冷结构和混合冷却结构,其中混合冷却结构由端盖风冷结构和定子水冷结构组成。建立了电机的三维模型,采用流固耦合法对电机进行仿真分析,通过对比两种冷却结构的冷却效果,选择了混合冷却结构作为电机的冷却系统。通过仿真分析了流速对电机温升的影响,并根据仿真结果确定了混合冷却结构最佳的入口风速以及水速,证明了混合冷却结构的有效性,为轴向磁通永磁电机的冷却系统设计提供了一定的参考。     

无铁心轴向磁通永磁发电机设计与特性分析

无铁心轴向磁通永磁发电机具有起动转矩低,效率高,结构紧凑等优点,非常适用于低风速条件下发电。本文对一种无铁心轴向磁通永磁风力发电机的原理和电磁参数进行了分析和推导,建立起发电机有限元分析模型,首先分析了瞬态条件下电机气隙磁场磁场分布规律,进而分析了发电机各部件运动受力特点,最后分析了空载和带载条件下发电机瞬态输出特性。     

轴向磁场定子无铁心永磁电机的优化设计

本文以单位永磁体功率最大为目标,提出利用遗传算法和粒子群优化算法对一台三相8对极轴向磁场定子无铁心永磁电机进行优化设计。在建立电机磁场分析模型的基础上,提取五个变量,优化目标的同时约束输出功率、电流密度等电机性能。文章阐述了两种算法在该电机优化中的性能差异,并运用有限元软件对优化结果进行比对分析。仿真结果表明两种算法优化效果均很明显,解析法与有限元分析结果吻合,证明了电磁分析模型的准确性。     

轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的设计

介绍了轮用轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的结构形式，探讨了这种新电机的设计特点，重点解决了电机主要尺寸确定和磁路分析计算问题，最后给出了一种磁极形状和线圈形状的优选方案。     

无轭分块电枢轴向磁场永磁电机的尺寸方程与磁网络模型

针对无轭分块电枢(YASA)轴向磁场永磁电机高功率密度、高效率、高过载能力的特点,提出其尺寸方程的推导公式,并结合其特殊的磁路结构建立等效磁网络模型,以此对电机进行设计和分析。电机的定子模块可采用软磁复合材料(SMC)制成,该材料易于模压成型且在高频工况下涡流损耗小,能够进一步降低铁耗,提升运行效率,使其适用于电牵引驱动特别是电动汽车的轮毂和轮边驱动。首先,推导该电机的主要尺寸方程,通过该方程可以确定影响电机输出功率的因素;然后,结合电机主磁通流经的路径建立简化的磁网络模型,基于该模型可以直接得到电机的绕组磁链,并可计算出电机的空载永磁相电动势(EMF)波形及负载电磁转矩大小;最后,通过三维有限元仿真(FEM)及样机试验的结果验证了所建立磁网络模型的正确性。     

电机窄轭电枢铁心加工新工艺

文章根据硅钢片的可延展性，提出一种窄轭冲片套裁成形成冲片条，再盘卷成电机铁心的工艺方法。     

轴向磁通无铁心永磁电机多层矩形扁线绕组涡流损耗解析计算及优化

轴向磁通无铁心永磁电机的定子为无铁心结构,采用扁线绕制的定子绕组盘,具有槽满率高、平整度好、加工简单等特点。但是相对于圆形导线,矩形扁线具有截面积较大、涡流损耗大的缺点,导致电机损耗偏高、效率偏低。该文根据轴向无铁心电机磁场的三维分布特性,针对矩形扁线涡流损耗分布不均匀的特点,推导了定子无铁心扁线绕组特有的涡流损耗快速计算方法。在此基础上,基于涡流损耗的产生机理并以绕组铜耗最小为优化目标,建立了扁线绕组最优参数的求解公式。采用三维有限元软件仿真及样机测试的方法,验证了涡流损耗解析计算方法的有效性和准确性。结果表明,该文提出的涡流损耗计算公式以及导线参数优化方法可以实现扁线绕组的低损耗及电机的高效率,所得结论可为轴向无铁心电机定子绕组的设计及优化提供理论依据。     

定子无铁心轴向磁场永磁电机永磁体涡流损耗研究

为解决定子无铁心轴向磁场永磁电机(无铁心AFPM)温度过高导致电机运行性能降低的问题,针对电机永磁体进行了深入研究。利用MAXWELL三维电磁场有限元分析软件建立电机有限元模型,仿真电机在三相正弦电流源驱动下永磁体电磁分布,计算平均涡流损耗。采用对永磁体分块及加屏蔽层的方式减小涡流损耗;在对永磁体分块时,做不同方向的分割,并进行仿真,分析对比并得出横向分割为3块效果最佳;在利用电磁屏蔽原理减小涡流损耗时,先对可靠性进行验证,后利用MATLAB曲线拟合得出屏蔽层厚度的最优值。     

定子无铁心轴向磁场永磁电机永磁体损耗研究

针对定子无铁心轴向磁场永磁电机在不同驱动方式下,转子永磁体损耗会使永磁体温度升高,影响电机效率等性能,由于铷铁硼较低的居里温度,严重时甚至会导致永磁体过热退磁。本文采用有限元软件仿真研究了定子无铁心轴向磁场永磁电机在正弦波与方波驱动方式下的转子永磁体涡流损耗的变化,并分析了将永磁体多次分割在不同驱动方式下永磁体涡流损耗的变化规律;在分割永磁体的同时加入屏蔽层进一步影响涡流损耗的变化情况。结果表明,"分块+屏蔽层"的方式能大大降低转子永磁体的涡流损耗。     

次级无轭部双边磁通切换永磁直线电机及其控制

该文提出一种双边磁通切换永磁直线(double-sided linear flux-switching permanent magnet,DLFSPM)电机及其驱动系统。该电机的永磁体和电枢绕组均置于初级定子,次级动子仅由导磁铁芯构成,并且次级无轭部。因此,该电机具有结构简单、可靠性高等优点,适用于高速电磁推进场合。基于有限元法分析该电机的结构特性、绕组互补特性和静态电磁特性。在此基础上,建立电机的数学模型并确定电机的控制策略。基于Matlab/Simulink构建DLFSPM电机和驱动系统的仿真模型,并分析DLFSPM电机的动态响应。加工制造DLFSPM实验样机并完成该电机的驱动控制平台和实验研究。仿真和实验结果表明,DLFSPM电机反电势正弦对称、动子简单可靠,具有良好的动态响应。     

基于计算流体力学的非晶合金轴向磁通永磁电机冷却系统设计

采用一种新型材料——非晶合金作为轴向磁通永磁(AFPM)电机的定子铁心。研制非晶合金和硅钢片两种材料的定子铁心,对其损耗特性进行对比,实验数据显示非晶合金替代常规硅钢片作为电机铁心,能够降低电机的铁耗,但是同时由于高频率的选择使得电机转子部分等损耗有所增加。为进一步提高非晶合金轴向磁通永磁电机冷却效率,优化电机设计保证电机的安全运行,对该类电机的冷却系统进行设计。研究四种冷却结构并建立相应的三维流体场数学模型和物理模型,基于计算流体力学(CFD)理论基础,通过有限体积法,在相同的计算条件、网格划分前提下,研究四种冷却结构的热特性和流动特性。优选出螺旋型结构并对其进行具体尺寸参数设计,最后对无隔水板和螺旋结构进行温升试验。试验结果表明,螺旋结构的绕组和转子冷却效率高出无隔水板结构33.1%和26.5%,为该类新型材料的永磁电机冷却结构设计及电磁方案优化提供了指导。     

高频非晶合金轴向磁通永磁电机不同冷却方案温度场分析

针对高频非晶合金轴向磁通永磁电机永磁体涡流损耗大、永磁体温升高的问题,对定子连接板上开设水道冷却系统和电机两侧端盖加装冷却水套冷却系统的冷却效果进行了对比分析。对于定子连接板上开设水道冷却系统,计算了不同水道数和不同水速时永磁体温升,给出了水道数选择依据。对电机两侧端盖加装冷却水套冷却系统,分析了冷却水套中有无扰流板以及扰流板形状及其放置位置对冷却效果的影响,并对几种方案水头损失进行了对比分析。计算了不同水速时定子连接板水道冷却系统和无扰流板水套冷却系统永磁体温升和水头损失,指出定子连接板水道冷却系统更适合于非晶合金轴向磁通永磁电机。对一台7 k W、无扰流板水套冷却系统非晶合金轴向磁通永磁样机进行了温升实验,实验结果验证了仿真分析的正确性。     

软磁复合材料-Si钢组合铁心轴向磁通永磁电机的结构设计与研究

为实现工业机器人伺服电机的小型化,该文提出采用具有高功率密度和高转矩/转动惯量比特点的轴向磁通永磁(axial flux permanent magnet,AFPM)电机应用在工业机器人中.根据软磁复合材料(soft magnetic composite material,SMC)和硅钢材料的性能特点,该文设计了一台S...