基于材料匹配分析的永磁同步电机优化设计

通过分析永磁同步轮毂电机内嵌式、表贴式、Halbach(哈尔巴赫)阵列式3种永磁体布置方式转子的气隙磁密和对应电流密度上的转矩,得知在相同材料和电流密度时影响轮毂电机转矩的因素主要是永磁体产生的气隙磁密。由于过低的气隙磁密不能让定子材料充分发挥作用,导致无法获得较高的转矩,因此通过采用Halbach阵列形式的永磁体结构,产生聚磁作用,提高气隙磁密,从而提高了电磁转矩。但是,气隙磁密的提高容易使铁芯材料饱和。因此本文在采用Halbach阵列的基础上,分析不同定子铁芯材料和永磁体材料的组合对转矩公式中各参数的影响,最后得出在低速大转矩电机设计中采用高饱和性、高相对磁导率铁芯材料和高剩磁、高矫顽力永磁材料比较适合的结论。     

新型交替极永磁游标电机的优化设计与分析

为解决适用于低速场合的永磁游标电机永磁体极数多的问题,通过提高电机的输出性能,提出一种新型交替极永磁游标电机拓扑。通过有限元法对比4种不同的励磁永磁体配置,研究Halbach阵列增强交替极电机输出性能的方式;针对齿槽转矩与输出转矩,对电机的结构参数进行优化设计;最后,分析该电机的电磁性能、气隙磁密和谐波分布。仿真结果表明:与传统交替极电机相比,该新型交替极永磁游标电机在反电势、气隙磁密、齿槽转矩、输出转矩和电机效率上有较好的性能,适用于低速大转矩的应用场合。     

基于混合粒子群算法的低速大转矩直驱永磁同步电机多目标优化研究

针对潜水电泵用低速大转矩直驱永磁同步电机的优化设计问题,为了同时实现其低齿槽转矩、低转矩脉动和低铁损耗,以及气隙磁密波形正弦度的优化,提出了基于混合粒子群算法的内置式永磁同步电机多目标优化有限元设计方法。在建立有限元分析模型的基础上,以永磁体尺寸、永磁体槽槽型尺寸、最小气隙长度、不均匀气隙偏心距为变量,以空载及负载情况下的齿槽转矩、转矩脉动、铁损耗、效率、气隙磁密基波幅值、气隙磁密波形正弦度作为优化目标,提出了基于权重系数的多目标优化函数。研究结果表明:基于混合粒子群优化算法的有限元设计方法具有搜索能力强、收敛速度快的优点,得到的电机设计结果与设计目标具有良好的一致性,有限元仿真证明了所提方法的有效性和可行性。     

磁场调制式永磁齿轮气隙磁密数理模型建立及其运行机理分析

针对磁场调制式永磁齿轮(FMPMG)的气隙磁密理论推导不完善,无法深刻揭示出FMPMG内在运行机理等问题,基于永磁电机气隙磁密及其单边有槽气隙磁导的计算方法,对FMPMG气隙磁场进行了理论分析与系统建模;认为调磁环对内、外转子所产生的调制作用是FMPMG正确运行的基础,其对一个永磁体转子所产生的调制谐波必须与另一个永磁转子的基波相匹配,才能使FMPMG按一定的传动比输出转速与转矩,且调磁环的调制作用取决于永磁体的磁极对数:磁极对数越多,其调制作用越明显;反之,则并不明显。     

轴向磁化永磁微电机的磁场分析及定子线圈制作工艺

为研究尺寸效应对轴向磁化永磁电机性能的影响,采用有限元方法对这种双转子电机的磁场进行了仿真计算,得出了轴向磁化永磁电机转子的气隙磁密波形分布.分析了转子外形尺寸、充磁极数、磁体厚度和气隙长度对气隙磁密的影响,即随着气隙长度的增加,充磁极数多的转子产生的气隙磁密幅值的减小幅度大于充磁极数少的;随着磁体厚度的增加,气隙磁密为一上升曲线,当磁体厚度达到某一点时,气隙磁密幅值基本为一常数;减小转子直径时,随着磁体厚度的降低,平均半径处气隙磁密幅值的减小幅度越来越不明显,但为不使气隙磁密波形变形严重,永磁转子径向长度需至少大于1.5 mm.对高深宽比微结构的制作工艺进行了研究,最终采用深刻蚀成型电铸工艺制作出了直径10 mm微电机在硅片上的平面定子线圈.并将直径20 mm电机的一系列转矩计算结果和实验测得结果进行了比较,计算值和实测值基本一致.分析方法和结果可对该类电机微小型化过程中的设计起指导作用.     

新型分段定子开关磁阻电机转矩增强和径向力减小的分析研究

开关磁阻电机由于结构简单和启动转矩大等优点应用于许多领域，然而与永磁电机相比，其表现出较低的密度转矩和较大的振动噪声。文中提出一种新型分段定子开关磁阻电机，并在每个定子块两侧增设永磁体，构成分段定子混合励磁开关磁阻电机。首先介绍了拓扑结构和原理，磁路等效法证明了永磁体对气隙磁通加强作用，同时通过有限元仿真得出永磁体对转矩密度的影响并得出优化永磁体厚度。其次建立外转子齿顶开槽模型分析径向力减小的原理，同时对不同槽口宽度和深度模型仿真分析，得到优化尺寸。最后仿真表明，分段定子混合励磁开关磁阻电机的平均转矩提高了34.2%,转矩脉动下降了19.3%,定转子重叠区间的径向力波降低了12.5%,有效降低了径向力，改善了振动噪声。     

轴向磁化永磁微电机磁场分析及设计方法研究

在轴向磁化永磁电机设计中,为研究尺寸效应对其性能的影响,采用有限元方法对这种双转子电机的磁场进行了仿真计算,得出了轴向磁化永磁电机转子的气隙磁密波形分布。分析了转子外形尺寸、充磁极数、磁体厚度和气隙长度对气隙磁密的影响,即随着气隙长度的增加,充磁极数多的其气隙磁密幅值的减小幅度大于充磁极数少的;随着磁体厚度的增加,气隙磁密为一上升曲线,当磁体厚度达到某一点时,气隙磁密幅值基本为一常数;减小转子直径时,随着磁体厚度的降低,平均半径处气隙磁密幅值的减小幅度越来越不明显,但为不使气隙磁密波形变形严重,永磁转子径向长度需至少大于1.5 mm。磁场分析结果可对该类电机微小型化过程中的设计起指导作用。对计算结果做了理论分析,并将计算结果和实验结果进行了比较,计算值和实测值基本一致。     

表贴式与内置式无轴承永磁同步电动机电磁特性对比

为探究不同转子结构对无轴承永磁同步电动机电磁特性的影响,对2台表贴式与内置式无轴承永磁同步电动机进行对比分析。2台无轴承永磁同步电动机的定子结构、绕组通入的电流、相位、永磁体产生的气隙磁密完全相同。建立了2台电动机的有限元模型,对比分析了永磁磁链、反电动势、电感、转矩以及悬浮力等静态电磁特性。有限元仿真结果表明:表贴式永磁同步电动机永磁体的用量较小,磁链谐波分量较少;内置式无轴承永磁电动机能够产生较大的电感、转矩与悬浮力。     

三相开关磁阻电机直接转矩控制系统的研究

为提高开关磁阻电机的动态性能,将直接转矩控制方法应用于开关磁阻电机调速系统。以电磁转矩和磁链作为控制变量,比较给定转矩和反馈转矩以及给定磁链和反馈磁链的大小,给出磁链和转矩的增、减趋势,通过查询电压矢量表确定功率变换器的触发相位,使电机运行。在MATLAB/Simulink环境下,进行了开关磁阻电机直接转矩控制算法的仿真实验。结果表明,采用直接转矩控制策略可以改善开关磁阻电机的动态性能。     

永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统研究

针对传统永磁同步电机(PMSM)直接转矩控制(DTC)中存在的磁链、转矩脉动大、开关频率不固定等问题,提出了一种永磁同步电机的无差拍直接转矩控制(DB-DTC)方法,在离散化电机方程基础上利用无差拍控制原理计算出电压矢量,并结合了空间矢量调制技术(SVM)产生开关信号控制电机运行。同时针对离散系统运算耗时所带来的控制周期的误差,进一步基于永磁体同步电机数学模型,提出了一种电流观测器以预测下一控制周期的电流值,目的是准确估计定子磁链和转矩。研究结果表明,所提出的PMSM DB-DTC不仅继承了传统DTC动态响应快的优点,而且能极大程度地削弱定子磁链和转矩的脉动,该系统具有良好的动静态性能,电流观测器能预测定子电流,确保了PMSM DB-DTC系统的控制精度。     

石油抽油机用外转子永磁电机设计与有限元分析

结合石油抽油机的工况,设计了一种外转子永磁同步电机,该电机具有低转速、大转矩、直驱式的特点,解决了传统石油抽油机效率低的问题。运用ANSYS Maxwell软件建立了分析模型,对电机空载特性进行了仿真计算,分析气隙磁密波形对电机性能的影响,并对电机设计进行了优化。     

磁钢充磁方式对高速永磁电机性能的影响研究

针对高速永磁电机的充磁方式问题,对一台250 k W,67 000 r/min高速永磁电机的径向充磁、平行充磁和Halbach充磁3种永磁体充磁方式进行了研究,对不同充磁方式给高速永磁电机气隙磁场、齿槽转矩、损耗的影响进行了分析。利用有限元分析的方法,根据实际的充磁方式,在有限元软件中建立了高速永磁电机模型,对高速永磁电机不同充磁方式下的性能进行了研究,对比分析了平行充磁、径向充磁及Halbach充磁这3种充磁方式对高速永磁电机气隙磁场、齿槽转矩、定子空载铁耗、转子涡流损耗、额定运行时总损耗等的影响,并且总结了高速永磁电机理想的充磁方式。研究结果表明:采用平行充磁方式时高速永磁电机的气隙磁密波形更趋于正弦、齿槽转矩更小,电机的总损耗最小,运行性能更优。     

新型双定子永磁游标电机电磁性能研究

提出一种在结构上由内、外双定子以及中间转子构成的新型永磁游标电机拓扑结构,永磁体采用内嵌的方式安装在转子内部。在该电机内、外定子上设计有起磁场调制作用的调磁齿,实现对内、外双重气隙磁场的调制作用,提高磁场的利用率,使电机能够输出较大较平稳的转矩。详细阐述该新型双定子永磁游标电机的工作原理,给出具体的设计参数以及二维、三维结构示意图,并运用电磁有限元软件完成对该电机模型的建立,针对其电磁性能进行仿真分析,结果显示该新型双定子永磁游标电机具有有效的谐波调制作用,并能实现较大较平稳转矩输出。     

高速加工用永磁同步电动机的性能分析与优化

根据高速精密铣削电主轴在超精细加工领域的应用特点,以150 mm外径永磁同步电主轴为例,分别从磁密分布、弱磁特性和转矩特性三个方面对电动机的转子结构进行了优化,并分析了非均匀气隙、分段永磁体、漏磁桥对电动机高速运行性能的影响,最终为设计一种弱磁特性好,转矩波动小的高速精密电主轴用永磁同步电动机提供了有价值的参考。     

两相4/2极高速开关磁阻电机多阶气隙优化

针对传统两相4/2极高速开关磁阻电机运行过程中转矩死区和大转矩波动这一问题,对传统开关磁阻电机数学模型中影响转矩死区和转矩波动的因素进行了研究,提出了一种基于两相4/2极开关磁阻电机的多阶阶梯式气隙设计的优化方案。利用Matlab拟合生成了气隙长度与气隙电感大小关系曲线,得到了不同阶数开关磁阻电机模型下阶梯式气隙各阶气隙长度的最优解,采用Maxwell 2D静态和动态仿真计算,计算了静态转矩波动系数、静态合成平均转矩和动态转矩波动系数等参量,分析比较了不同阶数的阶梯式气隙开关磁阻电机模型的电机运行情况。研究结果表明:采用多阶气隙极弧优化设计方法可以有效改善传统两相4/2极开关磁阻电机的运行情况,消除了转矩死区,降低了转矩波动,提高了运行质量。     

内置式永磁同步电机气隙磁密与漏磁解析计算

为了分析转子具有隔磁桥的内置式永磁同步电机的空载气隙磁场,基于改进等效磁网络法进行了气隙磁密与漏磁解析计算。考虑到隔磁桥造成的磁路变化,分别计算了相邻两永磁体磁路等效磁阻、永磁体端部磁路等效磁阻、永磁体自身磁阻与主磁通和漏磁通。针对原有气隙磁阻引入了卡特系数,计算了定子开槽影响的等效气隙长度,进而计算出一个定子齿下的相对气隙磁导函数。用改进等效磁网络法分析了电机空载作用下的气隙磁场,并与有限元法计算结果进行了对比,验证了改进等效磁网络算法的准确性。     

低开关频率下的地铁牵引电机定子磁链控制技术

降低开关频率造成地铁牵引电机定子磁链谐波较大,无法保证其安全稳定运行。为此,在低开关频率约束下,提出基于连续型操作的牵引电机定子磁链控制技术。计算旋转磁场和转子的转速差,利用定子电阻、电角速率等参数创建牵引电机等效电路,明确牵引电机运行情况;将定子静止坐标系中的电流与磁链视作变量创建滑模观测器,获得定子磁链当前观测值;运用间接定子量控制法增强牵引电机低速控制能力,推导定子磁链与电磁转矩在静止坐标系中的空间向量;面对中高速运行电机速率,采用连续多磁链控制策略,将磁链轨迹从圆形平滑过渡到多边形,完成平滑的定子磁链闭环控制。实验结果表明,所提方法很好地控制了转矩波动与电流冲击,提高了牵引电机系统的整体控制能力,在长时间工作下依旧能保证地铁可靠运行。     

新型双定子永磁游标电机

永磁游标电机具有高转矩密度,直接驱动等优点,在低速大转矩、宽速度范围运行等领域有较好的发展前景.文中提出了一种新型双定子永磁游标电机,介绍了该电机的结构、工作原理以及磁路走势,并以内、外定子均为4对极为例,利用有限元法与转子内部有隔磁层的电机进行了对比仿真分析,结果表明,无隔磁层的新型双定子永磁游标电机具有转子空间利用率高、电机饱和程度和谐波含量低、气隙磁场增速效果优、输出电压波形正弦性好等优点;通过对外定子齿开辅助槽的方式减小了转矩脉动,提升了电机的性能.     

基于空间矢量的同步磁阻电机直接转矩控制

针对传统直接转矩控制由于采用滞环比较器对磁链和转矩进行直接控制,导致磁链、转矩脉动较大和开关频率不固定等问题,对同步磁阻电机直接转矩控制进行了研究,开展了直接转矩控制的基本原理分析,根据同步磁阻电机的数学模型,提出了一种定子磁场定向下磁链和转矩双闭环PI控制结构的直接转矩控制方案,采用空间矢量调制策略,克服了传统直接转矩控制的缺点。利用Matlab/Simulink搭建了两种直接转矩控制方案的仿真模型,并利用基于d SPACE的实验平台对该方案的低速性能进行实验研究,研究结果表明:相较于传统的直接转矩控制,该方案能明显减小电机的转矩脉动并且能保持开关频率恒定,能使电机在低速范围内具有良好的动态性能,并且使得电机在低速范围内稳定运行,证明了该方案的可行性和有效性。     

基于等效磁化电流法的永磁同步直线电机静态气隙磁场计算

以1FN3100永磁同步直线电机为研究对象,基于解析法,给出了该直线电机二维稳态场的气隙磁场分布的计算公式,在此基础上,利用MATLAB数学工具绘出了1FN3100永磁同步直线电机的气隙磁密分布曲线。该方法为研究直线电机隔磁防护、推力波动、涡流损耗等热点和难点问题打下了基础。