少稀土组合磁极Halbach永磁同步电机性能和材料成本研究

稀土永磁同步电机性能优越,但稀土永磁材料价格昂贵导致电机成本增加。因此,提出了一种新型少稀土永磁同步电机,其永磁体采用组合磁极Halbach结构。分析了少稀土组合磁极永磁同步电机的结构特点,并在此基础上,提出了少稀土T型、HAT型和LREH型三种组合磁极Halbach永磁同步电机拓扑结构。从电机空载反电动势、空载齿槽转矩和额定负载电磁转矩等方面分析了三种拓扑结构少稀土永磁同步电机,并与稀土永磁同步电机进行对比分析。在等转矩条件下研究了钕铁硼和铁氧体两种永磁体厚度对少稀土组合磁极永磁同步电机材料成本的影响。对比分析了稀土永磁同步电机和三种少稀土永磁同步电机的材料成本。有限元仿真结果表明LREH型少稀土组合磁极Halbach永磁同步电机具有更好的转矩性能和更低的材料成本。     

Halbach永磁阵列无刷直流电机转矩的解析计算和分析

Halbach永磁阵列具有灵活配置电机气隙磁通密度、磁屏蔽的特点,将其用于无刷直流电机以增加电磁转矩、降低齿槽转矩。在保角变换求解电磁场基础上,给出无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩的解析计算模型,通过有限元仿真对该模型的准确性进行证明;使用该模型分析每极两块(1P2p)、每极三块(1P3p)Halbach永磁阵列中主磁钢弧角和辅磁钢充磁方向角对无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩的影响,对比分析径向充磁、平行充磁和Halbach永磁阵列的无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩随永磁体厚度的变化规律。分析结果表明,合理配置无刷直流电机Halbach永磁阵列中主磁钢弧角和辅磁钢充磁方向角可提高电磁转矩、降低齿槽转矩,当永磁体厚度增加时,Halbach永磁阵列更有利于电磁转矩增加。     

基于不等厚永磁体的非均匀Halbach型PMSM气隙磁场解析及性能研究

Halbach阵列永磁电机的气隙磁场相对于一般的永磁同步电机正弦性更好,转矩输出性能更优秀,对气隙磁场进行准确的计算是其后续设计、计算和优化的基础。本文提出了一种采用主辅极不等厚磁极来优化不均匀Halbach阵列性能的电机模型,以2:1的主辅极比例厚度为例,推导出了计及极间隔断的不等厚磁极Halbach永磁电机的径向气隙磁场解析解,该模型在有限元软件中得到了验证。在此基础上对比了在若干组常见的永磁体所占角度配比下,等厚磁极Halbach电机和不等厚磁极Halbach电机的齿槽转矩、磁场畸变率等性能指标,发现了不等厚度磁极Halbach型永磁电机在削弱齿槽转矩和降低磁场畸变率方面的明显优势。     

部分分段Halbach永磁同步电机优化设计

针对高功率密度的永磁同步电机齿槽转矩及永磁体涡流损耗大的问题,设计一种部分分段Halbach结构的表贴式永磁同步电机,永磁体采用Halbach充磁方式,每极分为三段,主磁极采用单侧部分分段,边界磁极与主磁极不等厚且不等宽.采用精确子域模型法,将求解域划分为永磁体、气隙、槽身和槽口四个区域,在二维极坐标下计算电机空载气隙...     

磁极组合型轴向磁场无铁心永磁电机的设计与分析

在现有Halbach阵列永磁电机的基础上,提出了一种磁极组合式的Halbach永磁阵列轴向磁场无铁心电机,阐述了该电机的结构与优点,分析了该电机的电磁转矩。借助三维有限元分析方法,优化设计了组成转子磁极的Halbach永磁材料、软磁材料尺寸。在综合考虑单位体积永磁体所产生电磁转矩和气隙磁密正弦性的基础上,确定了电机转子磁极上轴向磁化、切向磁化永磁体以及软磁材料的极弧系数。与传统Halbach结构轴向磁场无铁心永磁电机相比,优化后的磁极组合型轴向磁场无铁心永磁电机,在保证气隙磁密大小一定的基础上,减少了永磁体用量,降低电机造价,从而提高了电机性价比。样机实验和有限元分析结果验证了所设计电机的正确性和有效性。     

基于磁极参数的表贴式永磁同步电机齿槽转矩研究

齿槽转矩是永磁电机的重要问题之一,削弱齿槽转矩可以减少转矩脉动、降低电磁噪声、提高电机运行稳定性。基于磁极参数对表贴式永磁同步电机(SPMSM)的齿槽转矩进行了研究,基于能量法和傅里叶分解推导了不同永磁体模型下的齿槽转矩公式。研究发现,磁极参数的改变影响永磁体剩磁在气隙中分布和气隙相对磁导率的大小,进而改变齿槽转矩的大小。然后结合有限元方法对不同永磁体模型下的电机齿槽转矩进行了仿真分析,发现削极结构和组合磁极对齿槽转矩削弱明显,并通过有限元方法优化了这2种结构的磁极参数,最后分析对电机其他性能的影响。研究表明,合理地选择永磁体参数可以在确保电机性能的同时显著降低齿槽转矩。     

基于Kriging模型和粒子群算法的不等厚永磁电机优化设计

不等厚永磁电机能够有效降低齿槽转矩,但同时也会导致电机电磁转矩性能降低。针对一款永磁直流电机,以磁极偏心距离和永磁体中心最大厚度为自变量,以齿槽转矩、电磁转矩、永磁体体积为优化目标,通过建立Kriging代理模型来建立自变量和优化目标的响应关系,再利用粒子群算法找到最优的变量组合。结果表明,优化后的电机不仅降低了齿槽转矩,也能使电机有较高的平均电磁转矩,并且还减小了永磁体体积。     

基于Halbach阵列与组合型磁极相结合的表贴式永磁电机优化设计

为了减小表贴式永磁电机气隙磁场中谐波含量过高所带来的电机性能下降的影响,提出了Halbach磁体阵列与组合型磁极相结合的转子结构。基于时步有限元计算软件,利用田口法正交试验,以谐波畸变率THD和气隙磁密基波幅值大小为评价标准,优化设计了4极永磁电机的转子结构参数。优化参数包括:磁钢厚度、组合磁极的磁极配比、Halbach充磁夹角、较小磁能积的永磁材料的矫顽力大小。通过对比优化前后气隙磁通密度谐波含量,验证了该优化方法的有效性。     

不同磁极结构对高速永磁同步电动机磁场影响分析

针对不同磁极结构的高速永磁同步电动机的磁场分布,分析了传统、不等厚、Halbach型磁极结构,建立了2极和4极高速永磁电机的有限元分析模型,对比分析了3种磁极结构的高速永磁电机气隙磁场的分布特点,讨论了3种磁极结构使用场合。结果表明:传统磁极结构的气隙磁密更高,Halbach型磁极结构具有较好的磁屏蔽作用,且相对于2极电机4极电机可更好的发挥磁钢性能,不等厚磁极结构具有较大的漏磁,虽可减小齿槽转矩,但增加永磁体的用量。     

永磁同步电机复合式磁极的磁场分析

提出了一种内置式永磁电机用复合式磁极结构,通过铁氧体和钕铁硼两种永磁材料的组合,改善了气隙磁密波形,减小了齿槽转矩。提高了抗去磁能力,减少了稀土材料的用量。利用Ansoft软件分析了复合式磁极的磁场,并对其进行了优化。     

Cogging torque investigation of PM motors resulting from asymmetry property of magnetic poles: Influence of performance variation between permanent magnets

This paper examines the cogging torque of a permanent magnet (PM) motor resulting from the asymmetry property of magnetic poles, which comes from the performance variation between magnets. A PM motor with 32 poles (= 16 pole pairs) and 36 slots is selected for verification, because the motor whose pole/slot ratio is 8/9 is sensitive to the performance variation between permanent magnets. Assuming that two different magnetization levels of magnets are mixed together in one rotor, the amplitude of the 2.25th and 4.5th components of cogging torque, which show 36 (= 2.25 × 16) and 72 (= 4.5 × 16) times of pulsation per rotation respectively and both of which result from the asymmetry property of the magnetic poles, are evaluated. As a result, it is clarified that the cogging torque characteristics depend on the alignment pattern of the two kinds of magnets. The amplitudes of the 2.25th and 4.5th components of cogging torque are proportional respectively to the amplitude of the 36th and 72nd order harmonics of the squared magnetic flux density around the rotor which is set in the space without stator. Using the proportional constants found from the finite element analyses in some alignment patterns, the cogging torque amplitudes of the motors with other alignment patterns can be predicted by calculating the squared magnetic flux density around the rotor only. The predicted cogging torque amplitudes correspond to the actually calculated results. © 2008 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 163(3): 57– 67, 2008; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20669     

磁极组合型无铁心永磁直驱风力发电机转子结构设计

Halbach阵列用在电机上有很多好处,但却造成成本上升,研究了一种适用于无铁心永磁直驱风力发电机的径向磁场磁极组合型Halbach阵列,阐述了该新型磁极的结构与优点。借助二维有限元分析方法,找到了利于实现Halbach阵列单边磁屏蔽能力磁极组合方式,并且优化了软磁材料的尺寸,确定了电机的极弧系数。与常规Halbach阵列相比,优化后的组合磁极型电机在保证一定气隙磁密的基础上,减少了永磁体用量,降低了电机成本。     

永磁同步电机转矩脉动和振动噪声抑制

抑制转矩脉动和振动噪声是设计永磁同步电机的难点之一。通过对永磁同步电机齿槽转矩形成机理进行分析,考虑极弧系数和大小极磁极结构对齿槽转矩的影响。基于等效面电流法对永磁同步电机的气隙磁场进行建模。采用粒子群算法优化了永磁同步电机的极弧系数,利用大小磁极结构配置方式,降低了气隙电磁力谐波对转矩脉动幅值影响较大的阶次,从而实现抑制电机齿槽转矩的目标。将永磁体优化前后的转矩脉动和噪声幅值进行对比表明,该方法可有效地降低永磁同步电机的转矩脉动和振动噪声。     

切向内置式高速永磁电动机转子结构优化研究

针对小功率高速永磁电动机,为满足高速电动机转子结构的应力要求,并简化电动机的生产工艺,提出了一种基于梯形永磁体的切向内置式转子结构,在满足电动机基本设计要求的前提下,对电动机转子相关结构参数进行了优化设计。采用有限元仿真方法,详细地分析了极弧系数和转子表面结构对齿槽转矩、平均转矩和转矩脉动的影响规律,并对转子的结构应力进行了校核。研究表明,该转子结构可有效简化电动机的生产工艺,总结了部分参数对电动机转矩性能的影响规律,并通过对转子结构的优化,有效地减小齿槽转矩以及转矩脉动。     

永磁体不对称放置削弱内置式永磁同步电动机齿槽转矩

针对内置切向式转子结构磁极偏移时,每极磁密的大小和分布都不相同的问题,基于解析法研究了偏移角度的确定方法.与表面式永磁电机不同,内置切向式结构在永磁体不对称时,每极极弧宽度会发生变化,影响每极磁密的大小和分布,两者都对齿槽转矩有影响,因此确定永磁体位置时须考虑两者的影响.基于内置式永磁同步电动机齿槽转矩解析表达式,分析每极磁密大小与分布对齿槽转矩的影响,研究磁极偏移角度的确定方法,并与表面式永磁电机磁极偏移角度进行了对比.采用有限元法计算不同偏移角度对齿槽转矩有影响的磁密谐波和齿槽转矩,有限元计算结果表明,由于考虑了磁极偏移对每极磁密的影响,磁极偏移能有效地削弱齿槽转矩.     

基于磁极分块与转子开槽削弱永磁电机齿槽转矩

为了提高6极72槽永磁直驱风力发电机的运行性能,提出了磁极分块与转子开槽相结合削弱齿槽转矩的方法。根据齿槽转矩的解析式和叠加原理,分析得出磁极分块和转子开辅助槽对削弱齿槽转矩的有效性。基于Maxwell有限元软件分别研究了永磁体的磁极分块、转子开槽对齿槽转矩的影响,给出了最佳的磁极分块数和磁极间隔以及转子辅助槽槽深和开槽位置。通过对比分析优化前后的电机仿真结果可知,该方法使电机的齿槽转矩得到了显著的削弱,同时电机的其他性能符合技术要求。     

A new approach to reduction of the cogging torque in a brushless motor by skewing optimization of permanent magnets

This paper presents a new approach to the skewing optimization of permanent magnet poles in a two-phase brushless d.c. motor in order to effectively reduce its cogging torque. The effect of skewing is obtained by a proper angular dislocation of permanent magnet slices. Skewing optimization is carried out with respect to the number of pole slices and their mutual angular dislocation. A natural criterion of optimization is assumed by the minimum standard deviation of the cogging torque. Since employing a full-size three-dimensional (3D) finite element method model of the motor in the skewing optimization problem would lead to prohibitive computational burdens, a new simplified 3D model is developed for the multisliced pole structure. The simplified method for torque calculations makes the optimization task feasible at reasonable computational cost. Solutions obtained clearly exhibit that the torque pulsation can be effectively reduced by appropriate skew-like shaping of permanent magnets. Simulation results on cogging torque minimization are in very good agreement with experimental data obtained from a prototype motor.     

基于响应面法的定子永磁型轴向磁通切换电机齿槽转矩优化设计

针对聚磁反应造成定子永磁型轴向磁通切换电机(SPAFFSPM)的齿槽转矩偏大、噪声大等问题。以减小定子永磁型轴向磁通切换型电机的齿槽转矩,提高电机的输出性能为目标,利用能量摄动法推导出电机的齿槽转矩解析表达式,分析影响齿槽转矩的定转子结构参数。基于响应面法与有限元法构造出定子槽弧宽、转子齿倾斜角及永磁体形状系数与齿槽转矩之间的响应面数学模型,推导出使齿槽转矩最小的定子槽弧宽、转子齿倾斜角及永磁体形状系数最优组合。最后建立优化前后电机三维有限元分析模型,搭建样机的实验平台,验证优化方法的合理性及准确性。结果表明,优化后的电机齿槽转矩减小约82.5%,且电机的输出性能得到明显提高。