基于裂比的非晶合金永磁电机设计技术

非晶合金材料电磁性能优异,应用于电机领域能显著降低电机铁心损耗,提高电机效率。针对非晶合金材料的特点,基于永磁电机基本设计理论,推导了非晶合金电机铜耗与铁心损耗的解析表达式。基于非晶合金永磁电机损耗的解析表达式对非晶合金永磁电机裂比(定子内外径之比)、磁密比值(气隙磁密与铁心磁密之比)的设计进行了研究,得出了非晶合金永磁电机裂比、磁密比值的设计规律。在对非晶合金永磁电机设计规律研究的基础上完成了一台非晶合金永磁电机的设计并进行了试验。所做的研究对非晶合金电机的设计及优化具有一定的参考价值。     

磁致伸缩引起的非晶合金永磁电机振动解析计算

磁致伸缩是引起非晶合金永磁电机振动的主要原因之一。基于压磁方程建立了磁致伸缩引起的非晶合金定子铁心振动解析模型。解析模型求解区域分为定子铁心轭部和齿部子域。以振动位移为求解变量,在轭部和齿部分别建立振动微分方程,采用分离变量法求解偏微分方程,并利用边界条件得到待定系数。在解析模型的基础上,推导出电机振动特性解析计算公式。解析模型适用于计算磁致伸缩引起的径向磁通非晶合金永磁电机振动,可计算电机定子铁心振动位移、速度、加速度和应力。利用有限元法对解析法进行验证,表明了该解析方法的有效性。     

考虑铁心饱和的内置式永磁同步电机气隙磁场解析计算

准确分析电机结构以及磁饱和等因素对气隙磁场分布的影响是永磁电机设计、优化的关键。以分数槽集中绕组内置式永磁同步电机(FSCW-IPMSM)为研究对象,根据磁路分析方法和FSCW的分布规律,分别得到了考虑转子磁桥漏磁的空载永磁磁场解析模型和电枢反应磁场的解析表达式。考虑到定子齿槽结构以及转子内部永磁体分布,利用相对气隙磁导,将定子开槽和转子凸极对气隙磁场的影响考虑在内。重点结合定子铁心材料的B-H磁化曲线、定子铁心局部磁饱和特性引入铁心等效磁阻与动态磁导率来考虑定子铁心磁饱和对负载气隙磁场的影响。最后,有限元仿真和样机试验结果验证了理论分析的准确性,为该类电机的电磁设计和性能分析提供了理论基础。     

高速开关磁阻电动机用非晶定子铁心及磁性能

为了分析非晶电机铁心磁特性及其对开关磁阻电动机性能影响,分别用叠块法和冲片法试制了800W,35000r/min高速开关磁阻电动机用非晶定子铁心并测试其磁特性,将具有非晶叠块定子铁心的电机静态性能和负载运行性能与硅钢电机做了对比测试。结果表明,非晶合金铁心具有高磁导率、低损耗特性,但受材料性能及加工过程影响,其饱和磁密及叠压系数均低于硅钢铁心。非晶铁心可提高开关磁阻电动机在高频下的相电感峰值,并显著降低电机在高速运转条件下铁心损耗及温升。该研究结果可为高效、高速非晶开关磁阻电动机设计和优化提供参考。     

轴向磁通非晶合金永磁电机空载铁耗的解析计算方法

非晶合金材料具有出色的低损耗特性,利用非晶合金替代硅钢片制作轴向磁通永磁电机铁心可有效降低电机铁心损耗,但替代后的非晶合金电机的损耗结构也将发生改变。在电机初始设计阶段,快速准确计算出电机的空载铁耗是轴向磁通非晶合金电机设计及优化的关键。该文针对3D时步有限元计算耗时长的问题,改进现有多环等效模型计算方法,推导了气隙磁密、定子铁心损耗和永磁体涡流损耗的解析解,构建了空载铁耗的解析计算模型。利用3D有限元对解析模型计算值进行了验证,结果显示解析计算模型计算误差仅为9.42%。利用该解析模型分析槽口和气隙长度对空载铁耗的影响,结果显示采用减小槽口宽度降低空载铁耗的效果更为明显。     

非晶合金在永磁同步电机的应用

基于非晶合金Metglas官网提供的Metglas2605SA1非晶合金材料的相关性能参数,利用Ansoft Maxwell分析定子铁心材料采用非晶合金Metglas2605SA1,且单频率激励下的永磁同步电动机的电磁性能与输出特性,同时分析了气隙及定子轭部磁密的空间分布,以及永磁电机存在的齿槽转矩问题,并与具有相同结构和控制参数的定子铁心采用硅钢D23-50永磁电机进行对比分析。仿真结果表明,采用定子铁心采用非晶合金永磁电机相比于硅钢D23-50永磁电机有以下优势:电机重量轻,铁耗相对于硅钢电机更小,效率比硅钢电机高2.41%,磁场响应能力强。但其齿槽转矩的数值高于硅钢电机。     

非晶合金永磁电机负载损耗及效率特性分析

为了研究采用非晶合金材料代替硅钢片材料制作铁心后,永磁电机在负载运行时的损耗与效率的变化规律,研制了两台相同结构尺寸参数的非晶合金永磁电机和硅钢片永磁电机。利用实验方法测试了两台电机在相同运行工况下的损耗与效率特性,并借助有限元方法对两台电机不同负载率时的损耗进行了对比分析。结果显示,轻载时,非晶合金永磁电机定子铁心损耗低于硅钢片电机,效率优势明显;但随着负载率的增加,非晶合金电机定子铁心饱和严重,导致绕组磁动势波形畸变,由绕组磁动势谐波引起的损耗高于硅钢片电机,非晶合金电机效率优势随负载率的增加逐渐减小。     

考虑定子饱和的航空高速永磁电机转子涡流损耗解析模型

随着航空装备性能不断提高,对高速永磁电机的功率密度要求不断提高,电磁方案的极限设计使定子饱和效应越发明显。定子饱和会直接影响磁导谐波变化和转子涡流损耗大小。本文将子域法和等效磁路法结合进行迭代计算,提出一种考虑定子饱和的航空高速永磁电机转子涡流损耗解析模型。利用该解析模型计算了不同气隙长度、不同槽口大小对转子涡流损耗的影响。最后以一台航空高速永磁电机的进行实验测试,将解析结果与实验结果、有限元结果进行对比,验证解析模型的正确性。     

高功率密度永磁无刷直流电机铁耗计算分析

针对高功率密度永磁无刷直流电机铁心损耗的计算方法及其对电机参数设计的影响,对比分析了几种计算方法的结果,提出的基于磁密波形的正交分解-傅里叶分解法的计算结果最接近实测值。基于此方法,研究了3200W样机定子铁心损耗密度的分布及铁心损耗随负载转矩和转速的变化规律。结果表明定子铁心损耗的分布与磁密分布具有相似性;选用2对磁极和35WW230硅钢片材料,使得涡流损耗和磁滞损耗随转矩和转速变化的曲线交点分别出现在额定转矩和额定转速之后。对于高功率密度永磁电机,避免齿部磁密过分饱和、选用较小极对数和涡流效应较小的硅钢片材料,可减小额定工况下的铁心损耗,提高电机工作效率。     

双转子径向永磁电机气隙磁密的分析计算

双转子径向永磁电机可以大大提高转矩密度和效率。该文首先简要介绍了双转子径向永磁电机的基本结构、原理、特性及设计依据,然后采用等效磁路法对气隙磁密进行了解析,最后利用有限元法对所设计电机进行了静态磁场的分析和气隙磁密计算值的验证。结果表明,双转子径向永磁电机在磁场上可看作由共用定子铁心的两个传统内、外转子永磁电机并联而成,气隙磁密的解析值和有限元计算值也吻合得较好,证明了分析和设计的可行性。     

Demonstration of loss reduction effect of 66 kV‐classed 30 MVA three phase hybrid‐core transformer by trial manufacture

To realize larger‐capacity “Hybrid‐core transformer: HBT”, this research has assembled a 30‐MVA three‐phase trial HBT and evaluated the loss performances. The hybrid‐core consisting of the wound amorphous‐ and the stacked silicon steel‐cores, is expected having advantages of lower iron loss of the iron‐based amorphous material and the higher mechanical strength and saturation magnetic flux density of the silicon steels simultaneously. Three‐dimensional finite‐element method analysis revealed that the silicon steel core prevented over‐saturation of the amorphous core. The hybrid configuration enabled the design to have an approximately 10% higher magnetic flux density than configurations with only an amorphous core. We then assembled a prototype 30‐MVA three‐phase HBT designed on the basis of our investigation results. Operation tests demonstrated that the HBT has 62%‐reduced iron loss and 0.10%‐higher 50%‐loaded power efficiency from the conventional silicon steel core transformer.     

基于麦克斯韦应力法的双绕组无轴承开关磁阻电机新型数学模型

现有的双绕组无轴承开关磁阻电机麦克斯韦应力法数学模型忽略了相互垂直方向上径向悬浮力的耦合,但当转子偏离定转子齿极中心对齐位置较大时存在较强的耦合,故现有模型难以满足高精确度稳定悬浮控制要求。选择一种计及相互垂直方向悬浮力耦合的新积分路径,建立了基于麦克斯韦应力法的双绕组无轴承开关磁阻电机新型数学模型,同时为计及电机磁路的饱和特性,采用最小二乘法对铁心材料的非线性磁化曲线进行拟合,求解考虑磁饱和的各气隙磁密。通过与有限元仿真结果对比,验证了所建模型不仅揭示了相互垂直方向上径向悬浮力的耦合关系,考虑了磁饱和特性,且具有精确度良好、计算量小等优点,为实现高精度稳定悬浮控制奠定了基础。     

考虑饱和效应凸极同步电动机矢量控制

通过闭环复合磁链观测器,可获得优良的气隙磁链观测效果.基于此,提出一种考虑饱和效应的凸极电机数学模型,利用DSP2812为核心的同步电机实验平台,完成了同步电机矢量控制实验.实验结果表明,基于所提出的气隙磁场定向矢量控制系统具有高性能动静态特性,利用此处建立的饱和数学模型分析和控制同步电机,在磁场饱和非线性时,同步电机...     

基于多项式磁饱和模型及EKF的感应电机磁链观测

感应电机的转子磁链通常用定子电流进行观测,易受测量噪声影响,且观测模型精度与电机参数有关。当电机内磁场幅值变化时,磁路非线性饱和效应会引起互感参数波动,导致观测磁链的幅值和方向偏离实际值,使控制出现偏差。对此,提出基于四阶多项式磁饱和模型以及扩展卡尔曼滤波(EKF)的全状态估计算法,以定子电流作为反馈,观测转子磁链的同时,辨识互感参数。仿真及实验结果表明所提算法能降低磁饱和非线性对控制系统的影响。     

一种电机用非晶合金铁心的制备及其磁性能研究

将叠层非晶薄带整体切割后机械固定成形,再采用热处理的方法,将非晶合金带材制作成电机定子铁心,并与相同尺寸的层间粘接法制作的非晶合金铁心以及硅钢铁心进行磁性能对比.结果显示,机械固定法制备的非晶合金铁心具有较低的铁心损耗和较高的磁导率,并且励磁磁场强度在0～2000 A/m范围内具有较高的磁通密度.     

Improvement of saturation property of iron powder core by flux homogenizing structure

A new core structure is proposed to improve the saturation property of an inductor made of iron powder core. In the conventional structure made of a single core material, converging flux lines cause local magnetic saturation at the inner side of the corners of the magnetic path. Therefore, the conventional inductor shows worse saturation property than expected from its core material. This degradation mechanism is solved in the proposed core structure through homogenization of the flux distribution at the corners. Experiments are performed to evaluate the flux homogenization and improvement of the saturation property. Results show a homogenized flux distribution in the proposed core structure. Furthermore, the flux level improved by 28% while the inductance decreased by 40% of its initial value. Both these results are consistent with theoretical expectations, except that a larger improvement is found in the experiment compared to the 16% improvement predicted by numerical calculation. © 2013 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

共模扼流圈饱和效应分析及动态电感计算

研究了差模电流激励下的共模扼流圈磁饱和效应.建立了共模扼流圈的有限元分析模型.共模扼流圈三维磁场分布的仿真计算结果显示,磁芯中差模电流激励的磁通并没有完全抵消,仍有少量漏磁存在.这些漏磁增加了磁芯的磁通密度,并导致磁芯部分饱和.为得到共模扼流圈在磁芯部分饱和情况下的共模电感值,借助有限元数值分析,给出了求取共模扼流圈动态电感的计算方法.最后设计了测量差模电流激励下共模扼流圈动态饱和电感的实验,仿真计算与实验测量结果吻合较好,表明所提出的共模扼流圈动态电感的计算方法是有效的.     

轴向磁通永磁同步电机快速等效磁路分析

轴向磁通永磁同步电机具有轴向长度短、结构紧凑、体积小、转矩密度高等特点。然而其磁场为三维磁场,模型过于复杂,难以直接运用经典解析法进行快速求解与计算。为快速完成轴向磁通永磁同步电机的前期估算,文中提出一种简化等效磁路模型来快速计算轴向磁通永磁同步电机的基本性能。该磁路模型通过合理的等效,将三维轴向磁通永磁同步电机模型转化为多层二维等效模型,进而运用等效磁路法和叠加法实现电机性能的计算。最后,以10极12槽双定子单转子轴向磁通永磁同步电机为例,运用文中所述模型计算其气隙磁密,永磁磁链和空载反电动势并对不同分层数的电机模型进行了有限元的仿真。结果表明,本文等效磁路模型的计算精度与三维有限元法相近,且耗时极短,更有利于该类电机的工程初算。