新型模块化磁通切换永磁电机驱动系统建模与仿真研究

磁通切换永磁(FSPM)电机是一种新型定子永磁型电机,具有功率密度高、效率高等优点。为提高其容错性能,提出了一种具有模块化结构的FSPM(M-FSPM)电机。建立了该电机定子/转子坐标系下的数学模型,验证了矢量控制应用于M-FSPM电机的可行性。运用Matlab/Simulink仿真软件搭建了M-FSPM电机系统的仿真模型。研究结果表明,M-FSPM电机是一种新型容错电机,具有优良的稳态和动态性能。     

新型两相磁通切换型永磁电动机调速系统建模与仿真研究

基于Matlab/Simulink对一种新型结构的两相磁通切换型永磁(FSPM)电动机调速系统进行了仿真研究。首先分析8/6极FSPM电动机的工作原理和数学模型,之后引入了三相永磁同步电动机常用的矢量控制策略,从而建立了两相FSPM电机调速系统的稳态和动态仿真模型。仿真结果表明矢量控制算法对FSPM电机完全适用,为定子永磁型电动机调速系统的控制提供了新思路。     

磁通切换永磁电机等效模型与控制策略分析

针对传统转子永磁型电机散热困难导致永磁体发生不可逆退磁、限制电机出力、减少功率密度等问题,提出了一种定子永磁型磁通切换永磁(FSPM)电机,并对该电机结构特点与等效模型进行了分析,比较了定子磁场定向控制(SFOC)、直接转矩控制(DTC)及基于空间矢量调制的直接转矩控制(SVM-DTC)三种控制方法在FSPM电机上的应用效果.运用dSPACE的实验平台,对基于SFOC的FSPM电机驱动系统进行了实验研究.仿真与实验结果表明,采用SFOC的FSPM电机转矩脉动小、电流正弦度好以及低速性能优越,更适合于低速驱动领域的应用.     

抑制分数槽永磁电机轴电压定子斜槽法

特定极槽配合的分数槽永磁电机在空载情况下会产生固有轴电压,对轴承有着不可忽视的危害,同时对电机运行的稳定性及安全性也会造成极大的影响。斜槽作为电机性能优化的常用方法,对谐波的削弱也有着很好的效果,故可以采用定子斜槽法来削弱永磁电机空载轴电压的主要谐波。首先,基于磁路原理和法拉第电磁感应定律,推导出考虑斜槽时的分数槽永磁电机空载轴电压的解析模型,分析轴电压的主要谐波成分与斜槽数的关系,给出可使轴电压得到削弱的最佳斜槽数,然后利用二维有限元法分析了不同斜槽度下的4台分数槽永磁电机的空载轴电压,结果证明了解析分析的正确性和有效性。     

利用定子槽口宽度削弱永磁电机电磁噪声研究

着重研究了永磁电机定子槽口宽度对电磁噪声的影响。通过电磁力解析计算得出电磁力与定子槽口宽度的计算关系。利用Ansoft软件对1台电动汽车用永磁电机进行电磁场计算,求解改变定子槽口宽度对电磁力波的影响,并用ANSYS软件对该永磁电机进行不同定子槽口宽度的2D声场计算。进行了试验验证,仿真计算与试验结果基本一致,可为该类电机削弱噪声设计计算提供参考。     

双定子永磁电机内外定子绕组相轴相对位置确定方法

确定内外定子绕组相轴相对位置是双定子永磁电机设计安装过程中必须解决的问题.本文推导了永磁电机定子绕组相轴位置与电机设计参数关系的解析表达式,并分别以整数槽、分数槽绕组电机为例,将解析表达式求解结果与槽导体电势星形图分析结果进行对比;采用有限元方法分别计算了内外定子均为分数槽和内定子为整数槽外定子为分数槽两种情况下的双定子永磁电机电磁特性;最后测试了内外定子均为分数槽样机绕组的相电动势波形.研究结果表明:解析表达式分析结果与槽导体电势星形图分析结果完全一致,有限元分析结果与实验结果吻合很好,验证了理论分析的正确性.本文所得解析表达式能准确计算永磁电机定子绕组相轴位置,适用于三相60°相带分数槽双层分布式、集中式绕组电机及整数槽绕组电机.     

复合式双电压永磁同步发电机的特性分析

提出了一种新型的复合式双电压永磁同步发电机。分析了该电机的基本结构、基本原理。采用解析法计算了电机每相绕组电感,并对其进行了有限元验证。计算了空载感应电压,通过有限元软件分析了空载和额定时气隙磁密分布,计算了在不同的电枢电流情况下的电磁转矩和铁耗,并与同功率的常规永磁电机性能进行了对比,仿真结果证明了设计方案的可行,复合式结构并没有影响电机性能。对该电机进行分析计算时可以看作共用定子铁心的内、外转子电机。电机性能良好,对同类的复合式永磁同步电动机设计提供一定的参考。     

基于NPC三电平九相磁通切换永磁电机的控制

多电平逆变技术是大容量变频调速的首选方案,结合多相电机技术可以进一步提升调速系统的容量。本文对中点钳位(neutral point clamped,NPC)型三电平逆变器供电的10 k W、九相磁通切换永磁(flux-switching permanent magnet,FSPM)电机调速系统进行了仿真和实验研究,探索结合多电平逆变技术和多相电机技术的调速方案。在三相FSPM电机矢量控制的基础上扩展建立了九相FSPM电机的定子磁场定向矢量控制方法,分析了调速系统采用两种载波PWM方式下产生的电压和电流波形。另外,3、5、7次谐波电流的解耦闭环控制成功消除了直流侧中点电位偏移。最后仿真和实验结果证明了理论分析的正确性和有效性。     

大功率高速永磁电机的电磁设计与损耗分析

大功率高速永磁电机的损耗与温升等影响电机功率密度的提高。以500 kW、12 000 r/min高速永磁电机为例,分析了电机极对数、定子绕组形式、转子结构、永磁体等对电机性能特别是损耗的影响。采用电机的有限元仿真模型,对电机的转子结构强度、输出性能、损耗进行了分析计算。试制了样机并对相关性能进行试验验证,分析计算与试验结果均表明,电机达到了较高的技术指标要求,为高速永磁电机的优化设计提供了参考。     

磁通切换双定子电机定位力矩抑制方法研究

磁通切换永磁(FSPM)电机具有功率密度高、输出转矩大、反电动势正弦等优点,与传统永磁体位于转子的永磁同步电机、无刷直流电机相比,FSPM电机存在较大的转矩脉动,这也一定程度上限制了该类电机在诸如高精度运动控制、伺服系统等领域的应用和推广。针对磁通切换双定子电机,提出了一种"内、外电机错位设计与控制"的方法,并进行理论分析和实验验证。在电机本体设计上,采用磁路并联式同心圆结构,同时将内、外定子之间错开一个角度;控制时,通过控制内、外定子电流相位,以达到明显抑制定位力矩的目的。仿真分析和实验研究均表明,该方法能使电机在保持高转矩密度的同时,能有效降低了该类电机的总转矩脉动,为该类双凸极类双定子电机的转矩脉动的抑制,提供了一种行之有效的方法。     

电动汽车用高功永磁同步电机设计与特性分析

针对传统内置式永磁同步电动机(PMSM)反电动势谐波含量高,转矩脉动大等缺点,提出一种高功率密度电动汽车用不等气隙永磁同步电机(UG-PMSM),通过气隙的不均匀特性,改善空载反电动势正弦特性.建立了UG-PMSM电机功率尺寸方程,利用二维有限元分析法,分析了空载永磁磁链、空载感应电动势、输出转矩、转矩脉动、齿槽转矩等静态特性,计算了UG-PMSM电感特性,在此基础上,研究了UG-PMSM过载能力与弱磁扩速范围.仿真分析结果验证了UG-PMSM高功率密度、高转矩密度、低转矩脉动等优点,适合应用于电动汽车驱动系统中.     

新型磁通切换型双凸极永磁电机的静态特性研究

介绍了1种新型磁通切换型双凸极永磁电机,以1台三相12／10极样机为例分析其结构特点和运行原理,并基于有限元法,详细研究其静态特性。具体包括对空载和单相绕组通电的磁场和气隙磁密分布做了较为深入的分析,在此基础上研究绕组永磁磁链、反电动势、定位力矩、绕组电感以及静态转矩等,分析永磁磁场和电枢磁场之间的相互耦合作用对电感特性的影响。结果表明:该种电机的特点在于其双极性的每相永磁磁链显著增加了电机的转矩密度;由于其磁链和反电动势波形从本质上都是正弦分布,使得该种电机特别适合于无刷交流运行的应用场合。所得结果为该种电机的设计、性能分析以及运行控制等建立了基础。     

端部效应对新型定子永磁型双凸极电机反电势的影响研究

研究了端部效应对两种新型定子永磁型双凸极电机(分别是磁通切换永磁电机和双凸极永磁电机)反电势波形的影响。这两种电机都为双凸极结构，并将磁钢嵌在定子上，采用集中绕组以减小端部长度。首先介绍了电机的基本结构和运行原理，在此基础上分析了基于传统二维有限元的电磁性能，并与采用一步三维有限元计算的结果做比较，发现了端部效应的存在和对电机性能尤其是反电势的影响。提出了一种简单快速的方法来量化端部效应，即通过定义一个端部漏磁系数修正二维计算结果以接近电机的实测结果。该方法取代了过去繁琐耗时的纯三维计算，具有相当高的精度且容易实现。样机的实验结果证明了其正行性，为研究永磁电机中存在的端部效应提供了一种切实可行的方法。     

Performance Assessment of High-speed Flux-switching Permanent Magnet Machine Using Ferrite and Rare Earth Permanent Magnet Materials

This article presents the investigation and comparison of the capabilities and characteristics of high-speed flux-switching permanent magnet machines using ferrite and rare earth permanent magnet materials. Special design considerations for ferrite flux-switching permanent magnet machines under high-speed operation are proposed. Two ferrite and one NdFeB flux-switching permanent magnet machines, rated at 10 kW and 15 krpm, were designed for performance assessment. Various machine performances, including torque characteristics and loss distribution, are compared. In addition, the risk of partial demagnetization and the performance degradation due to partial demagnetization are also investigated. This research reveals several promising characteristics of the ferrite flux-switching permanent magnet machine, such as lower total loss, negligible magnet eddy current loss, and better cooling potential. The results also show the possibility of designing a high torque density ferrite flux-switching permanent magnet machine, which is comparable to the NdFeB flux-switching permanent magnet machine, taking advantage of the flux concentrating effect.     

多相永磁电机的数学模型及其调速系统的研究

本文考虑到了永磁电机磁路较为饱和及永磁体工作点变化等特点,将交流电机的多回路理论与电磁场的有限元方法结合起来建立了多相永磁电机的多回路一有限元数学模型,并设计了九相永磁同步电动机的调速系统,经过仿真分析和实验验证表明,所建的多相永磁电机的多回路-有限元数学模型是正确的,设计的电机调速系统是有效的。     

内置式永磁电机齿槽转矩的分析研究

内置式永磁电机因其高转矩及能量密度,在许多高性能装置中得到广泛应用.但永磁电机结构的特殊性,转子永磁体和定子齿槽之间相互作用产生的齿槽转矩会引起振动和噪声,同时齿槽转矩会降低速度和位置控制系统的低速时的性能.研究了一种内置式结构永磁电机的齿槽转矩,其转子磁极永磁体分段.根据分析可知,在相同的等级及尺寸条件下,永磁体分段的内置式永磁电机(SIPMM)比传统非分段内置式永磁电机(IPMM)的齿槽转矩低得多,然后利用有限元软件Maxwell 2D计算分析比较了SIPMM与IPMM的齿槽转矩.此外,还分析了两种不同转子结构的内置式永磁电机的齿槽转矩情况.     

考虑定位力矩补偿的磁通切换永磁电机模型预测转矩控制方法

为了减小定位力矩对磁通切换永磁(FSPM)电机性能的影响,提出了一种考虑定位力矩补偿功能的模型预测转矩控制(MPTC)方法。通过有限元分析获得FSPM电机定位力矩主要谐波的数学表达式,根据补偿控制理论,构建能够抵消定位力矩的补偿转矩模型。基于MPTC原理,利用补偿转矩模型、预测转矩模型和预测磁链模型共同设计价值函数,以获得最优开关状态。所提控制方法不但能实现定位力矩补偿和转矩脉动抑制,还具有较好的动态性能,并且适用于一般的永磁同步电机。仿真和实验结果验证了所提控制方法的有效性。     

磁通切换永磁电机的空间矢量脉宽调制控制

针对磁通切换永磁电机采用电流滞环控制方法精确度不高的问题,提出采用空间矢量脉宽调制算法对磁通切换永磁电机进行控制的方法.以一台12/10极磁通切换型永磁电机作为控制对象,建立此控制方法下的电机仿真模型,并采用dSPACE平台进行实验研究.通过改变电机负载来测试此控制方法的动态调速性能及转矩响应速度.静态和动态仿真以及实验结果表明,采用空间矢量脉宽调制算法控制后,电机转速及转矩平稳,电流波形正弦度高,而在负载发生突变时转速经过一个小波动后能迅速恢复为给定值,电流也能迅速地响应变化,并保持较高的正弦度.     

电动车辆驱动电机的尺寸优化和功率密度比较

高功率密度电动车辆驱动电机的发展促进了评估与优化带有不同电流与反电势波形的各种结构类型电机的功率水平的方法的研究。本文以一般化尺寸方程和功率密度方程为研究基础,探讨了盘式轴向磁场永磁电机和Ｗｅｈ氏横向磁场永磁电机的尺寸优化,进行了盘式轴向磁场永磁电机、Ｗｅｈ氏横向磁场永磁电机和传统的鼠笼式异步电机的功率密度的比较。