Electromechanical energy conversion in a system with a bulk high-temperature superconductor. Part 2. Device operation analysis

The operation of a linear electromechanical vibration device with a part made of a high-temperature superconducting (HTS) material is analyzed. Converter models considered in the first part of this paper [1] are used in the calculations. The parameters of the model of HTS material properties are determined by comparison of the data obtained by calculations and by experimental investigations of force interactions in the laboratory device model. Functions of flux linkage and current force in the coil and permanent magnet movements are calculated for a macroscopic model based on analysis of the electromagnetic field. The calculation results of the operation parameters of the electromechanical converter are shown in the form of amplitude-frequency characteristics of the current in the coil, the permanent magnet movement amplitude, and electrical and mechanical power. Dependences of powers, efficiency, and current phase on the active mechanical load on the resonant frequency are determined. The obtained characteristics are compared with simulation data of a similar converter without the HTS element. It is concluded that the HTS elements significantly change the parameters of the conversion of electrical energy into mechanical energy. It is shown that the electromechanical converters with bulk HTS elements can be more efficient than converters of traditional design.     

径向高温超导磁悬浮轴承的端部效应分析

针对径向高温超导磁悬浮轴承轴向尺寸有限引起的端部效应会影响其轴向悬浮特性,提出一种基于H公式的二维有限元建模方法,对径向高温超导磁悬浮轴承的端部效应进行分析。首先,通过实验测试验证提出的有限元建模方法;然后,分别建立具有不同尺寸定、转子的径向高温超导磁悬浮轴承有限元模型;最后,得到不同尺寸的超导定子与不同极数的永磁转子下轴向悬浮力与位移的关系。结果表明,由于端部效应,随着超导定子分块数量的增加,轴向悬浮特性不断恶化;随着永磁转子极数的增加,轴向悬浮力最大值先提高后降低,最终趋于永磁转子无限长时的轴向悬浮力最大值。     

Construction of combined models of the properties of bulk high-temperature superconducting materials

The article contains the results of research that was aimed at improving the models of properties of bulk high-temperature superconducting (HTS) materials, which are necessary for numerical analysis of electromagnetic fields in electrical devices containing elements of high-temperature superconductors. Approximating combined models for a set of transport and bound currents are considered, which are determined, respectively, by the resistive model for currents and the nonlinear hysteresis model for the magnetization. The model of transport currents is based on the known types of the critical-state model. The material-magnetization model is composed for a set of magnetic moments of elementary superconducting cylinders with diameters that are much smaller than their length, which are oriented in the direction of the principal anisotropy axis of the material. The approximation to the actual conditions is realized by the statistical characteristics that specify the possible changes in the critical current density, the critical field strength, and the spatial orientation of the basic axes of the elementary cylinders. The results of studies of a laboratory model, which consists of a cylindrical HTS element and an annular permanent magnet, are presented and compared with the results of electromagnetic-field calculations according to the proposed models of properties.     

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。     

高频动圈式电-机转换器的优化设计

针对动圈式电-机转换器在性能上的不足,对推力线圈骨架的结构、永磁体的材料、永磁体的充磁技术和永磁体的结构等四个方面进行了优化,提出了一种高频动圈式电-机转换器。理论分析和仿真结果表明,所设计的动圈式电-机转换器具有高频和快速响应特性,能很好地满足高速电液比例阀系统的要求。     

一种永磁自锁型电磁气门驱动装置

在传统双弹簧、双电磁铁电磁气门驱动机构的基础上,提出了一种新型电磁驱动装置,它在气门开启或关闭保持阶段由永磁体产生的电磁力实现自锁功能而线圈不必通电;解锁后,它又是一台能够四象限工作的圆筒式永磁直流直线电动机,为动子运动时提供轴向电磁力,补充由摩擦等带来的动能损失,使得气门顺利落座。对该装置建立了动态有限元分析模型,分别讨论了弹簧、静铁心、永磁体等对电磁气门驱动装置的影响,对装置进行了优化设计。对该电磁驱动装置的空载反电动势、线圈电感、电磁力等重要参数进行了深入分析和计算,得到了有益的结论。     

强磁场永磁机构组装过程的动态有限元分析

提出一种外磁场按任意规律变化时,永磁材料特性的数值模拟方法。该方法将Preisach磁滞模型和有限元法相结合,完成对强磁场永磁机构装配过程的动态磁场分析。所提出的方法将永磁材料包括局部回线在内的磁滞特性包含到数学模型中,在合理的假设下,考虑了计及磁滞效应的"旋转磁化"。该方法只需要利用永磁材料的极限磁滞回线即可完成分析计算,避免了采用大量实验统计方法确定传统Preisach磁滞模型的分布函数。通过与传统简化计算方法(电流片等效法)和实验结果的比较,证明了所提方法的有效性。     

高温超导永磁体的疲劳效应

本文研究了热循环和反复励磁对高温超导永磁体钉扎能力的影响，从Ｂｅａｎ模型和电流二分量模型出发，计算出永磁体在励磁过程中和磁通钉扎状态下的电磁力分析，在些基础上分析了永磁体发生疲劳效应的原因，并初步讨论了永磁体强化的可能途径。     

考虑磁场饱和的双定子永磁同步发电机的磁路模型

双定子永磁同步发电机(DS-PMSG)包括内外两个定子和中间的转子,一般的电磁场计算软件计算比较困难。建立DS-PMSG的磁路计算模型,利用铁磁材料的磁化特性曲线考虑磁场饱和,并同时考虑内、外两套绕组电枢反应对永磁磁场的影响,可对电机的性能参数进行计算,便于设计变量的及时快速调整。通过对1台3.3 kW样机的磁路计算和有限元计算的比较,证明了该模型的有效性和实用性。     

Halbach结构在永磁交流伺服电机中的应用

由正弦波电流驱动的永磁交流伺服电机,因其优良的性能被广泛应用于航空、航天、船舶和军工等领域。而独特的Halbach磁体阵列结构因其特有的充磁方式,具有磁场分布正弦性好、气隙磁密幅值高等优点。为进一步提升永磁交流伺服电机的性能,给出了两类Halbach磁体磁感应强度解析式,分析了Halbach结构在永磁交流伺服电机中的应用及该结构电磁特点,并通过有限元仿真对比研究了平行充磁Halbach结构、径向充磁Halbach结构、常规平行充磁结构与常规径向充磁结构电机的气隙磁场与输出转矩。最后通过搭建实验测试平台验证了仿真的准确性。     

考虑磁体动态特性的高温超导磁储能磁体设计

超导磁体是超导磁储能系统（SMES）的核心部件,其优化设计可以提高SMES的经济性和运行性能。提出了一种考虑磁体动态特性的高温超导磁储能磁体设计方法,该方法以有限元方法为基础,选取遗传算法作为优化工具,对高温超导磁体的内径、单饼匝数和双饼个数进行了优化。该方法将超导磁体的优化分为了两个部分,一次优化以磁体的用线量为优化目标,二次优化将交流损耗低为优化目标。最后用此方法对储能容量为150 kJ的高温超导磁储能磁体进行了优化设计,经过两次优化后的150 kJ磁体方案兼具低用线量和低交流损耗的优点。     

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。     

少稀土组合磁极Halbach永磁同步电机优化设计

针对稀土永磁同步电机(PMSM)对稀土永磁材料依赖性大的问题,提出一种少稀土组合磁极Halbach PMSM,永磁体采用Halbach充磁方式。阐述了该电机新型转子的磁钢结构,其中主磁极由双层永磁体组成,上层磁钢为钕铁硼永磁材料,下层磁钢为铁氧体永磁材料,辅磁极磁钢也为铁氧体永磁材料。以电磁转矩、转矩脉动和齿槽转矩为优化标准,对电机每极永磁体块数、充磁角度、永磁体材料和永磁体厚度等电机参数进行优化。采用定子斜槽结构降低齿槽转矩。优化后的少稀土组合磁极PMSM在保证转矩性能的情况下,减少了永磁体用量,降低了电机成本。最后通过有限元法分析该电机在空载和额定负载下的特性,验证了该电机设计的合理性。     

电主轴用电磁式主动平衡装置启动磁场仿真分析

为了有效抑制机床电主轴在加工过程中的实时质量不平衡,提出了一种含永磁体的电磁式在线主动平衡装置结构。在进行该平衡装置电磁设计时,启动磁场设计是否合理至关重要。根据平衡装置结构特点,采用二维简化模型,以磁场分布云图和磁通密度大小为主要指标,对磁源和气隙的影响规律进行了详细研究。根据有限元仿真分析结果,驱动电流、磁体和空气隙是启动磁场设计的敏感参数,特别是驱动电流、磁体长径比和磁体与磁性齿之间的空气隙对启动磁场的影响较大,在设计中需要根据有限元仿真的结果进行优化选择。     

永磁体参数对双定子球形电机磁场影响的研究

永磁球形电动机采用不同的永磁体结构参数,对电机的电磁场会产生一定的影响。论文提出一种新型双定子永磁球形电动机,建立不同的永磁体参数的电机模型,对比分析不同参数的永磁体结构对电机电磁场的影响。利用三维有限元法分别对电机内外磁场进行建模分析,得到了气隙磁通密度径向分量分布数据。同时,针对永磁体的结构参数进行了静磁场磁通密度和磁场分布计算,建立了球坐标系下永磁体磁场有限元求解模型,进行对比分析。理论分析和实验结果表明了所设计结构的有效性,文中对转子永磁体的磁通密度进行了测试,与仿真计算结果一致。     

Persistent Current Analysis of Superconducting Coils in an Electrodynamic Suspension System

In a superconductive electrodynamic suspension system, superconducting coils experience a space harmonic magnetic field generated by induced current in the levitation coils installed along the guideway. Current in a superconducting coil varies to keep the total magnetic flux constant when the coil is exposed in an external magnetic field. However, superconducting coil current was treated as constant in the conventional analysis because the electromagnetic forces can be estimated easily. The purpose of this paper is to determine the behavior of the persistent current in making reliable and tough superconducting magnets. A simple method to analyze fluctuating persistent current in a superconducting coil is proposed first. Calculated results for the normal running condition showed that the fluctuations of persistent current are less than 1 percent of the initially excited current for the sidewall levitation system, and less than 2 percent for the ground levitation coil system. Even when the null flux guidance cable is short-circuited, the fluctuation is less than 5 percent. Considering that the magnetic shield effects by the conductive cryostat vessels were neglected in this analysis, the fluctuating magnetic field by levitation coils will never affect the stability for a superconducting magnet.     

新型机械轴向变磁通永磁同步电机分析研究

为解决传统变磁通永磁电机在基速以上运行可靠性差和调磁困难的问题,提出一种附加机械调磁装置的新型轴向变磁通永磁同步电机。采用有限元法对电机运行于不同转速时的磁场分布进行分析,建立轴向变磁通永磁同步电机三维有限元仿真模型,获得了电机在不同转速下气隙磁密、绕组磁链及空载反电势、电感等电磁特性。分析结果表明:在基速以下时,机械调磁装置不动作,该电机能以大转矩运行;在基速以上时,机械装置相应动作,电机可在宽范围恒功率运行,调磁效果较好。通过制作样机和构建电机系统试验平台,验证了理论分析和设计的有效性。     

Halbach阵列永磁电机齿槽转矩分析与计算

为了削弱永磁电机齿槽转矩,提高电机气隙磁密,改善气隙磁场分布,采用分段式Halbach阵列磁体结构,使永磁体获得理想的单边磁场。利用Maxwell软件,建立电机二维有限元分析模型,计算空载时电机的磁力线分布,获得电机气隙磁密和齿槽转矩等电磁特性,并与传统径向充磁磁体电机进行对比分析。研究结果表明,该方法能有效削减齿槽转矩,提高磁密幅值,增强磁密正弦性。     

永磁接触器磁场有限元分析及控制单元设计

永磁接触器可以克服普通电磁式接触器存在的耗能、线圈易烧毁等缺点,该文研究了永磁接触器磁场分布特点,并开发了一套参数化的磁场有限元分析软件,可以计算所有动铁心位置的磁场和电磁力。论文基于磁场有限元分析设计了63A永磁式接触器,分析了铁心中的磁场,给出了永磁保持力的计算和测试结果,计算精度满足实际工程要求。此外,还设计了具有欠压和失压保护功能的分合闸控制单元,并采用MATLAB仿真计算了分合闸过程中的电容充放电过程,仿真结果与测量结果吻合很好。     

永磁体用于磁阻发射器弹丸材料的可行性分析

弹丸作为磁阻发射器的重要部分,其材料的特性对发射性能有重要影响。利用Ansoft有限元软件仿真了steel1010(10号钢)和Nd Fe B35、AlNiCo9磁体等三种材料作为圆柱形弹丸材料时单级电池型磁阻发射器的动态过程,分析了永磁体作为磁阻发射器弹丸材料的可行性。结果表明,永磁体可作为磁阻发射器弹丸的材料,相对于钢等软磁材料其优势在于初始加速时间短,但发射时需考虑弹丸的极性;选择永磁体作为磁阻发射器的弹丸时,应选剩磁较大的永磁体,其发射效果更好。