定子无铁心永磁电机技术研究现状与发展

由于定子全部或局部取消了具有磁饱和特性的导磁铁心介质,定子无铁心永磁电机具有效率高、过载能力强、无齿槽转矩、转子损耗低等优点,在飞轮储能、风力发电、航空航天伺服和全电推进系统等场合具有重要的应用前景。依据磁场形成原理对定子无铁心和无槽永磁电机进行了分类,包括径向磁场型、轴向磁场型、直线运动型等。阐述了不同结构拓扑下的定子无铁心电机的特征和关键技术,包括定子绕组的设计与冷却、气隙磁场正弦度的优化、小电感特性下的控制技术等。总结了国内外定子无铁心和无槽永磁电机研究进展及其应用情况。结合定子无铁心永磁电机的效率、转矩等特性,讨论了该类电机的研究方向和发展趋势。     

基于电流矢量的盘式无铁心永磁同步电机瞬时转矩控制

盘式无铁心永磁同步电机具有过载能力强、无齿槽转矩、反电动势正弦等优点,非常适合伺服应用场合。但由于电机定子绕组电感很小,导致在传统电压型逆变器控制下的电流波动较大,限制了此类电机的应用。基于以上问题,在前置电流型斩波电路的基础上,提出一种基于电流矢量的瞬时转矩反馈控制算法。探讨了电流矢量与电磁转矩之间的关系,对电机的瞬时转矩进行估计和反馈,根据转子位置来计算需要输出电流矢量的幅值及逆变桥的开关状态,通过调整母线电流来实现对电机转矩的实时控制。仿真和实验结果验证了所述控制方法的有效性,为盘式无铁心永磁同步电机控制系统的研究提供了理论基础。     

定子永磁式双转子电机电磁性能分析

为了提高双转子电机的转矩密度,实现其应用于混合动力汽车驱动系统的小型轻量化和平稳运行的需求,提出一种三相12/22/12极定子永磁式磁通切换双转子电机结构,其绕组和永磁体均位于外定子和内转子上,外转子上无绕组和永磁体,避免了外转子的冷却问题。对定子永磁式磁通切换双转子电机的拓扑结构及工作原理进行了介绍,采用有限元方法对电机磁场分布、气隙磁密、永磁磁链、空载反电动势、电感及转矩等电磁性能进行了分析。研究结果表明,提出的定子永磁式磁通切换双转子电机结构具有内外电机磁场耦合小、空载反电动势正弦性好、转矩密度大、转矩脉动小的特点,并通过原理样机实验结果验证了电机设计的有效性。     

提高单相自起动永磁同步电机起动性能研究

单相自起动永磁同步电机就是在感应电机的转子铁心内放置永磁体,依靠笼型转子绕组产生的异步转矩实现起动。由转子永磁体产生的磁场与定子绕组产生的旋转磁场相互作用产生恒定的转矩而稳定运行。自起动永磁同步电机的优点是效率高、功率因数高且经济运行范围宽,但是由于转子上存在永磁体产生的制动转矩和齿槽转矩,使得电机起动变得较为困难,影响电机可靠性。本文对单相自起动永磁同步电机起动过程转矩及其与电机参数之间的关系进行了详细的分析,并据此提出了优化电机参数来提高其起动性能的方法。最后通过有限元仿真和试验测试验证了方法的准确性。     

高过载永磁同步电机的电磁特性

定子铁心饱和、电枢反应限制了永磁同步电机(PMSM)输出转矩的进一步提高,在一些应用场合电机的转矩密度无法满足需求。研究了永磁同步电机的转矩特性,提高了恒转速下的转矩过载能力。首先从PMSM的输出功率入手,分析PMSM的极限输出功率与输入电流、直交轴电抗和空载反电动势的关系。接着通过改变PMSM定子和转子结构参数,分析了不同槽、极比对电机转矩过载的影响;磁钢厚度对气隙磁密以及直交轴电感的影响;定子裂比对电机电磁转矩的影响;不同齿宽对电机输出转矩的影响。由此得到高过载永磁电机的设计方法。最后进行有限元分析和电磁设计,并研制了一台10倍转矩过载的PMSM。搭建了测功机实验平台,对比测试了高过载电机以及常规设计PMSM的电阻、电感与转矩-电流特性曲线。实验分析结果与有限元计算结果基本一致,验证了理论分析的正确性。     

基于PCB绕组的盘式永磁同步电机温度场分析与冷却方式研究

盘式无铁心电机通常体积比较小,功率密度高。定子绕组采用印制电路板结构(printed circuit board,PCB)的盘式无铁心永磁同步电机,其温升直接影响着PCB基材和永磁体的性能。文中以基于PCB绕组的盘式无铁心永磁同步电机为研究对象,根据传热学原理,建立电机三维温度场计算的数学模型。采用有限元法对电机进行了温度场仿真分析,研究电机的发热以及电机各部件的温度情况。通过与实验数据对比,验证了所建模型的合理性和计算结果的准确性。最后通过增大电机机壳与PCB定子的接触面积研究电机温度的变化,优化了电机温升,为基于PCB绕组的盘式电机冷却方式的研究提供了一些参考依据。     

定子无铁心轴向磁通永磁同步电机研究进展综述

定子无铁心轴向磁通永磁同步电机(axialflux permanent magnet synchronous motor,AFPMSM)因其结构紧凑、功率密度和转矩密度大、无铁心损耗、效率高等特点受到越来越广泛的关注,在要求空间紧凑和高转矩密度的场合具有广阔的应用前景。介绍定子无铁心AFPMSM的典型拓扑结构,分析此类电机电磁性能的设计分析方法及一系列优化方法,讨论此类电机热学性能分析优化以及力学性能分析方面的研究,总结针对此类电机绕组电感很小的特性提出的控制策略以及弱磁扩速方面的研究,最后整理了此类电机目前的应用情况,并展望了定子无铁心AFPMSM研究领域今后的发展方向。     

新型外转子Halbach永磁阵列定子无铁心电机设计与分析

具有气隙磁密正弦、磁密高等优点的halbach阵列永磁外转子电机应用于飞轮储能系统的电动/发电机可以有效提升系统集成度,简化系统结构,提高系统功率密度。本文研究分析新型外转子halbach永磁阵列定子无铁心电机的转子结构和定子绕组设计方法;通过有限元方法分析了磁场分布和定子绕组损耗;研究定子绕组区域磁场分布变化特征,采用每匝绕组线圈内部导体换位技术有效抑制线圈导体内部之间的环流;最后,通过场路耦合方法分析定子绕组电流对转子永磁体涡流损耗影响。本文优化设计的200k W外转子halbach永磁阵列定子无铁心电机的机电能量转化效率高达99%以上。     

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。     

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。     

新型结构高速无槽永磁同步电机研究

针对高速无槽电机电感普遍较小的问题,提出了一种新型结构的高速无槽永磁同步电机。该电机的定子采用一种集成电感的新型无槽结构,由一种新型无槽定子铁心和背绕式绕组两部分组成,能够显著增加每相绕组的漏感;转子采用双层Halbach永磁阵列,可以得到很高的气隙磁密正弦度。首先重点介绍了集成电感的无槽电机定子的结构,分析了漏感增加的机理。通过解析法得到了附加漏感的计算方法,并分析了附加漏感与定子结构尺寸的关系。其次介绍了双层Halbach永磁阵列的结构和特点。通过仿真分析,将新型电机与普通无槽电机的特性进行了对比,验证了增加漏感的优势。最后,制造了一台新型高速无槽永磁同步电机的样机,通过实验证明了新型电机的有效性。     

无刷电励磁同步电机不同转子结构的对比分析

研究了一种特殊结构的无刷电励磁同步电机,该种电机由无刷双馈电机衍化而来,其取消了电刷和滑环,结构简单可靠,减少了维护费用。定子上同时嵌有不同极数的两套绕组,分别为三相电枢绕组和单相励磁绕组。详细介绍了该种电机的结构特点和运行机理,分别推导了磁障转子和混合转子无刷电励磁同步电机的等效电路和电磁转矩表达式。为分析这两种转子结构对电机性能的影响,对该种电机的运行特性进行了仿真研究,并研制了两台具有相同定子、不同转子结构的样机,测量了两台样机的定子绕组电感参数,对样机的不同运行方式进行了实验研究。仿真和实验结果表明:混合转子无刷电励磁同步电机的起动能力和带载能力较好;磁障转子无刷电励磁同步电机的损耗略小。     

低转动惯量无铁心双定子永磁电机研究

无铁心双定子永磁电机是一种性能优异的新型电机,双定子加杯形转子的结构使得其具有转动惯量低、转矩密度高、响应时间短等特性。本文参照单定子永磁电机计算并设计一台双定子电动机,利用有限元仿真软件对这两种电机进行了有限元建模与仿真。结果表明,与同规格单定子永磁电机进行对比,双定子电机动态响应快、内外气隙磁密分布合理、带负载能力强且效率高,具有很高的应用价值。     

短时高过载运行定子交流励磁隐极同步电机设计

短时过载倍数是衡量驱动电机性能的一个重要指标,制约了驱动电机乃至传动系统的轻量化设计。为了提高变频器供电同步电机的短时过载能力,提出一种由定子侧提供交流励磁的隐极同步电机的设计方法。该电机的工作磁场由定子绕组q轴电流建立,位于d轴的转子绕组电流则为转矩电流,而定子绕组中的d轴电流用以抵消转子转矩电流产生的电枢反应磁动势,从而维持气隙磁场基本恒定。分析表明,此类电机重载运行时漏磁路饱和上升为限制电磁转矩的主要矛盾,在电磁设计中必须予以重点考虑。通过对该类电机漏磁路饱和特点进行有限元分析,提出了电机结构尺寸的优化设计方法。最后,以用于高压断路器分合闸操动机构的驱动电机为例,设计了工程样机,并通过实验对其短时过载运行特性进行了验证。     

160ZYP01型线绕盘式永磁直流电动机

线绕盘式永磁直流电机,是从无槽永磁直流电机和杯形转子电机演变而来的。它继承了无槽永磁直流电机和杯形转子电机的性能优点,且满足了薄形安装结构的要求。盘式电机的特点是: 1.外形结构扁平,与同功率、同转速的普通直流电动机相比,轴向尺寸缩短2/3,体积减小1/3,重量减轻2/5以上。2.磁场部分采用高性能永久磁钢,转子为无铁心结构,电枢用耐热性、耐潮性极好的环氧树脂经特殊工艺浇注而成,或用耐高温塑料注塑而成。3.电机输出功率大,效率高,转矩大,过载     

基于DSP的盘式无铁心永磁同步电动机调速系统

高磁能积永磁体的出现使盘式永磁电机的定、转子可以设计成无铁心结构,减少了在同等输出功率和轴转矩条件下电机的重量,避免了铁心损耗且减少了转矩脉动。结合这些特性,设计了基于DSP的盘式无铁心永磁电机调速驱动系统。该系统以TMS320LF2407为控制核心,EXB841作为功率驱动单元,整个系统结构紧凑,集成度好。采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法,有效抑制了电流谐波分量和转矩脉动。实验表明,系统稳态转速平稳且无静差;超调量小;能够获得最大启动转矩,响应快,转速上升时间仅为30ms,具有令人满意的调速性能。     

考虑极限热负荷下高过载永磁同步电机的研究

永磁同步电机具有功率密度高、功率因数高的优势,在各种场合得到广泛应用。当永磁电机处于转矩高过载状态时,由于定子绕组电密很高,短时间内发热严重,影响电机输出功率的进一步提高。该文从理论上分析了结构参数、绕组直流电阻对永磁电机的极限输入电流影响,研究了铜损耗系数及电机工作时长对电机过载能力的影响规律,以及热负荷对高过载永磁电机电磁参数选取的影响规律。通过有限元分析了高过载永磁电机的电磁参数和定子绕组温升,定量计算出考虑极限热负荷时永磁电机的过载能力,得到一种高过载永磁电机的设计方法,最后通过样机实验验证了理论计算的正确性。     

无轴承永磁同步电机直接转矩控制新型建模方法

无轴承永磁同步电机采用直接转矩控制策略时,针对电机实际运行过程中由于转矩绕组发热等原因造成其电阻阻值Rs发生变化,转矩绕组磁链位置角θse计算存在偏差,转矩绕组磁场无法实现精确定位等局限性。本文建立了基于转子磁场定向的无轴承永磁同步电机直接转矩控制的数学模型,该数学模型在转子磁场能够精确定位的基础上加上转矩角δ,即能够实现对转矩绕组磁场的精确定位,避免了由于电机自身参数变化造成的计算误差,为进一步提高电机的控制精度提供了理论基础。仿真结果表明本文提出的数学模型具有较高的准确性和一定的可行性。     

内置式永磁同步电机不同转子拓扑结构的电磁性能及电磁振动噪声分析

为了研究转子拓扑结构对内置式永磁同步电机(IPMSM)电磁性能以及电磁振动噪声的影响，以8极48槽永磁同步电机为例，根据设计指标，分别建立单层和双层永磁体两种内置式转子的永磁同步电机有限元模型，两个模型在定子、绕组、永磁体用量及轴向长度上完全一致。首先，从磁路结构的角度分析交直轴电感的区别，并分别对电机的交直轴电感参数、转矩波动、空载反电势及其谐波含量和输出外特性进行有限元分析比较。其次，根据麦克斯韦张量法推导出径向电磁力密度的解析表达式，并分别将两台电机的气隙磁密和径向电磁力密度及经过傅里叶分解后的谐波含量进行分析比较。最后，建立电机的三维有限元模型，计算定子铁心和定子组件径向模态的振型及固有频率，并对两台电机的电磁振动噪声特性进行仿真分析比较。结果表明，对于内置式永磁同步电机，在永磁体用量相同的情况下，双层永磁体比单层永磁体的转子结构具有更加良好的电磁特性及电磁振动噪声表现。     

外转子无铁心无轴承永磁同步电机参数优化设计

为解决飞轮储能用电机齿槽转矩大,高速运行时铁心损耗高的问题,提出一种外转子无铁心无轴承永磁同步电机.首先阐述了外转子无铁心无轴承永磁同步电机的基本结构和工作原理,然后给出了电机的基本设计参数,接着采用Taguchi法以平均转矩、平均悬浮力、转矩脉动和悬浮力脉动为评价标准优化了极弧系数、永磁体厚度、气隙长度和转子厚度,接...