改进型Halbach阵列的永磁同步电机分析与设计

针对Halbach永磁阵列具有单边聚磁,提高气隙磁场磁通密度基波幅值和改善磁通密度波形的正弦性的优异特性,研究了一种改进型的Halbach永磁阵列。该阵列结构简单、充磁方便、易于优化,进一步改善了气隙磁通密度的正弦度,提高了磁通密度的基波幅值和反电动势基波幅值、永磁电机效率,降低了转矩脉动。运用标量磁位法对改进型Halbach永磁阵列在电机气隙中产生的磁场进行解析分析,得到了气隙磁通密度和空载反电动势的表达式,并利用Maxwell应力张量法解析电磁转矩;通过设计一台8 kW的电机模型,运用磁场有限元仿真验算该方法的准确性和有效性。     

Halbach型磁钢的永磁电机气隙磁场解析计算

随着稀土材料价格上涨、永磁电机成本增加,合理的设计Halbach磁体结构,可充分挖掘Halbach永磁电机磁钢的潜力.分析了每极三块的Halbach磁体磁化规律,建立了Halbach型永磁电机气隙磁通密度的解析模型,该解析法计算的气隙磁场与有限元方法计算结果吻合,验证了解析模型的正确性;研究了充磁角度对气隙磁通密度的影响,结合充磁角度传统计算公式,给出了极间有间隔的Halbach磁体充磁角度的计算公式;通过解析模型分析极弧系数和极对数对Halbach永磁电机气隙磁通密度切向分量的基波幅值和波形正弦性畸变率的影响,给出不同极弧系数、充磁方式和极对数时Halbach永磁电机气隙磁场的变化规律.     

新型Halbach阵列盘式永磁电机的磁场解析

基于印制电路板(PCB)技术的盘式永磁电机(AFPMM)提出一种新型Halbach阵列的转子结构,该阵列结构简单、易于优化。运用矢量磁位法对新型转子产生的空载气隙磁密进行解析推导,获得关于气隙磁场的数学模型。基于该模型,保持永磁体总用量不变,以永磁体极弧系数比和径向长度比作为优化变量,气隙磁密基波幅值和谐波畸变率作为优化目标,确立最优转子结构参数。三维有限元仿真结果表明,解析法所得的气隙磁密波形与有限元法基本一致,验证了所提出解析模型的合理性。与传统Halbach阵列相比,新型Halbach阵列气隙磁密基波幅值提升了10.3%,同时谐波畸变率由19.8%降至4.8%,优化效果明显,可以有效降低高频工况下电机的涡流损耗、提升电机效率。最后制造一台样机进行相关实验测试,验证了解析和仿真分析的正确性,对PCB定子AFPMM的设计具有一定参考价值。     

面包型偏心磁极永磁电机磁极优化设计

对于永磁同步电动机而言,正弦的气隙磁场,意味着更低的径向电磁力谐波和更低的转矩脉动。文章结合表贴式永磁电机径向气隙磁通密度函数和面包型永磁磁极结构特点,考虑定子开槽对电机有效气隙长度及永磁体相对磁导率对气隙磁场的影响,得到可以寻找平行充磁表贴式面包型偏心磁极最优偏心距和极弧系数的气隙磁场优化解析模型,并利用有限元软件验证了解析模型的准确性和有效性。这种解析模型,计算较子域法简单,也不需要对永磁体分段,来考虑永磁体上表面的偏心对气隙磁场的影响,但同时精度较高,对于面包型表贴式永磁电机的优化设计较大的指导意义。     

极间隔断Halbach型磁钢的永磁同步电机气隙磁场解析计算及参数分析

提出将分块式Halbach型磁钢的单片磁钢角度与充磁夹角作为分析参数,获得基于这两个参数的永磁同步电机的气隙磁场解析模型;系统分析了磁钢厚度、单片磁钢角度与充磁夹角对气隙磁通密度的影响;提出一种性能优于传统Halbach型磁钢的极间隔断Halbach型磁钢新方案,以获得径向气隙磁通密度更高的基波幅值与更低的波形正弦性畸变率为目标,分析获得不同极对数下该类磁钢的优化设计方案。通过有限元分析验证了解析模型的正确性,并验证了合理设计的极间隔断Halbach型磁钢的优越性。     

Halbach阵列永磁型无轴承电机特性研究

在分析永磁型无轴承电机径向悬浮力产生机理及转子永磁体Halbach阵列基础上,设计了一种Halbach阵列永磁型无轴承电机,采用耦合电路瞬态有限元分析方法对径向磁化永磁转子和Halbach阵列永磁转子的气隙磁密波形及高次谐波、径向悬浮力、反电动势及转矩进行比较分析。研究结果表明:永磁型无轴承电机转子永磁体采用Halbach阵列结构能显著提高气隙磁密幅值及其正弦特性,增大径向悬浮力与转矩,减小悬浮力、转矩及反电动势的脉动。     

组合磁化无槽永磁电机磁场分析与优化研究

永磁电机气隙磁场分布与采用的磁化方式密切相关,设计永磁的磁化类型是电机磁场分析的重要环节。在传统永磁电机采用常规单一充磁类型的基础上,提出由不同磁化方式组合后形成一种崭新的混合磁化方式。首先,采用二维解析法,通过求解拉普拉斯方程和准泊松方程,并依据磁场的边界条件,获得无槽永磁电机的空载气隙磁密精确解析式。然后,利用解析法快速计算的特点,在保证永磁体每极磁化区域单位体积平均剩磁相同的前提下,分析两种组合磁化方式的气隙磁场分布。接着,对永磁厚度进行优化分析。通过计算得出,组合磁化方式可增加气隙磁密径向分量基波幅值,降低气隙磁密中谐波成分,同时能够减小永磁体积,降低电机制造成本。最后,二维有限元法与二维解析法计算结果的一致性,验证了组合磁化解析模型的准确性。     

不均匀halbach永磁电机气隙磁场解析法研究

提出了忽略定子开槽的不均匀每极三块halbach永磁电机模型,以主极占比例和极数为分析参数,推导了halbach永磁电机径向气隙磁场分布解析解,并用有限元软件进行了验证。应用气隙径向磁场分布解析式,得到了气隙径向磁场畸变率和基波幅值与极数、主极占比例的三维关系图,研究了不均匀程度对每极三块halbach永磁电机气隙磁场的影响。     

新型双层Halbach永磁阵列的解析分析

提出了一种新型双层Halbach永磁阵列,该阵列结构简单、易于优化,可以得到很高的气隙磁通密度正弦度。设计了一台高速无槽永磁同步电机,运用标量磁位法对双层Halbach永磁阵列在电机气隙中产生的磁场进行了解析分析,得到了气隙磁通密度的数学表达式,并进一步得到了电机空载反电动势。分析表明,优化后的气隙磁通密度的谐波畸变率仅为0.5%,反电动势中的谐波含量也非常小。制造了一台样机并进行了实验研究,通过解析、仿真与实验结果的对比,验证了解析方法的正确性。     

极间隔断Halbach型磁钢的永磁同步电机多目标优化设计

以降低加工难度与优化气隙磁通密度为目标,设计了表贴式极间隔断Halbach型磁钢的永磁同步电机,系统分析了极间隔断Halbach型磁钢参数对气隙磁通密度波形的影响.针对该类磁钢的参数,即磁钢极角和充磁夹角对基波幅值和正弦性畸变率都有影响的特点,提出了对磁钢参数进行多目标优化的方法,设计了以获得基波幅值极大值与正弦性畸变率极小值为多目标的混合全局优化算法,在此基础上,提出了最佳极间隔断Halbach型磁钢参数的选择方法.仿真与实验验证了优化结果选择方法的正确性,进一步验证了极间隔断Halbach型磁钢性能的优越性.     

永磁同步电动机磁钢的多目标微粒群算法优化

系统分析了表贴式永磁同步电动机磁钢结构参数对气隙磁密波形的影响.针对PMSM气隙磁密波形需综合具有足够大的基波幅值与足够小的正弦性畸变率的要求,利用表面相应模型对样本点需求量少的特点,建立了表面响应模型与多目标微粒群算法混合的全局优化算法,以获得极大的气隙磁密基波幅值与极小的气隙磁密波形正弦性畸变率,对磁钢结构参数进行多目标优化.仿真与实验对比优化前后电机的气隙磁密波形和反电势波形的结果,验证了优化结果的正确性,并验证了该多目标优化算法在磁钢结构参数优化中应用的可行性.     

基于Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电机磁钢优化

对基于90°Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电机的磁钢进行形状优化,以改善电机的气隙磁密波形。分析了电机的结构和空载电磁场,在此基础上采用改变永磁体边缘形状方法将90°Halbach型永磁体阵列优化为内圆型、外圆型和削角型3种,并利用有限元法分析不同永磁体形状对气隙磁密波形的正弦性和基波幅值的影响。分析表明优化后的90°Halbach型盘式无铁心永磁同步电机能够获得和45°Halbach型电机基本相同的气隙磁密,并且在永磁体充磁、加工和安装定位等方面要优于45°Halbach型电机。3种永磁体形状优化中内圆型永磁体的优化效果最佳。     

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。     

基于MVO的表贴式Halbach永磁同步电机优化设计

本文提出了一种采用Halbach充磁的新型不均匀表贴式转子结构的永磁同步电动机。在转子永磁体材料用量相同的前提下,该电机所采用的不均匀不等厚永磁体结构能够有效地改善气隙磁密波形,从而提高电机性能。为了得到转子永磁体形状的设计参数,建立了该电机的数学模型,以气隙磁密基波含量、谐波畸变率和永磁体用量为目标函数来进行电机的优化设计。为了寻找目标函数的最值,首次采用Multi-Verse Optimizer(MVO)优化算法进行寻优,提高了寻优速度和准确性。非均匀Halbach阵列结构电机与传统均匀分布Halbach充磁电机进行了仿真性能对比,结果表明,非均匀Halbach阵列结构电机可以进一步改善气隙磁密波形,提高电机性能。     

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。     

Halbach阵列及其在永磁电机设计中的应用

介绍了永磁体的一种新型径向和切向混合排列方式（ Ｈａｌｂａｃｈ 阵列）,在永磁电机设计中可用以增加气隙磁通和削弱转子轭部磁通,提高电机力能密度和减小电机体积     

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。     

多极永磁无刷直流电动机瓦形磁钢气隙磁通密度的解析计算

利用永磁体的等效面电流法,求得多极平行充磁内外圆弧不同圆心不同半径瓦形永磁体在电机定子内表面产生的径向磁通密度的解析计算公式。通过对一台多相无刷直流电动机的解析计算结果与反电动势的实测值比较,验证了电磁场解析计算公式的有效性和正确性。推导给出的内外圆弧不同半径、不同圆心平行充磁瓦形磁钢产生气隙磁场的解析计算公式,解决了平行充磁瓦形磁钢难以获取平顶反电势波形的问题,提高了解析法计算永磁电机气隙磁场和参数的精度,为多极式无刷直流电动机优化设计及性能分析奠定了理论基础。     

宽调速可控磁通永磁同步电机磁路设计和有限元分析

提出了一种内置混合式转子可控磁通永磁同步电机,是真正意义上的宽调速电机.其径向永磁体采用剩磁密度和矫顽力都很高的钕铁硼,而切向永磁体采用剩磁密度高但矫顽力却很低的铝镍钴.通过定子直轴电流矢量脉冲控制铝镍钴的磁化方向和强弱,使钕铁硼产生的磁通部分穿过气隙,部分被铝镍钴在转子内部旁路,使永磁气隙主磁通受控.给出了永磁体尺寸和磁路结构尺寸的选取原则,特别是将交轴磁路磁阻设计的较大,交轴电感较小时,弱磁效果会更好,还能减少电枢反应对永磁气隙主磁通的影响.对两种极端磁化状况下模型电机内部磁场的分布进行了有限元分析,说明所提出的设想是可行的.     

双层Halbach永磁电机解析建模与优化

提出双层Halbach永磁电机的二维解析模型,模型中转子永磁包括内外两层,每层每极均由两块永磁构成,且每层中间磁块均为径向磁化。通过分区域求解标量磁位的微分方程,解析得到双层Halbach无槽电机的气隙磁场。利用卡特系数考虑齿槽作用,解析获得双层Halbach有槽电机的气隙磁场。接着,为优化气隙磁场波形,分别解析获得外层径向磁化磁块的最优极弧比和内层径向磁化磁块的最优极弧比,从而获得双层Halbach电机气隙磁场的优化解。计算结果表明,双层Halbach电机不仅气隙磁场和反电势的波形正弦度都优于单层Halbach电机,而且电磁转矩的波动更小,因此具有更好的电磁性能。二维有限元法与二维解析法计算结果一致性较好,验证了二维解析模型的正确性。