基于耦合场的永磁电机损耗及温升分析

高密度永磁同步电机因其损耗及转子散热条件恶劣,会造成内部永磁体由于高温而产生高温退磁风险。本文利用电磁场与热场进行双向耦合仿真,分析永磁同步电机温升。在电磁仿真中进行永磁电机损耗计算,考虑定子电流谐波对电机损耗所产生的影响,以及考虑温度对电机材料属性的影响。将损耗输入温升计算模型,并不断进行电磁仿真的材料温度特性更新及损耗更新,从而得到更为准确的电机温升分布。并研究了利用流体流场因素对电机关键部位温升所产生的影响。通过样机进行温升实验,验证了仿真模型的准确性,为永磁同步电机的温升计算提供了依据。     

内置式永磁电机磁极优化及磁热耦合仿真

针对分数槽集中绕组永磁同步电机的损耗高、效率低等问题,提出通过对内置式永磁电机转子磁路结构进行优化的方式来提高电机效率,并利用有限元方法进行计算、建模仿真和验证。利用有限元分析方法,分别针对一字型、弓型、阶梯型、线性型等转子磁路结构电机进行空载、负载的电磁计算与分析,计算结果表明,在电机功率、尺寸、转速相同,永磁体用量和位置相同的情况下,磁极优化后电机的反电动势波形更好、损耗更低、效率更高。为了进一步验证电磁场分析结果的正确性,将电磁计算结果以热载荷的形式加载到电机有限元温度场仿真的模型中,通过有限元电磁场与温度场耦合仿真,进一步证明磁极优化后电机的效率显著提高,温升明显下降,电机磁极优化可以大大提高电机的效率。     

电动汽车用V型磁钢转子永磁电机的电磁振动噪声削弱方法研究

电动汽车用永磁同步电机的电磁振动噪声水平直接影响着电动汽车的NVH性能。基于理论分析与Ansys多物理场有限元分析平台,研究一台电动汽车驱动用永磁同步电机的电磁噪声特性,并进行优化分析。电机的电磁噪声主要来源于电机定子齿部的电磁激振力,不同转子结构会对磁场产生不同的影响,通过优化转子隔磁桥结构进而改变电机定子齿部的电磁激振力,降低电机的振动噪声。分别建立优化前后电机的电磁场有限元模型,仿真得出作用于电机定子齿部的电磁激振力;建立优化前后电机结构3D有限元模型,计算电机结构的径向模态频率;通过对电机定子结构的振动响应进行有限元仿真,得到电机定子结构的振动响应频谱。最后,通过ANSYS Acoustics有限元仿真分析得到电机电磁噪声特性。通过对比优化前后的结果可知,优化后的电机在保证电磁性能的前提下有效降低了电机的振动噪声,并通过实验验证了仿真结果的有效性。     

电流谐波对不同绕组形式永磁同步电机损耗研究

由PWM逆变器供电的永磁同步电动机定子电流中含有大量时间谐波,这些谐波作用于电机铁心和永磁体上产生损耗,不同绕组形式永磁同步电机受电流时间谐波的影响也不相同。建立集中绕组永磁同步电机和分布绕组永磁同步电机的有限元模型,将实测得到的PWM逆变器供电下电机的定子电流进行分解,得到各次电流谐波,并将电流谐波分别代入集中绕组电机和分布绕组电机进行仿真,研究谐波损耗对电机效率的影响,通过实验对比两种电机在电流谐波影响下的效率。     

基于铁耗占比的混合励磁电机速度分区损耗最小控制策略

为了进一步提高混合励磁同步电机运行效率,该文提出一种基于铁耗占比的速度分区损耗最小控制新方法,通过电枢和励磁电流的协调控制实现电机损耗最小运行。首先运用有限元仿真计算铁耗与电枢电流、励磁电流和转速之间的响应关系,其次采用逐步回归法得到铁耗的三元三次多项式回归模型。在此基础上,引入铁耗占比概念,提出一种新的速度分区方案。接着基于自抗扰控制思想对转矩进行观测,通过转速估算所需电磁转矩,为电流分配提供更加合理的依据。最后对电机不同工况下损耗最小优化模型分析并进行仿真和实验验证。结果表明,与传统混合励磁电机控制方法相比,所设计的基于速度分区的损耗最小控制新方法能够有效地降低电机损耗。     

航空电驱动系统效率优化控制研究

针对有限能量供电的一类航空电驱动系统,研究电机的最小损耗电流控制。根据此类电驱动系统运行速度高的特点,提出一种考虑电机铁损的永磁同步电机(PMSM)Γ型近似等效电路,结合电机状态方程,推导出满足电磁损耗最小的励磁电流表达式,并对PMSM铁损及铜损之间的关系及最小损耗电流控制中的基本电磁约束关系进行分析。针对恶劣环境下,电机参数变化范围大的特点,分析电机等效铁损电阻的变化及对效率优化控制的影响。最后,进行Matlab仿真及dSPACE半物理实验验证。结果表明,在整个运行区间内,与传统的直轴电流等于零控制相比较,最小损耗电流控制能够降低电机电磁损耗,提高电机运行效率。     

基于 场路耦合的调速永磁同步电机损耗及温度场分析

基于ANSYS/Maxwell、Simplorer和MATLAB/Simulink仿真平台搭建了调速内嵌式永磁同步电机（IPMSM）场路联合仿真模型,进行了最大转矩/电流（MTPA）和弱磁调速控制策略下电机场路耦合仿真,得到了不同控制策略及不同负载状况下电机动态特性;采用三项铁耗分离模型,计算了不同工况下考虑谐波时的定子铁耗、转子铁耗、永磁体涡流损耗;搭建样机三维温度场有限元模型,通过有限元电磁场与温度场双向耦合仿真,分析了电机在不同工况下的温度场分布;实验结果验证了损耗及温度场分析结果的正确性。     

车用永磁同步电机的电磁噪声特性

电动汽车牵引用永磁同步电机要求具有低速大转矩和高速恒功率的运行能力,低速大转矩运行工作点的大电流和高速弱磁导致的磁场畸变可能会导致作用于电机结构的电磁力幅值增大,容易引发较大的电磁振动噪声,从而影响电动汽车的NVH性能。本文基于Ansys多物理场有限元分析平台,研究一台20k W车用永磁同步电机的电磁噪声特性。分别建立电机的电磁场有限元模型和定子结构的3D模态有限元模型,通过仿真得出作用于电机定子齿部的电磁激振力和电机结构的低阶径向模态频率;从电磁力和电机结构两方面分析可能引发较大电磁噪声的主要来源。通过对电机定子结构的振动响应有限元仿真,得到电机定子结构的振动响应频谱;最后通过声场的有限元仿真分析车用永磁同步电机的电磁噪声特性。     

变速抽水蓄能电机在发电工况不同转速下磁场和损耗研究

本文对变速抽水蓄能发电电动机的电压方程、磁链方程、电磁转矩方程和运动方程进行了推导，并建立了10MW变速抽水蓄能发电电动机二维电磁场的数学方程和物理模型，对变速抽水蓄能发电电动机的电磁场数学方程进行了计算，得到了变速抽水蓄能电机在发电机工况下超同步速时定子电压和定子电流的波形，分析了变速抽水蓄能电机在发电机工况下不同转速时磁密的分布规律，研究了不同转速下定子铁芯损耗和转子铁芯损耗占总铁芯损耗比例的变化规律。搭建了10MW变速抽水蓄能发电电动机样机试验测试平台，通过试验测试得到的结果与计算结果较为接近。     

电动汽车用宽调速范围轮毂电机的设计与仿真

针对某新型电动汽车用轮毂电机性能要求一种宽范围的调速特性,比较分析异步电机、开关磁阻电机、永磁同步电机和一种使用U型电磁铁的模块化横向磁场电机的调速方法与机械特性,分别进行电机模型设计。采用有限元仿真软件Ansoft对4种电机模型的机械特性、电磁损耗、效率和电磁重量等特性进行仿真,比较分析仿真结果进而提出最优电机设计模型。研究表明,相对于传统电机,基于U型电磁铁的模块化横向磁场电机的机械特性与设计要求配合最好;电磁重量最轻、功率密度最高;在500~6 000 r/min转速范围内,可实现85%~90%的稳定效率;模块化结构使设计方案更为简单,理论上具有较好的容错特性,是一种适用于电动汽车的新型轮毂电机。     

一种内置式永磁同步电机设计与性能评估

根据电动汽车在额定工况下的牵引力要求,针对中型商用电动汽车设计了60kW内置式永磁同步电机。首先,根据永磁同步电机理论计算关键尺寸。其次,利用有限元方法FEM)仿真模型分析了永磁体尺寸、偏斜对电机电磁转矩的影响,并计算了电机在不同工作条件下的温度分布、损耗以及工作效率。最后,制造了试验样机并搭建实验平台,在不同工作模式下验证样机性能并与FEM仿真结果进行对比,验证了有限元设计的可行性和准确性,为电动汽车用电机的设计提供理论参考。     

基于场路耦合的永磁同步电机性能分析

在伺服控制系统中,控制器对内置式永磁同步电机(IPMSM)的性能影响较大。采用时步有限元分析方法,通过在Maxwell中搭建IPMSM三维和二维瞬态电磁场有限元模型,在Simulink中搭建了电机控制算法的模型。经由Simplorer软件接口技术将有限元模型和电机控制算法模型相结合,构建了永磁同步电机的场路耦合仿真模型。分析了电机在不同控制策略和工况下的转矩、电流、损耗、弱磁调速范围等数据,为IPMSM伺服调速系统的计算及优化设计提供了合理的方法。     

缺相故障下永磁同步电机电磁径向力动态特性分析

永磁同步电机的电磁振动特性分析是电机振动噪声控制方法研究的重要方面之一,针对三相永磁同步电机的电磁径向力动态特性及其在缺相故障状态下的不同响应特性进行理论与仿真分析,通过推导磁通密度构建永磁同步电机电磁径向力的数学模型,基于Matlab软件建立三相永磁同步电机缺相故障下的电磁径向力动态仿真模型,分析不同负载及缺相故障下永磁同步电机电磁径向力动态特性,分析结果可以为永磁同步电机振动分析与控制以及电机振动噪声控制提供理论参考。     

基于温度实验的永磁同步电机损耗分离方法

为了研究内置式永磁同步电机在不同工况及不同温度情况下永磁电机各部分的损耗,首先,基于运行参数及温度对永磁电机各损耗进行仿真,并建立基于运行参数及温度的损耗模型。在永磁电机定转子各部分预埋测温元件,采用变工况温度实验进行永磁电机温度及损耗实验。然后,结合电机导热特性及测温元件布置建立永磁电机等效热网络模型,通过永磁电机在不同工况下的温度及总损耗实验结果,采用扩展卡尔曼滤波算法对永磁电机进行各损耗的分离。最后,将分离出来的损耗与实测总损耗和计算损耗模型结果分析进行对比,验证损耗分离方法及基于工况和温度损耗模型的正确性。     

一种内置式永磁同步电机直接转矩控制系统的效率优化方法

提出了一种适用于内置式永磁同步电机(IPMSM)直接转矩控制驱动系统的效率优化方法。基于考虑铁心损耗的IPMSM模型,对电机损耗与运行转速、电磁转矩以及定子磁链三者之间的关系进行了研究分析。根据典型的IPMSM直接转矩控制不使用零电压矢量的特点,对电机功率损耗计算式进行了简化,推导得出在一定运行工况条件下IPMSM的效率最优定子磁链幅值。仿真结果验证了该方法不仅可以保持直接转矩控制动态响应的快速性,而且有效地提高了电机在稳态运行时的效率。     

永磁同步电机常用齿槽配合的电磁振动

由于转子永磁体和定子铁心之间存在极强的电磁吸力,当转子旋转时会引起电机定子的机械振动。对不同齿槽配合的永磁同步电机电磁振动问题进行了分析比较和实验研究,包括9/6、18/6、12/8、24/8、12/10、15/10六种不同的齿槽配合。文中首先分析了永磁电机内部的电磁力分布,通过二维电磁场的分析计算,可以得到在不同转子位置时电机内部的电磁力分布。通过把电磁力耦合到电机的瞬态结构有限元模型中,可以计算得到永磁同步电机的振动频谱,并得到了实验验证。该方法已被用来研究和比较不同齿槽配合的永磁同步电机的电磁振动特性。     

大功率永磁同步电机磁热耦合分析

本文以一台160kW永磁同步电机为研究对象,根据电机的结构参数在电磁仿真软件中建立了电机的有限元仿真模型,计算出电机在额定工况运行下的电磁场及铁耗和铜耗的分布情况。将三维模型导入到温度场仿真软件中并计算出各主要部分的体积,结合铁耗和铜耗的计算结果求出电机各主要部分的生热率,进而求出电机在额定工况下稳定运行后电机各部分的温度分布情况。在此基础上对电机进行温升实验,将两者结果进行对比,二者结果基本一致,证明磁热耦合仿真在分析电机内部温度场分布时准确性满足要求。     

基于热路法的自然冷却永磁同步电机定子温度计算

为获取电机运行时的温升情况,本文使用热路法对一台自然冷却永磁同步电机定子的温度进行计算。在Maxwell中进行二维电磁场仿真,得到电机定子的损耗。将电机定子分为多个部件,使用简化圆筒T型热路模型并结合立方体热路模型搭建各部件的单元模型,在计算各部件的相关热阻后,得到电机定子的热路模型。根据热平衡原理建立温度场线性方程组,求解电机定子的温度。在Fluent中建立电机定子的三维简化模型,给予材料属性、边界条件及其他相关设置后,进行电机稳态温度场仿真。最后对电机进行温升实验,使电机在额定工况下运行至热平衡状态后,进行实验测量。将热路法计算的结果与实验和仿真结果进行对比分析,验证了热路法的正确性。     

永磁同步电机驱动系统效率优化控制参数变化影响研究

分析了电机参数变化对永磁同步电机(PMSM)运行时效率优化的影响,即对保证电机损耗最小的d/q轴电流(后称为优化电流)的影响。首先分析PMSM运行时的各种损耗,进而建立其总损耗模型,并将电机的效率优化建模为基于约束(转矩约束、电流约束和电压约束)的优化问题;接着用优化理论中的Karush-Kuhn-Tucker条件导出优化电流所满足的方程;最后改变电机的参数,分析该参数的变化对优化电流的影响。通过分析得出,并不是所有参数对优化电流都存在影响。仿真基于效率优化控制的内置式永磁同步电机(IPMSM)驱动系统,试验结果显示了该分析结果的正确性。     

永磁同步电机永磁体退磁故障性能分析

潮湿、高温、化学腐蚀等复杂环境,会造成永磁同步电机永磁体退磁故障,这将会直接影响到永磁同步电机的性能。为了分析永磁体退磁故障对电机性能的影响,文章以一台3 kW、1 500 r/min的永磁同步电机为研究对象,建立了二维瞬态电磁场物理模型,并通过对实验和仿真数据的对比分析,验证了模型的正确性。利用有限元方法分析了永磁体退磁故障对电机转矩及其波动、电流、空载反电动势、损耗等性能的影响,得到了永磁体不同退磁程度对电机性能影响的规律。