磁力齿轮温度场仿真与试验研究

稀土钕铁硼永磁材料温度系数较高,高温下剩余磁密Br下降,磁力齿轮转矩传递能力降低;同时导致永磁体内禀矫顽力Hci下降,可能造成局部失磁,使磁力齿轮性能严重恶化。因此,对磁力齿轮的设计和运行而言,有必要研究其运行时内部温度场的分布。分析计算轴向磁场调制式磁力齿轮的热源分布情况,建立磁力齿轮三维温度场有限元模型,仿真计算磁力齿轮关键部件内的温度分布,完成样机温升试验验证工作。样机试验数据与有限元结果相吻合,验证了仿真模型的准确性,以及温度对磁力齿轮性能的影响。     

轴向磁场调制型永磁磁力齿轮及其电磁性能分析

介绍了新型轴向磁场调制型永磁磁力齿轮的工作机理.根据样机技术指标和设计方案,采用二维动态场的双转动域与三维静态场的时步有限元法计算其电磁性能.与样机试验数据进行比较,验证了样机设计的可行性和合理性,同时验证了有限元算法的准确性.     

磁场调制式磁力齿轮及其有限元计算

为避免机械齿轮振动,或要在分开物体间传递力矩,可以采用磁力齿轮传动装置。设计该磁力传动装置时需要对其设计参数进行精确计算。在电机设计时,使用有限元方法对一种大力矩磁力齿轮——磁场调制式磁力齿轮进行了磁场计算,为设计该磁力齿轮提供了有力的工具。     

高转矩密度偏心式谐波磁力齿轮原理与仿真设计

与同轴式磁力齿轮相比,偏心式谐波磁力齿轮更适用于大传动比领域.在传统磁力齿轮的基础上,外永磁体采用切向充磁且嵌入式安装在定子侧,内永磁体采用60°Halbach阵列.建立有限元分析模型,分析比较了两种磁力齿轮的磁场分布,在静态模型下分析了两种磁力齿轮的磁力线分布,对其气隙磁密、谐波与转矩分别进行对比分析.仿真结果表明,...     

双定子磁场调制电机及其无位置传感器控制

在磁性齿轮的结构上,将磁性齿轮的内外双层永磁体都替代为交流绕组,中间为磁场调制铁块,形成双定子磁场调制电机(DSFM)。由于该电机励磁磁场和电枢磁场由定子三相绕组产生,无论励磁磁场还是电枢磁场都可以各自灵活地调节幅值、频率,而且励磁磁场和电枢磁场的功能可以灵活地互换。因此,该电机的转速和转矩调节范围可进一步提高。同时电机内部没有永磁体,因此不存在齿槽转矩问题。该文对该电机的结构以及控制理论进行研究,同时实现了该电机基于滑模观测器的无位置传感器控制。最后,利用仿真和样机试验验证了本文DSFM的运行原理和控制理论。     

磁力齿轮结构原理分析和参数优化

本文基于磁场调制原理分析了磁场调制式磁力齿轮的结构,从功率守恒的角度揭示了磁力齿轮的运行原理。本文计算了两个不同圆心角大小的磁力齿轮的外气隙的气隙磁密,并对气隙磁密进行谐波分析,揭示了调磁铁块圆心角的大小对调磁铁块的调磁性能的影响。通过对有限元模型的计算,本文率先探究了磁力齿轮的最大静态转矩与永磁体极弧系数的关系,并找到最佳极弧系数。     

磁场调制型磁齿轮端部漏磁屏蔽及其试验验证

为降低磁场调制型磁齿轮涡流损耗提高其传动效率,本文提出了一种磁齿轮端部漏磁屏蔽方法,即在磁齿轮内、外磁环的轴向端部安装封闭的硅钢片磁屏蔽环,从而改变磁齿轮端部磁场分布,降低端部周围金属构件产生的涡流损耗。首先建立磁齿轮三维有限元模型,通过研究端部漏磁对磁齿轮转矩的影响确定轴向长度设计值。计算验证结果显示采用该磁屏蔽方法后磁齿轮端部漏磁明显减少。最后通过试验测试发现端部漏磁引起损耗占磁齿轮整体损耗主要部分,验证了该屏蔽方法可以有效减少端部漏磁,提高磁齿轮传动效率。为提高磁齿轮传动性能提供了一种新的思路。     

基于死区补偿的磁通切换永磁电机定子磁场定向控制

磁通切换永磁电机具有功率密度高、效率高、反电动势正弦的优点,在推导其数学模型的基础上,采用电压空间矢量调制方法,对该电机的定子磁场定向控制策略进行了分析与研究。另外,由于空间矢量调制的死区效应严重影响电机输出电流的质量,进而影响到电机的转速与转矩输出特性,采用预测电流控制方法对死区进行补偿。通过半实物仿真平台dSPACE实现了定子磁场定向控制算法,并在一台2kW磁通切换永磁电机驱动系统上验证了所提控制方法的有效性。该控制算法对其他定子永磁型电机的控制系统设计具有一定的借鉴作用。     

Halbach阵列同心式磁力齿轮参数分析与优化设计

直驱式同心式磁力齿轮在低速大转矩领域有广泛的应用前景。为获得较正弦分布气隙磁场,所用永磁体采用Halbach阵列充磁,用二维全局解析法计算同心式磁力齿轮磁场分布;分析了调磁环铁心宽度、调磁环高度及外转子轭部厚度等参数与磁力齿轮最大静态转矩之间的关系。磁场全局解析法计算结果与有限元分析结果一致性较好,验证了解析模型的正确性;根据参数分析结果,制作了一台内转子4对极、外转子17对极的Halbach阵列同心式磁力齿轮样机,样机试验结果表明,合理选择结构参数可以提高磁力齿轮的转矩密度,对磁力齿轮的设计提供一种有益参考。     

一种高精确度N相直线电机电感与磁力特性

为了设计一种N相高精确度直线电机,对电机定子和动子磁场分布、电感与磁力特性进行研究。根据定子电流层和动子永磁层的周期性分布特点,运用傅里叶级数方法得到磁场二维解析式。在此基础上,计算磁场随N值、气隙高度、电流层高度的变化趋势。通过对定子分布绕组的磁场进行积分,从而获得电感解析式,并以样机为例分析各次谐波电感特性。提出永磁阵列虚拟电流概念,结合改进的磁共能法计算出各次磁力脉动值。仿真结果表明:当气隙大于1 mm时,定子与动子磁场基本呈正弦分布,高次谐波电感与磁力脉动可忽略,仿真结果与解析解的误差小于5%。     

磁性槽楔对永磁电机转子损耗及温度场影响

针对实心转子高压永磁电机定子铁心开槽会导致气隙磁导不均匀,气隙中谐波磁场引起电机转子温度升高,影响永磁体的电磁性能的问题,以一台315 k W,6 k V实心转子高压永磁电机为例,建立了样机的二维电磁场时步有限元模型及三维全域流体与固体耦合传热数学模型,给出了求解域及边界条件,通过求解计算模型,将计算数据与实验数据进行了对比,验证了所建模型的正确性。在此基础上研究了槽楔相对磁导率分别为3、5、7、9时对转子表面涡流损耗的影响,分析了磁性槽楔相对磁导率为不同值时电机转子及定子各部分的温度分布,计算结果表明定子槽楔相对磁导率数值的增加,电机的起动转矩降低,转子铁心涡流损耗逐渐减小,电机定子各部分温度先减小后趋于稳定。     

定子无磁轭模块化轴向永磁电机磁极表面开槽分析

在永磁电机设计中,永磁体(PM)作为励磁磁源,直接影响电机性能。由于定子电流时间谐波和气隙磁场中高次空间谐波的存在,永磁体内产生的涡流损耗不容忽视,极易导致永磁体过热或不可恢复性退磁。本文提出一种减小定子无磁轭模块化轴向永磁电机永磁体涡流损耗的方法,以一台10极、12槽、20k W的轴向永磁电机为例,通过对永磁体表面开槽深度、开槽方式及开槽数目的研究,利用解析法和三维有限元仿真分析不同开槽结构的永磁体涡流损耗,推导出永磁体涡流损耗等解析式。并对比带额定负载时气隙磁通密度,合理选择永磁体表面开槽方式及开槽数目。     

轴向磁场电机永磁体空载涡流损耗减小方法对比研究

减少轴向磁场电机永磁体空载涡流损耗的方法主要有：减小定子槽开口宽度、增大气隙长度、永磁体分块、使用屏蔽层和磁性槽楔等。基于轴向磁场电机的简化二维分析模型,分析了减小定子槽开口宽度和增大气隙长度、使用屏蔽层和磁性槽楔降低空载涡流损耗的效果。通过三维电磁场仿真,研究了永磁体不同分块方式对减少空载涡流损耗的效果。研究结果表明,减小定子槽开口宽度的效果最佳;虽然增加气隙长度可以显著减小涡流损耗,但永磁体用量迅速增加;永磁体分块减小涡流效果较好,且周向分块方式最好;屏蔽层起反作用;使用分段磁性槽楔效果比减小定子槽开口宽度稍微差一点,但加工难度要低些。     

Characteristic analysis and trial manufacture of permanent‐magnetic type linear generator

This paper describes the design and trial manufacture of a linear generator which can convert any mechanical vibration of an automobile to electrical energy. A mover, which includes permanent magnets, is linearly driven through a stator by vibrations. The Nd‐Fe‐B magnets in the mover are placed facing the same magnetic poles in order to produce a change of magnetic flux in the coils of the stator. The coils are placed in the stator with the same intervals as the magnets. Successive coils are wound in opposite directions and are connected in series. A magnetic iron core covering the stator makes the magnetic flux extend through the case and reduces flux canceling in the coils of the stator. The distribution of the magnetic field, the electromotive force, and the driven power of the mover were calculated by numerical simulations in order to determine the size of the linear generator. A linear generator and experimental apparatus were built on the basis of the simulation. The performance characteristics were tested in experiments, and the produced linear generator was confirmed to be useful as an onboard auxiliary power supply. © 2008 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 166(3): 94– 100, 2009; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20751     

用于调相机-飞轮储能系统的磁齿轮调速器设计

介绍一种用于新能源场站调相机-飞轮储能的磁齿轮调速器的电磁设计。基于同心式永磁齿轮的运行机理,该调速器通过改变定子绕组电流的频率,在调相机的固定转速条件下,实现飞轮的无级变速及其与调相机之间的功率交换,使调相机在传统的无功调节功能基础上,增加有功支撑的能力。确定了磁齿轮调速器的基本结构和调速、供电频率范围等基本运行条件,采用有限元软件计算和对比具有不同的永磁体布置与充磁方向、调制环和定子槽基本结构尺寸的磁齿轮调速器的电磁性能,并选定内置V形永磁体和一定的调制块厚度、宽度及定子槽形,作为最终设计方案。该设计方案显著提高了磁齿轮调速器的转矩密度,并具有较高的运行效率。     

一种双向短行程永磁直线直流电机

阐述了一种双向短行程永磁动圈式直线直流电动机的结构及特点,直线电机采用双环形磁钢、直线轴承滚动副支撑结构形式,径向磁场中的动圈固接在轴上并被两个刚度相同的预压弹簧平衡,导向机构阻止动圈周向转动,带有分辨率为1 μm光栅尺,设计的行程范围为±5 mm.给出了样机的主要参数,并对样机进行了试验研究,结果表明直线电机输入电流与电磁力呈线性关系.在控制信号频率为30 Hz时,峰值电流为±2.56 A,峰值推力可达±30.9 N,最大速度可达±0.86 m/s,最大加速度可达±16.5 g.     

High‐Efficiency Motors Using Soft Magnetic Cores

We have developed a small and highly efficient axial gap motor whose stator core consists of a soft magnetic core. First, the loss sensitivities to various motor design parameters were evaluated by magnetic field analysis. Low sensitivity to the pole number and core dimensions ( ? 2.2 dB) was found for the total loss, which is the sum of the copper loss and the iron losses in the stator core and the rotor yoke. From this we concluded that to improve the motor efficiency, it is essential to reduce the iron loss in the rotor yoke and to minimize the other losses. With this in mind, a prototype axial gap motor was manufactured and tested. The motor has four poles and six slots. The motor is 123 mm in diameter and the axial length is 47 mm. The rotor has parallel magnetized magnets and a rotor yoke with magnetic steel sheets. The maximum measured rotor efficiency is 93%. This value roughly agrees with the maximum calculated efficiency of 95%.     

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.     

轴向分段式双爪极永磁电机设计与分析

永磁同步电机在高频率工况时,定、转子铁心损耗和永磁体涡流损耗都会增加,使电机温度升高,从而导致绝缘老化、永磁体退磁等。为了解决高频损耗增加的问题,设计了一台定、转子铁心材料均为软磁复合材料的轴向分段式爪极定子、单段式爪极转子的双爪极电机。类似于双凸极结构会出现转矩脉动过大的问题,采用转子磁极偏移和定子斜极相结合的方式降低转矩脉动。最后,对电机的电磁设计和温度分布进行分析,验证设计的合理性。对于爪极参数的选取,研究主要尺寸比、极弧系数、转子磁极偏移距离和定子斜极角度对双爪极电机的气隙磁密、空载反电动势、转矩及转矩脉动的影响。     

An Ultra-High-Speed Starter–Generator with a Magnetic Core of Amorphous Iron for Unmanned Aerial Vehicles

Results of research on an ultra-high-speed starter–generator with permanent magnets and tooth windings for unmanned aerial vehicles are presented. Technologies for manufacturing of a stator magnetic core of amorphous iron, as well as methods of selection of the number of pole pairs of an ultra-high-speed starter—generator, are studied, the advantages of amorphous iron are substantiated. A particular stage of the work is devoted to the problems of optimization of the slotted area of a starter–generator on the basis of the criterion of the presence of minimum losses in permanent magnets for eddy currents. To minimize these losses, a multicriterion optimization of the slotted area is performed using the genetic algorithms, as a result of which the losses were a quarter those of the initial variant. A cooling diagram of the synchronous machine in the structure of the turbojet engine is proposed. Thermal calculations are presented. A full-scale mockup with a capacity of 5 kW, rotation frequency of 60000 rpm, power density of 0.2 kg/kW, and coefficient of efficiency 96.4% was created to check the proposed design sequence, as well as to determine the efficiency of using amorphous iron. Initial tests of the experimental mockup backed up the theoretical conclusions and showed that the use of amorphous iron allows reducing the losses in the magnetic core of the stator by five to seven times.