可调磁通电机系统及其关键技术发展

针对传统汽车工业发展面临的能源危机和环境污染等问题,为满足新能源汽车驱动电机在宽调速范围内高效率运行的需求,对可调磁通电机（variable-flux machine,VFM）系统及其关键技术发展进行综述.首先,介绍了可调磁通电机的应用背景与工作原理;之后,简要分析了各类可调磁通电机（包括交流调磁型、直流调磁型和机械调磁型）的拓扑结构和优缺点,总结了不同种类可调磁通电机的结构特点和设计方法;最后,针对可调磁通电机特殊的工作原理,以及电机在负载运行和在线调磁控制时对参数在线辨识、调磁电流控制和转矩波动抑制等方面的需求,总结了专用于可调磁通电机的控制策略（包括磁链观测器、电流与转矩控制策略以及调磁与调速控制策略）,分析了各种控制策略的理论依据、实现方法、系统框架及优缺点.结果表明:可调磁通电机能够调节电机气隙磁场强弱,从而扩宽电机的转速范围,同时提高电机在高速区的运行效率;采用先进的控制策略,能够实现电机的在线调磁及调速控制,并降低转矩波动和调磁损耗,保证系统高效、稳定运行.新型可调磁通电机系统的提出及相关技术发展,将使可调磁通电机系统在电动汽车、数控机床等领域得到更广泛的应用,是未来新能源领域重点发展的核心技术之一.     

多层绕组盘式横向磁通电机及建模分析

针对低速大转矩用盘式横向磁通电机中存在的C型定子结构不稳定，电机尺寸过大和生产效率低，U型定子和E型定子槽满率低、转矩密度小等问题，提出一种将绕组绕制在U型定子铁心两端的多层绕组盘式横向磁通电机拓扑结构。介绍了电机的结构和原理，并建立该电机基于磁阻的三维等效磁网络模型。在考虑永磁体空间漏磁的情况下，对主磁通进行计算并推导了空载磁链、空载反电动势和主要尺寸的关系。通过与双层绕组盘式横向磁通电机齿槽转矩、转矩密度和功率因数三维有限元结果的对比研究，分析所提出电机结构的优越性和有效性。试制出一台样机并进行空载反电动势的实验测试，通过仿真和实验测试的结果对比，验证该建模分析方法的准确性。性。     

分数槽低速大转矩永磁同步电机设计

设计了一种30槽32极分数槽低速大转矩永磁同步电机(FS-PMSM),分数槽绕组采用上下左右四层绕线方法,突破了常规的单、双层绕组方法,通过有限元方法对电机电磁转矩进行分析,发现选择合适的槽电势偏移角不但可以增加一定的电磁转矩,而且可以有效减小转矩波动。在综合考虑电机转矩性能和气隙磁密正弦性的基础上,采用钕铁硼永磁与铁氧体永磁相结合的方法,对电机转子磁极结构进行优化,减少了钕铁硼永磁体的用量,降低了电机造价;对空载反电势进行谐波分析,优化后的磁极结构能减少反电势中的谐波含量。对电机进行二维动态仿真,结果表明方案设计合理,能够表现良好的性能,对此类电机设计与优化具有较高的参考价值。     

永磁转子偏转式三自由度电机建模与结构分析

针对以往研究中单层结构永磁转子三自由度电机转矩特性的不足,提出一种新型永磁"蝶形"转子偏转式三自由度运动电机,采用球坐标系下分离变量法和洛伦兹力法分别对电机气隙磁场和转矩进行解析建模,确定气隙磁场空间谐波含量和结构参数对基波磁通密度和转矩幅值的影响,同时进行三维有限元仿真分析.通过研究两种计算方法下气隙磁场、自转和偏转转矩的特点及规律,并进行对比分析.结果表明:"蝶形"永磁转子结构的气隙磁通密度分布和转矩特性优于单层结构,气隙磁通密度径向分量空间分布近似平顶波,转子中间层磁极的气隙磁通密度幅值最大,解析法与有限元法的计算误差均小于6.7%.     

机器人用外转子直驱永磁电机设计与 性能分析

直驱永磁电机以其转矩大、波动小、效率高和结构紧凑等优越性能,取代了传统伺服电机和减速器联合使用的驱动模式,成为机器人驱动系统的核心部件之一。根据工业机器人的运行工况和实际要求,设计了一台直驱高速并联机器人的27槽24极外转子永磁电机,分析该电机主要结构参数的选取,建立该电机的二维有限元仿真模型。在空载状态下,计算气隙磁密分布,分析空载反电势及其谐波含量和齿槽转矩;在额定转矩和最大转矩的工作状态下,对电磁转矩、效率、功率因数和力能指标等电机性能进行对比分析。仿真结果表明,该电机的性能指标误差均在6. 5%以内,验证了电机设计的合理性和实用性,可为电机参数的进一步优化设计提供依据,也可为机器人驱动系统的优化提供参考。     

转子偏心对U型单相永磁同步电机的影响

为了研究转子偏心对U型单相永磁同步电机性能的影响,采用有限元法分析了电机内的电磁场,在虚位移法和麦克斯韦应力法的基础上,计算了当转子分别发生静态偏心和动态偏心时,电磁转矩的变化量以及定子侧所受到的径、切向电磁力。并通过傅里叶分解,研究了转子偏心对电磁力波阶次和频次的影响。计算结果表明,转子偏心引起电机内电磁场不对称分布,且气隙磁密幅值随偏心距离的增加而增大;不同偏心状态对电磁转矩波动有不同的影响;偏心导致电磁力波奇次谐波分量大幅度增加。     

横向磁通永磁电机直接转矩控制系统研究

横向磁通永磁电机具有高转矩密度等优点,但其转矩脉动严重地影响了输出特性。提出一种改进的空间矢量直接转矩控制方法,并增加电压矢量数量及磁链区域的进一步细分,改变定子磁链和转矩的估测模型及磁链角的获取,使开关频率增加,转矩脉动减小,以削弱电流谐波,可有效地减小转矩脉动和磁链,电机得到平稳运行。将传统直接转矩与改进的空间矢量直接转矩控制进行对比研究,研究表明,改进的直接转矩控制减小了转矩脉动,增加了负载转矩,使横向磁通永磁电机工作性能得到提升。     

内置式永磁电机齿槽转矩削弱方法研究

为抑制永磁同步电机齿槽转矩,减少电机振动与噪声,提出一种定子齿顶开辅助槽与转子外圆偏心的结构来抑制齿槽转矩,提升电机的输出性能.首先建立了定子齿顶开槽前后与主气隙分布函数解析式,分析定子开槽与电机主磁场分布及齿槽转矩的关系,同时分析了转子外圆偏心后对齿槽转矩的影响.以内置3相8极48槽V型永磁同步电机为例,利用有限元法对定子齿顶辅助槽个数、槽宽、槽深、槽位置以及转子外圆偏心距等参数进行优化对比分析,获得最优的参数匹配.结果表明：定子齿顶双矩形对称开槽以及转子外圆偏心的方式能有效改善主气隙磁场分布,抑制电机齿槽转矩,优化后的电机气隙磁密5、11、15、17谐波幅值下降明显,电机齿槽转矩峰值降低了59.6%,反电势波形正弦性增强,平均转矩提升,电机输出性能明显改善.     

低开关频率选择谐波消除调制的母线波动补偿

提出基于选择谐波消除脉宽调制（SHEPWM）的补偿策略,用于抑制由直流母线电压波动引起的列车牵引电机电流与转矩波动. 根据每一基波周期内的调制脉冲数确定同步处理区间,使用重复预测器对下一处理区间内的直流母线电压波形进行预测. 根据预测的母线电压波形与开关时刻估计下一处理区间内的磁链误差,并相应地调整开关时刻以消除磁链误差. 在18 kW永磁体内置式永磁同步电动机（IPMSM）上分别对采用完整的补偿策略、采用近似的处理区间内平均母线电压补偿策略与不采用任何补偿策略的情况进行实验. 结果表明提出的补偿策略能显著降低由直流母线电压波动所引起的低次电流谐波和电机转矩波动,且相比近似的处理区间内平均母线电压补偿策略具有更好的电流与转矩波动抑制效果.     

不等极弧结构永磁同步电机噪声和转矩特性

对转子采用表贴式不等极弧结构的车用永磁同步电动机的转矩和噪声特性进行综合分析.通过试验测得其在有风扇和无风扇负载运行时的噪声频谱,诊断噪声源的主要频率成分.根据离散傅里叶分解理论,推导出单极极弧系数不等和相等2种结构下转子磁动势的谐波分布,得到单极极弧系数不等结构电机主要电磁力波的幅值和频率.结果表明,单极极弧系数不等结构虽然有效地降低了齿槽转矩幅值,但同时引入了更多的转子磁动势谐波分量;当转子结构对称时,转子永磁体磁场只存在奇数次谐波,而当转子结构不对称时,不但会产生偶数次谐波分量,还可能会出现分数次谐波分量,使径向电磁力波幅值增大,从而导致电机振动噪声特性变差.通过有限元计算证实了理论推导的正确性,并总结了原方案电机电磁噪声较大的原因.     

横向磁通永磁电机的三维电磁场分析

横向磁通永磁电机转矩密度远高于普通结构电机，但结构较复杂，内部磁场呈三维分布.为弄清横向磁通电机内部磁场的分布及优化设计规律，需采用三维有限元的分析方法.通过采用ANSYS软件进行分析，并用ANSYS的APDL语言进行二次开发编程，对一种三相分布在同一个圆周上的永磁体内置式横向磁通永磁电机进行了三维电磁场分析，对该电机不符合周期条件的三维电磁场求解区域在工程设计允许范围内进行了简化处理，在电磁场分析计算的基础上，给出了电机参数计算方法，并给出了在此基础上的数学模型，对横向磁通永磁电机的空载及负载电磁场进行了计算，给出了空载反电动势和电抗的计算方法, 最后，通过与样机测试结果的对照研究，验证和完善分析方法.     

横向磁通开关磁阻电机转矩能力的分析

设计了1台永磁屏蔽的横向磁通开关磁阻电机(PM-shield TFSRM)。通过在定、转子极间装设永磁体来屏蔽气隙中的漏磁,以提高输出转矩。采用三维有限元分析方法对电机的磁场进行了分析,表明了永磁屏蔽的有效性。在相同电流通过时,具有永磁屏蔽的横向磁通开关磁阻电机的平均转矩比没有永磁屏蔽的提高近1倍。     

从电机设计的角度减少高速永磁电机转子损耗

高速永磁无刷直流电机的转子涡流损耗主要是由定子电流的时间和空间谐波以及定子槽开口造成的气隙磁导变化引起的.转子涡流损耗使电机的效率下降并能引起转子永磁体的退磁.从电机设计的角度，采用解析计算和有限元仿真的方法研究了不同的定子结构、槽开口大小以及气隙长度对高速永磁无刷直流电机转子损耗的影响.利用傅里叶变换，得到了分布于定子槽开口处的等效电流片的空间谐波分量，然后采用计及转子集肤深度和涡流磁场影响的解析模型计算高速电机转子损耗，并对解析计算结果通过有限元仿真加以验证.结果表明，3槽集中绕组结构中含有2次、4次等偶次空间谐波分量，该谐波分量在转子中产生大量的涡流损耗.定子结构对高速电机转子涡流损耗影响很大，合理地设计定子结构能够减小转子涡流损耗.     

Z型极靴聚磁式磁齿轮设计与仿真分析

提出并研究一种Z型极靴聚磁式磁齿轮(ZP-FFMG).在该磁齿轮结构中，Z型极靴可以耦合转子端面和圆柱面的磁通.通过三维仿真可知，Z型极靴聚磁式磁齿轮中存在有助于传递转矩的轴向和径向磁通分量.对比分析传统聚磁式磁齿轮(FFMG)和Z型极靴聚磁式磁齿轮，结果表明，与传统聚磁式磁齿轮相比，Z型极靴聚磁式磁齿轮的传递转矩提高42%，转矩密度增加15 kN·m/m³，同时磁通密度也有改善.     

多极轴向磁路磁阻式旋转变压器的分析与优化

针对单对极轴向磁场磁阻式旋转变压器测量误差相对较大的问题,提出了一种多极轴向磁路磁阻式旋转变压器,以解决高次谐波的干扰、定子与转子偏心等问题对精度的影响.应用微积分法对这种新式磁阻式旋转变压器的数学模型进行解析计算,并在此基础上给出了多极轴向磁路旋转变压器的数学模型和工作原理.通过有限元法的分析,验证了设计方案的正确性与可行性.分析结果表明,输出电势中的高次谐波使电压波形畸变而产生误差,其中三次谐波含有率占总谐波畸变率的比重较大.通过对转子结构进行优化,削弱了输出电势中的三次谐波,有效地降低了多极轴向磁路磁阻式旋转变压器的测量误差.     

磁通切换电机研究现状与展望

磁通切换电机继承了无刷结构的双凸极电机转子上既无永磁体也无绕组,结构简单、坚固耐用,适合宽转速范围运行等诸多特点,而且每相电枢绕组匝链的磁链为双极性,因此反电动势常数和输出转矩高于磁链为单极性的电机,具有广泛的工业应用前景。文章分别阐述了电励磁、永磁和混合励磁切换电机的基本原理、工作特性、电机设计和分析方法,针对磁通切换电机研究现状和存在的不足,探讨了磁通切换电机技术的发展趋势和研究方向。     

用于直接转矩控制的自适应正交反馈补偿磁链观测器

为解决传统磁链观测器存在直流漂移以及当电机极低速运行时磁链观测值不准确等问题，提出了一种适合永磁同步电机直接转矩控制应用的新型自适应正交反馈补偿定子磁链观测器.针对在直接转矩控制下反电势信号存在跳变而非连续的特点，对其采取了信号平滑处理以便于反电势与磁链矢量的点积运算.通过检测反电势和磁链的正交程度来自动调节磁链补偿程度，以获得磁链的精确观测值.仿真研究验证了新型磁链观测器的优良性能，它能够在宽广速度范围内精确估算定子磁链，保证了永磁同步电机直接转矩控制的可靠实施.     

转矩波动下电动轮系统机电耦合振动特性

针对转矩波动下电动轮系统机电耦合振动问题,推导了d/q轴坐标系下考虑永磁体磁场谐波的永磁同步电机电磁转矩数学模型以反映轮毂电机转矩波动特征。基于电动轮扭转和纵向耦合振动方程分析了电动轮系统固有特性,考虑电流闭环的影响,并集成转矩模型和振动方程建立了电动轮系统机电耦合模型。基于机电耦合模型分析了耦合对转矩波动和系统振动特性的影响规律,结果表明:电机转子的转速波动在电动轮旋转模态频率处会对电机转矩波动产生负反馈削弱效果;机电耦合主要会改变电动轮耦合系统第三阶模态阻尼比进而影响振动特性,而且阻尼比随磁链的增加而线性增加,随电感的增加而下降直至趋于稳定。因此,合理选取轮毂电机电磁参数对抑制电动轮系统振动有一定的意义。     

多相感应电机转子磁场定向矢量控制策略

针对多相感应电机正弦供电时铁芯利用率低、输出转矩小的问题,通过分析多相电机的磁动势分布和谐波磁场对电机气隙磁密和轭部磁密的影响,提出基于谐波电流注入的转子磁场定向矢量控制方法.通过注入满足一定比例和相位关系的各次谐波电流,优化气隙磁密和轭部磁密为平顶波,并在一台九相集中整距绕组感应电机上进行实验验证.结果表明:在保持气隙磁密幅值、轭部磁密幅值和定子铜耗与基波供电分别相等的条件下,可以有效地提高电机输出转矩和电机效率;同时系统在低速下具有良好的动态响应和带载起动能力,适合应用于低速大转矩场合.     

电动汽车用永磁游标电机的设计与研究

提出具有低速大转矩特性的电动汽车用转子双边永磁型游标电机,结构上采用双定子、中间转子形式.内、外定子设计有能够完成磁通调制作用的调磁齿,转子磁极直接面向两侧气隙,实现了磁场内、外侧的双重调制,增强了电机转矩的输出能力.阐述了该电机的工作原理、说明了设计方法,给出电机设计参数及结构、装配示意图,以转矩的最大输出为目标,对内、外定子调磁齿周向宽度、径向高度及极弧系数等对电机性能有较大影响的结构参数进行优化研究,建立该电机的二维有限元模型,对该电机的电磁性能进行仿真分析,计算结果验证了理论分析的正确性.