高转矩性能多相组永磁电机及其关键技术综述

多相组永磁电机具有转矩密度高、转矩脉动小、容错能力强的优点，在航空航天、舰船推进等高转矩性能应用场合得到广泛的关注。首先，该文探讨多相组永磁电机的绕组拓扑特点，分析其转矩性能提升机理，归纳转矩性能最优的相移角设计规律。其次，总结了近年来国内外学者在多相组永磁电机领域已开展的工作，重点围绕槽极配比、拓扑结构、相组间联结方式等关键技术进行介绍。然后，基于电流谐波注入和永磁体谐波注削技术，进一步阐述了提高多相组永磁电机转矩性能的方法。针对多相组永磁电机高可靠设计技术，从短路电流抑制、相间独立性提高、绕组余度提升的层面进行了整理和归纳。最后，对高转矩性能多相组永磁电机进行总结与展望。     

表贴式轴向磁通电机梯形削极分段结构研究

采用多极少槽结构和分数槽集中绕组可有效提高轴向磁通永磁(AFPM)电机的转矩密度,但磁动势谐波含量较大、频率较高,会引起永磁体涡流损耗增大和温度升高。通过优化表贴式轴向磁通永磁电机的永磁体结构可有效降低永磁体涡流损耗并抑制转矩波动,因此提出梯形削极分段结构。首先,基于精确子域法分别建立不同永磁体结构的解析模型。其次,通过解析模型和三维有限元模型对不同永磁体结构的气隙磁密、输出转矩和涡流损耗进行分析对比。然后,通过研究永磁体分段对永磁体涡流损耗的影响,确定梯形削极分段结构的参数。最后,制造一台样机并进行实验,实验结果证明,梯形削极分段结构可有效降低永磁体涡流损耗并且改善轴向磁通永磁电机输出性能。     

径向充磁表贴式正弦磁极电机转矩密度最大化研究

本文提出一种利用三次谐波削极,增加径向充磁表贴式正弦磁极永磁同步电机输出转矩而不增加转矩脉动的方法。根据永磁磁极形状可以将表贴式永磁电机分为弧形永磁磁极和面包形永磁磁极。对于所有极槽配合的径向充磁弧形永磁磁极永磁电机,注入最优三次谐波幅值为基波的1/6;但对于径向充磁面包形永磁磁极永磁电机,最优三次谐波幅值随极对数（P）、永磁体厚度和转子半径而变化,因此现有推导的最优三次谐波解析模型是不准确的,对于面包形永磁磁极永磁电机,此模型是无效的。本文推导了径向充磁面包形表贴式正弦磁极注入最优三次谐波幅值解析模型,可以在不提高转矩脉动的情况下最大程度的提高转矩。最后用有限元验证了模型的准确性。     

偏心分块转子电机转矩脉动抑制研究

提出一种基于偏心极弧的分块转子结构混合励磁分块转子开关磁链（HESRFSPM）电机。通过比较气隙面积不变条件下的气隙磁密空间谐波幅值,偏心极弧的分块转子结构可以减少2次、4次、10次径向气隙磁密空间谐波幅值。因此,在平均输出转矩不变的条件下,该结构可抑制HESRFSPM电机转矩脉动,降低齿槽转矩。分析了偏心距对HESRFSPM电机齿槽转矩、反电动势谐波以及谐波转矩的影响,得到抑制转矩脉动效果最佳的偏心转子极弧结构,并制作了样机。最后,通过样机实验验证表明,在平均输出转矩不变的条件下,基于偏心极弧的HESRFSPM电机转矩脉动在弱磁、永磁和增磁运行状态下分别降低了5.14%,2.89%,1.42%。     

内置式交替极永磁同步电机性能及机理研究

分析比较了传统内置式永磁同步电机与内置式交替极永磁同步电机的电磁性能。设计了一台五相20/18槽极组合的内置式交替极永磁同步电机,与传统内置式永磁同步电机相比,该电机在保持较好的输出能力的情况下节省了永磁体用量,提高了电机的可靠性且节省了成本。利用磁路法及气隙磁通密度波形的傅里叶解析计算得到每极下气隙基波磁通,验证了交替极设计可提高永磁体的利用率。与传统内置式永磁同步电机不同,内置式交替极永磁同步电机中永磁极极弧的选择范围更大,通过合理优化永磁极与铁心极的配合能够进一步提升该电机的输出转矩。其次,比较分析了内置式交替极永磁同步电机的反电动势谐波分量,发现该电机更加适用于谐波电流注入法,且分别对永磁体端部槽形、永磁体磁化方向长度及不均匀铁心极极弧进行优化设计,使得优化后的内置式交替极永磁同步电机在明显减少永磁体用量的情况下能够保持较好的输出能力,且具有更好的转矩质量及弱磁能力。     

基于谐振控制器的谐波削极型永磁同步电机转矩脉动抑制策略

随着永磁同步电机在高性能伺服控制场合中的广泛应用,对其输出转矩平滑度的要求也随之提高。然而,电机结构设计的非理想、逆变器的非线性特性以及恶劣的运行工况都会导致永磁同步电机的输出转矩存在较大的脉动。针对逆变器非线性、低载波比等造成的电流谐波产生的转矩脉动,该文利用谐振控制器减小电流谐波,从而有效地降低了电机转矩脉动。为验证算法的有效性,搭建了基于dSPACE的控制平台,通过对谐波削极型永磁同步电机样机的实验可知,谐振控制器能够有效补偿谐波削极型永磁同步电机定子谐波电流,进而有效地降低电机转矩脉动。     

基于气隙磁场重构的永磁电机转矩脉动抑制研究EI北大核心CSCD

永磁电机的齿槽转矩引起转矩脉动,影响电机系统的低速性能和控制精度。该文建立齿槽转矩与气隙磁场谐波的模型,分析低次谐波磁场对齿槽转矩的影响规律,揭示齿槽转矩产生机理。通过部分磁极反余弦削极技术重构气隙磁场波形,抵消3、5、7次谐波磁场引起的齿槽转矩,实现电机齿槽转矩的抑制。与现有减小齿槽转矩的方法相比,所提方法通过间接控制气隙磁场减小齿槽转矩。通过有限元法对所提的方法进行验证,并研制1台12槽8极部分反余弦削极转子永磁电机,进行相关测试。     

弓形磁极永磁电机谐波削极技术的优化研究

为实现电机高功率密度和低转矩脉动的双重设计目标,该文在考虑永磁体相对磁导率、定子开槽、极间漏磁、磁极边缘效应以及磁路饱和对气隙磁密的影响基础上,建立平行充磁弓形磁极三次谐波削极修正解析模型。然后通过有限元,对比不同磁极电机的电磁性能。结果显示,修正谐波削极电机的平均转矩较简化正弦削极、修正正弦削极电机和简化谐波削极电机均有一定程度的提高,同时转矩脉动低于简化正弦削极和简化三次谐波削极电机,证明修正模型的优越性。最后通过实验验证修正模型的准确性。     

轮边直驱永磁盘式电机转矩脉动分析与抑制

针对纯电动汽车轮边直驱永磁盘式电机的转矩脉动较大问题,为提高电机转矩输出的平稳性,对6k W、933 r/min额定转速的双定子单转子磁路结构的永磁盘式电机齿槽转矩与纹波转矩脉动进行了研究。通过对齿槽转矩与纹波转矩的理论推导,并建立了数学模型。利用三维有限元的分析方法,建立了永磁盘式电机三维仿真模型,以永磁体斜极角为变量,分析斜极角对齿槽转矩的削减情况,合理选择永磁体斜极角。对电机不同永磁体斜极角下的空载反电动势进行谐波分析,通过优化反电动势谐波的方法来抑制电机纹波转矩脉动。研究结果表明,采用永磁体斜极方式时双定子单转子永磁盘式电机的齿槽转矩抑制效果明显,齿槽转矩由5.4N.m降低到0.9N.m,纹波转矩脉动由10.9%降低到3.6%,转矩脉动优化显著。     

分数槽永磁无刷直流同步电机特性分析

分数槽永磁无刷直流同步电机是一种具有高功率密度、良好调速性能的永磁同步电机。建立了一种分数槽永磁无刷直流同步电机的有限元模型,分析了极弧系数和永磁体偏心距对齿槽转矩和转矩波动的影响,并研究了在电压源供电模式和电流源供电模式下电机转矩的波动状况。结果表明,合理的极弧系数和永磁体偏心距能使电机的齿槽转矩和转矩波动明显削弱,并且电流源供电模式下电机的运行特性较好。     

Magnet shape optimization of five‐phase surface‐mounted permanent magnet machine to improve torque performance based on equivalent permanent magnet method

This paper studies the magnet shape optimization of a five‐phase surface‐mounted permanent magnet (PM) machine to improve its torque performance. First, a sinusoidal PM with third and fifth harmonics (sine + third + fifth PM) is presented to enhance the torque. An equivalent PM method is then proposed to avoid the complicated interface conditions between PM and the air gap, making the derivation of torques with magnet shapes using 2‐D analytical models possible. Besides, the influence of PM edge thickness on torque improvement is considered. Moreover, under the condition that the copper losses of machines with different magnet shapes are kept unchanged, optimal harmonics of sinusoidal PM with third harmonic (sine + third PM) and sine + third + fifth PM are analytically derived. Finite element (FE) analysis is performed to validate the equivalent PM method and analytical results. Finally, machines with sine + third PM, sine + third + fifth PM and conventional (without shaping) PM are comparatively studied using nonlinear FE analysis and the experimental results of machine with sine + third + fifth PM are presented, verifying the effectiveness of the analytical optimization of magnet shape. © 2015 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

电动汽车用双层永磁体IPMSM优化分析

提出一种电动汽车用双层永磁体内置式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronous machine,IPMSM),分析其基本电磁关系,进行优化分析。采用有限元分析软件建立电机结构模型,分析单边气隙长度不同时气隙磁密及谐波畸变率变化规律;研究了不同定子槽口宽度下电机齿槽转矩的变化趋势;通过改变第二层永磁体两侧隔磁桥间距Rib及第一层永磁体中间隔磁桥与转轴距离O2,获得电机输出转矩与转矩纹波的变化规律;分析双层永磁体尺寸变化时的电机效率,得到最优永磁体尺寸参数。样机试验表明:实测值与仿真值基本吻合,验证了样机设计的合理性。     

基于ANSOFT的表贴式永磁电机齿槽转矩的优化设计

在永磁电机设计中,由于永磁体和有槽电枢铁心的相互作用,会产生齿槽转矩,引起振动和噪声,影响电机的性能发挥。对于表贴式永磁电机,影响其齿槽转矩大小的因素有很多,本文用Ansoft Maxwell 2D软件对其进行建模,并结合遗传算法,对其极弧系数、永磁体厚度和极弧偏置等参数进行优化组合,最后对齿槽转矩的优化结果进行了仿真验证。     

大功率低速直驱永磁电动机动态转矩的时步有限元分析

低速直驱电动机具有极数多、每极每相槽数少的特点,由此产生的谐波对转矩特性影响很大.以36槽30极315 kW的低速永磁同步电动机为例,对其槽极配合和绕组系数进行了理论分析,然后采用时步有限元法对起动过程及稳态进行计算分析,获得考虑谐波影响的转矩特性,进而重点研究气隙大小及转子极靴部位开槽数对电机转矩的影响.结果可为进一步研制低速直驱永磁电机提供理论及技术支持.     

电动汽车用高功永磁同步电机设计与特性分析

针对传统内置式永磁同步电动机(PMSM)反电动势谐波含量高,转矩脉动大等缺点,提出一种高功率密度电动汽车用不等气隙永磁同步电机(UG-PMSM),通过气隙的不均匀特性,改善空载反电动势正弦特性.建立了UG-PMSM电机功率尺寸方程,利用二维有限元分析法,分析了空载永磁磁链、空载感应电动势、输出转矩、转矩脉动、齿槽转矩等静态特性,计算了UG-PMSM电感特性,在此基础上,研究了UG-PMSM过载能力与弱磁扩速范围.仿真分析结果验证了UG-PMSM高功率密度、高转矩密度、低转矩脉动等优点,适合应用于电动汽车驱动系统中.     

Electromagnetic Design and Analysis of a Novel Axial-Transverse Flux Permanent Magnet Synchronous Machine

This paper analyzes a novel hybrid axial-transverse flux permanent magnet (PM) synchronous motor achieving high torque density. The stator pole pitch and the rotor pole pitch are the same. The motor is suitable for vehicle traction systems. The new axial-transverse machine has a single-sided or double-sided air gap. The machine has two adjacent quasi-U stator cores with ring-type winding, and the rotor has two PM groups, one outer and one inner. The shape of quasi-U stator core allows changing the flux path without changing power supply polarity. The analytical expressions of the no-load back-EMF and the torque are derived, after the development of 3-D magnetic equivalent circuit (MEC) model. The 3-D finite element method (FEM) is used to analyze the magnetic field, torque, and cogging torque for different skewings of the PMs.     

Halbach永磁阵列无刷直流电机转矩的解析计算和分析

Halbach永磁阵列具有灵活配置电机气隙磁通密度、磁屏蔽的特点,将其用于无刷直流电机以增加电磁转矩、降低齿槽转矩。在保角变换求解电磁场基础上,给出无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩的解析计算模型,通过有限元仿真对该模型的准确性进行证明;使用该模型分析每极两块(1P2p)、每极三块(1P3p)Halbach永磁阵列中主磁钢弧角和辅磁钢充磁方向角对无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩的影响,对比分析径向充磁、平行充磁和Halbach永磁阵列的无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩随永磁体厚度的变化规律。分析结果表明,合理配置无刷直流电机Halbach永磁阵列中主磁钢弧角和辅磁钢充磁方向角可提高电磁转矩、降低齿槽转矩,当永磁体厚度增加时,Halbach永磁阵列更有利于电磁转矩增加。     

基于有限元方法的双定子永磁同步电机齿槽转矩研究

永磁电机不通电时永磁体与有槽电枢铁心之间相互作用,产生齿槽转矩,引起低速永磁电机起动困难.为了有效地削弱低速双定子稀土永磁同步电机齿槽转矩,在目前国内外永磁电机齿槽转矩研究基础上,建立了低速双定子稀土永磁同步电机齿槽转矩的解析表达式,针对表达式中影响齿槽转矩大小的一些因素,利用有限元方法进行了仿真分析,得到了影响齿槽转矩大小的变化规律,为电机最优设计提供重要依据.     

空间矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制

提出一种基于空间电压矢量调制的表贴式永磁同步电机直接转矩控制方法.基于表贴式永磁同步电机的数学模型,通过计算在一个控制周期内能同时精确补偿转矩误差和磁链误差的空间电压矢量,得出基于磁链与转矩的无差拍控制方法.相对于传统的永磁同步电机直接转矩控制方法,该方法能够明显减小磁链与转矩脉动,并且保持了传统直接转矩控制中转矩动态响应快的优点.不同于传统的永磁同步电机直接转矩控制方法,该方法由于使用了空间电压矢量调制,系统在不同工况下具有恒定的开关频率.仿真和实验结果验证了所提出方法的正确性和可行性.