无轴承交替极永磁电机悬浮绕组及其特性研究

为研究悬浮绕组结构及其磁势空间谐波对无轴承交替极永磁电机悬浮特性的影响,在计及悬浮磁势空间谐波条件下,推导了电机悬浮力表达式。同时,定义径向力/电流刚度、径向力脉动率和径向自由度最大耦合率等3个参数量化分析径向力特性。在此基础上,在相同定转子结构下,研究了集中式、分布式、环形式以及带辅助线圈的集中式等4种悬浮绕组结构,并对各悬浮绕组磁势空间谐波及其影响进行分析。从降低悬浮磁势空间谐波和提高悬浮性能角度出发,提出一种带辅助线圈的集中式绕组以及悬浮磁势总谐波畸变最小的辅助线圈绕组系数优化方法。通过有限元分析,定量研究4种悬浮绕组结构下的悬浮特性,从而量化悬浮磁势空间谐波含量与悬浮特性的关系,为无轴承交替极永磁电机悬浮系统设计提供指导。     

无轴承交替极永磁电机集中式悬浮绕组结构及其优化设计方法

在一台12槽8极无轴承交替极永磁电机上研究了集中式悬浮绕组结构对电机悬浮性能的影响,研究并提出能够提高悬浮性能的绕组结构及优化方法。首先,分析两相和三相传统集中式绕组径向存在较强耦合关系的原因。其次,研究一种带辅助线圈的三相改进集中式绕组结构,并提出一种带辅助线圈的两相改进集中式绕组结构以验证两相绕组经优化改进作为悬浮绕组的可能性。然后,为优化改进集中式悬浮绕组结构,研究了基于悬浮力解析的绕组优化法。但该方法优化过程复杂,从简化绕组优化设计过程角度,提出基于悬浮磁动势总谐波畸变最小的绕组优化法。最后,将两种绕组优化法用于两相和三相改进集中式悬浮绕组的优化中,理论和有限元分析结果表明本文所提优化方法的有效性。     

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。     

Halbach阵列无轴承永磁电机有限元分析

针对气隙磁密对无轴承永磁电机可靠性、转矩脉动及径向悬浮力的影响,提出了Halbach阵列永磁转子结构。从无轴承永磁电机的转子结构出发,对常规面贴式永磁转子和Halbach阵列永磁转子进行了比较分析,并用Ansoft进行了有限元分析,得出了两种不同转子结构的磁力线分布图及气隙磁密波形,分别对两种转子结构的无轴承永磁电机的径向悬浮力与悬浮力绕组电流的关系进行了对比。分析结果表明:Halbach阵列应用在无轴承永磁电机中能显著提高气隙磁密及其正弦特性,增大径向悬浮力。Halbach阵列应用于无轴承永磁电机具有可行性和可靠性。     

基于定子磁障的分数槽集中绕组永磁同步电机应用设计与分析

分数槽集中式绕组（FSCW）存在谐波含量大的缺点,易引起定转子铁心损耗和振动噪声问题,限制了其在高端领域的应用。以采用FSCW的12槽14极永磁同步电机(PMSM)为研究对象,使用有限元软件进行仿真,分析定子非绕线齿中的磁障对磁动势谐波、电磁转矩、铁心损耗及径向电磁力的影响,并与传统永磁电机进行对比。仿真结果表明,采用定子磁障的电机能够有效降低绕组磁动势低次谐波,1、3、5次谐波分别下降了87%、84%和30%,铁心损耗减小了21.1%,低阶径向电磁力减小了20%以上,实现了对噪声和振动的有效抑制。     

星–三角接法的多层绕组分数槽永磁电机谐波磁动势分析

为解决分数槽永磁电机电枢绕组磁动势中存在高幅值低次谐波这一难题,该文对多层绕组采用星-三角(Y-(35))接法的分数槽集中绕组永磁电机进行理论分析,推导出适用于任意匝数比例、机械角度差的谐波磁动势计算方法,并由三相电机推广到m相分数槽永磁电机。基于该方法,该文进一步以10极12槽分数槽永磁电机为例,研究如何利用Y-(35)接法的多层绕组结构抑制高幅值低次谐波磁动势的方法,并给出其绕组匝数比例、偏移角度的关系表达式。最后,利用有限元软件建立不同绕组层数、不同接法的三相10极12槽永磁电机的二维有限元模型。仿真结果表明,当多层绕组分数槽永磁电机采用给定的绕组匝数比和偏移角度的Y-(35)接法绕组时,可以有效抑制低次高幅值谐波,减少分数槽永磁电机中铁心和永磁体涡流损耗,提高电机的运行性能。     

无轴承永磁同步电机有限元分析

无轴承永磁电机径向悬浮力与电机绕组结构、永磁体厚度及悬浮力绕组中电流等存在着复杂关系，研究这些关系对电机优化设计具有重要参考价值。该文在介绍了无轴承永磁同步电机径向悬浮力产生原理基础上，推导了径向悬浮力数学模型。用有限元分析和计算方法，讨论了无轴承永磁同步电机在定子绕组相应等效电流作用下，改变径向悬浮力绕组中的电流，电机气隙磁路分布状况；在电机气隙不变，改变永磁体厚度，计算和分析了径向悬浮力与永磁体厚度之间的关系；在电机转矩绕组极对数pM=2不变的情况下，对径向悬浮力绕组采用一对极pB=1和三对极pB=2方式绕制，计算和比较产生的径向悬浮力和麦克斯韦力大小。对pM=2，pB=3的实验样机，在静态悬浮状态下，测试了径向悬浮力和径向悬浮力绕组电流之间的关系，实验结论验证了ANSYS软件计算结果的正确性。     

无轴承交替极永磁电机磁极形状优化设计

为了优化无轴承交替极永磁电机性能,从转子结构入手分析交替极转子结构及绕组形式对空载反电势、齿槽转矩等空载特性的影响,提出一种转子磁极离心的磁极形状优化设计方法。通过对比磁极优化前后空载和负载性能发现磁极形状优化对抑制反电势谐波、减小齿槽转、降低转矩脉动等具有积极意义,但同时也导致平均转矩和平均悬浮力的损失。为弥补平均转矩和悬浮力损失,提出采用适当增加转子外径、减小气隙长度的设计方法。最后利用有限元分析对比结构优化前后的基本电磁特性,电机转矩常数由0.155 N·m/A升至0.181 N·m/A,转矩脉动由30.4%降为12.1%;额定悬浮力由14.6 N升至23 N,悬浮力脉动由8%降为7.8%,最大径向耦合由7%升至7.7%。     

多相分数槽集中绕组表贴式永磁电机谐波电流的确定及其影响

以一台20槽22极的五相分数槽集中绕组表贴式永磁电机为例进行分析。在保持电流有效值不变的前提下,以获得最大平均转矩为目标,采用解析法确定谐波电流分量,并通过有限元法得到验证。此外,对比分析电机在谐波电流注入前后电磁转矩、绕组磁动势、气隙磁密、涡流损耗、径向力波等性能的变化。分析表明,注入谐波电流后电机绕组磁动势出现新的谐波分量(包括低次分量),并导致涡流损耗和最低次径向力波含量增加。分析结果揭示了多相永磁电机设计的重点,为该类电机的设计提供参考。     

新型定子永磁型无轴承电机电磁特性分析

本文提出了一种将悬浮绕组、电枢绕组、永磁体都置于定子,转子上既无绕组又无永磁体的新型定子永磁型无轴承电机(SPMBM)。本文分析了三相12/8 SPMBM的拓扑结构和悬浮工作原理,基于Ansoft有限元分析软件建立了电机模型,详细分析了磁场分布,气隙磁密,径向悬浮力和电磁转矩等电磁特性。计算了径向悬浮力和悬浮电流及转子位置之间的关系,仿真结果表明SPMBM有良好的悬浮和旋转特性,该结果为进一步电机结构优化和控制奠定了理论基础。     

磁障结构对分数槽集中绕组电机涡流损耗的影响分析

采用绕组函数法对分数槽集中绕组永磁同步电机的绕组系数和磁动势进行分析,得到绕组系数和磁动势的频谱图和分布规律。分析了引起电机涡流损耗的主要的空间谐波,对比了四种不同磁障结构对绕组激励空间谐波削弱作用。在此基础上提出了一种新的磁障结构,分析了此结构对绕组激励空间谐波、电机转子涡流及永磁体涡流损耗的削弱作用。     

交替极无轴承永磁电机的悬浮力脉动分析

Cosequent-Pole无轴承永磁电机的悬浮力与转子转角本质上是无关的，其控制系统因此得以简化，但考虑到谐波因素时，其引起的悬浮力脉动对于系统的悬浮性能产生了不利影响。该文推导了计及谐波的悬浮力统一公式，并以有限元分析对其进行了验证，指出了不同极对数时，产生的悬浮力脉动的情况及原因，并提出了抑制悬浮力脉动的方法，为交替极无轴承永磁电机的设计和优化提供了理论指导。     

无轴承永磁薄片电机的新型单绕组结构及其精确控制

针对双绕组无轴承永磁薄片电机绕组间绝缘要求高、槽满率低、电机漏磁大等缺点,提出了一种新型单绕组无轴承永磁薄片电机(M-BPMSM)结构,在每相绕组端部通入转矩电流,同时在绕组中点处注入悬浮力电流,实现薄片转子的旋转和悬浮。阐述了M-BPMSM的悬浮力产生原理,推导了其径向悬浮力的精确数学模型。在该模型的基础上建立了一种悬浮力双闭环补偿控制策略,当电机负载变化导致悬浮力幅值和方向改变时,使用该策略可以对径向悬浮力进行补偿,实现悬浮力的精确控制。利用MATLAB软件构建了仿真系统,仿真结果表明:采用悬浮力双闭环补偿控制策略对M-BPMSM进行控制,径向悬浮力具有较高的控制精度和较快的响应速度,且具有良好的动、静态性能。     

无轴承永磁薄片电机不同转子结构的对比研究

转子结构影响电机的气隙磁通密度,从而影响无轴承永磁薄片电机可控性、转矩脉动以及径向悬浮力等性能。本文从无轴承永磁薄片电机不同的永磁转子结构(表贴式、表面嵌入式、Halbach阵列以及平行充磁环形转子)出发,对其机械强度、磁场分布等进行对比分析。基于麦克斯韦张量法提出了无轴承永磁薄片电机在任意极对数下的数学模型,运用Ansoft对其计算精度进行验证分析,并对具有不同永磁转子结构的无轴承永磁薄片电机径向悬浮力与悬浮力绕组电流之间的关系进行对比分析,得到不同永磁转子结构的优缺点。样机试验验证了仿真结果的正确性,研究结果对无轴承永磁薄片电机转子的参数优化设计具有参考价值。     

无轴承薄片转子永磁电动机有限元分析

无轴承薄片转子永磁电动机在特殊的液体传输领域具有广泛的应用前景.本文首先介绍了电动机的工作原理,推导了电机的径向悬浮力数学模型;然后用有限元Ansys软件,分析了电机转矩绕组和径向悬浮力绕组分别产生的磁场以及合成磁场的分布情况,来验证径向悬浮力产生的原理.最后分析计算了电机在转矩绕组电流不变时径向悬浮力和径向悬浮力绕组中电流的关系;并分析了在气隙不变时径向悬浮力与永磁体厚度之间的关系,以及在永磁体厚度不变的条件下,径向悬浮力和气隙大小之间的关系.研究结果对无轴承永磁薄片转子电机的优化设计具有参考价值.     

三次谐波注入式五相无轴承永磁同步电机转矩和悬浮力性能优化

气隙磁动势谐波次数较多,且旋转方向不同,其相互作用关系对悬浮力的影响是多相无轴承电机研究的一大难点。为解决这一问题,该文提出一种谐波注入式五相无轴承永磁同步电机,将传统电机马鞍形永磁体的优点引入到无轴承电机中。以10槽8极结构为例,基于绕组函数法建立电枢绕组的定子磁动势数学模型;为获取最大平均转矩,计算马鞍形永磁体中3次谐波的最优比率;在分析定、转子气隙磁动势谐波分布的基础上阐述悬浮力的产生原理,并利用磁链等效虚拟绕组电流法分析谐波之间的相互作用对主悬浮力的影响;采用有限元法对不同永磁体形状的电机性能进行对比;设计马鞍形和正弦形永磁体结构的样机,通过对比试验验证理论分析的正确性。     

磁路饱和对无轴承永磁电动机悬浮力的影响

无轴承永磁电动机磁路饱和趋势较传统电机严重,对径向悬浮力有较大影响.运用有限元数值计算方法,对一台无轴承永磁电动机在不同磁路饱和状态下的径向悬浮力进行分析计算,得出径向悬浮力随悬浮绕组电流变化规律受磁路饱和的影响关系,其结论为描述无轴承永磁电动机非线性模型奠定了基础,对电机的优化设计和提高悬浮力控制精度有较好的指导意义.     

无轴承永磁同步电机悬浮力的有限元分析

本文介绍了无轴承永磁同步电机径向悬浮力产生原理,推导了径向悬浮力数学模型。用有限元分析和计算方法,对设计的一台4极转矩绕组2极悬浮绕组的无轴承永磁同步电机的内部磁场和径向悬浮力进行分析。讨论了转子未偏心和偏心时悬浮电流变化对悬浮力的影响。通过悬浮力模型与有限元分析的悬浮力计算比较,验证了悬浮力解析模型中对偏心、悬浮绕组电流等因素的影响规律描述的正确性。为无轴承永磁同步电机的电磁设计和优化以及悬浮力控制策略的提出提供依据。     

不同定子绕组结构五相感应电机开路故障时性能对比分析

为研究不同绕组结构对五相电机的影响,在现行单绕组及星形-五边形组合绕组的基础上,该文提出三种新型组合绕组:五边形-星形绕组、五角星-星形绕组与星形-五角星绕组.首先,建立绕组磁动势模型与电压不平衡系数(VUF)计算模型,利用有限元方法计算电机绕组磁动势(MMF)谐波含量、电压不平衡系数.其次,制作15kW五相感应电机,...     

多层分数槽集中绕组的谐波磁动势分析

分数槽集中绕组的绕线工艺简单,有利于电机加工时绕组的模块化设计,但气隙谐波磁动势大的弊端使其在制造领域无法广泛应用。多层绕组结构通过改变绕组系数从而降低了气隙中的低次谐波磁动势。阐述了双层绕组结构下的槽电动势星形图与绕组接线图,分析了各次谐波的绕组系数。在双层绕组的基础上研究了一种多层绕组结构,推导了不同绕组结构之间绕组系数的关系。研究结果表明多层绕组的结构可有效抑制低次谐波磁动势。