同步磁阻电机转子结构优化设计

同步磁阻电机(SynRM)具有效率高、成本低、结构简单等优点,但其存在转矩脉动大等问题,会影响电机的平稳运行。为了降低SynRM的转矩脉动,需要对转子结构进行优化。以一台22 kW四极的SynRM为例,采用田口法对不同电流负载下的SynRM转子结构进行优化。确定SynRM的转子拓扑,探究SynRM转子结构的关键参数对转矩性能的影响,初步确定转子关键参数的范围。利用田口法对不同电流负载下的电机进行试验分析,得到最优转子结构参数组合,利用有限元仿真验证优化结果。为了增强转子的机械强度,在转子结构中添加径向磁桥,探究径向磁桥对电机转矩性能的影响。     

同步磁阻电机分析与设计(连载之六) 转子均匀分布磁障的参数优化

本文对磁障均匀分布的同步磁阻电机的转子参数提出了统一的表达形式,提出约束转子尺寸的3个主要参数,即磁障层数、每对极下虚拟磁障边端个数和隔磁层占有率。以有限元法分析转子主要参数对平均转矩和转矩脉动的影响,表明通过磁障层数和每对极下虚拟磁障边端个数的优化配合可以获得较大的平均转矩,通过每对极下虚拟磁障边端个数和电机极槽比的合理配合可以获得较小的转矩脉动,当隔磁层占有率设计为0.5~0.55时能获得较大平均转矩和较小转矩脉动,从而实现了以少量参数的优化获得较优的电机性能。     

磁障渐变同步磁阻电机低转矩脉动转子优化设计

以横向叠片转子同步磁阻电机(TLR-Syn RM)为研究对象,提出了一种绝缘磁障渐变型转子结构。首先,在保证各层绝缘磁障直线段与圆弧曲线段宽度相等的条件下,分析绝缘磁障"渐变"的几何特征,推导出在较小转矩脉动下,各结构参数间所满足的解析表达式。其次,在解析法所设计的初始电机模型基础上,结合有限元法和二维等高线分析法获得结构参数与转矩脉动的函数关系,为采用Taguchi法的水准选取提供可靠依据。再次,利用Taguchi法建立正交表、设计正交试验,优化调整电机结构参数,寻求低转矩脉动的最优解。最后,根据所提出的方案设计并研制了实验样机,仿真和样机试验表明,该绝缘磁障渐变型转子结构可以有效地抑制电机的高转矩脉动,验证了优化设计方案的可行性。     

同步磁阻电机分析与设计(连载之七) 转子不均匀分布磁障的对比分析

本文研究同步磁阻电机两种典型磁障形状(U型与C型)的转子优化设计参数。对比这两种不同形状磁障结构对同步磁阻电机性能的影响。通过对两种形状磁障参数全局优化,比较其各自所能获得的最大输出转矩和转矩脉动。针对两台优化了的U型和C型磁障转子的同步磁阻电机,分析比较磁密分布、铁耗、效率、功率因数及转子应力分布。讨论磁障层数对不均匀分布磁障的同步磁阻电机的转矩性能影响,并总结不同磁障层数选择下采用均匀分布磁障和不均匀分布磁障的优势与劣势。     

低转矩脉动同步磁阻电机磁障形状分析与优化设计

同步磁阻电机因其结构简单、调速范围宽,且无需永磁体励磁,与永磁同步电机相比具有成本低、可靠性高等优势。与此同时,同步磁阻电机存在转矩脉动较大和功率因数较低等缺点。针对同步磁阻电机转矩脉动高的问题,提出一种形状优化方法对同步磁阻电机的转子磁障形状进行优化,以降低其转矩脉动。首先提出分段线性插值方法确定转子磁障的边界,使获得的同步磁阻电机磁障形状具有任意性。然后结合序贯田口法和拟牛顿法对同步磁阻电机进行优化,进而减少优化所需时长。最后以降低转矩脉动和提高平均输出转矩为目标,对同步磁阻电机进行优化,与传统同步磁阻电机对比结果表明,应用所提出方法获得的磁障形状能够有效降低同步磁阻电机的转矩脉动。     

辅磁同步磁阻电动机低转矩脉动下转子结构优化

为获得永磁辅助同步磁阻电动机(PMaSynRM)高质量转矩和低转矩脉动,主要对电机转子的几何结构进行设计与优化,展现了一种新的电机设计概念和运行模型。对磁障段内多段永磁体的宽度和磁障间软磁材料宽度通过d,q轴的气隙磁势基波分量及其相应的磁通量分布来实现,通过改变磁障夹角,获得最优化转矩脉动与转矩质量。最后运用等效磁路法预测开路气隙磁通密度分布,通过有限元分析模拟得以验证。     

新型同步磁阻电机星形转子结构设计与分析

针对同步磁阻电机转矩脉动大、平均转矩低的问题,提出一种星形转子结构,该结构与传统圆形转子结构相比,增大了转子气隙磁障末端与q轴的夹角,改变了气隙磁密的分布,可以减小转矩脉动,增大输出转矩。描述了星形曲线的形成过程,推导了星形曲线方程,得到参数方程参数角与磁障末端角的数学关系,为后续研究提供理论基础。基于等效磁路法建立了气隙磁密模型,进而可以得到转矩预测模型,并通过解析法和有限元进行对比,验证了磁路模型的有效性与正确性。通过有限元仿真,对星形转子结构同步磁阻电机和传统圆形转子结构同步磁阻电机进行性能对比分析,结果表明前者的铁耗小,气隙磁密波形谐波畸变率小,正弦化程度高,输出转矩大及转矩脉动小,验证了星形转子结构的可行性。     

大功率永磁辅助同步磁阻牵引电机磁极优化

永磁牵引系统是下一代轨道交通的发展方向,但高速惰行、带速重投和匝间短路等难题阻碍了永磁牵引的应用,永磁辅助同步磁阻电机是解决上述难题的最佳选择。总结了永磁辅助同步磁阻电机的设计方法,设计了3层U型磁障大功率牵引驱动电机,给出了各层磁障对应的极弧系数和磁障张角以及永磁体最佳尺寸比。提出用偏心气隙结合不均匀磁桥对磁极结构进行优化。发现气隙比为1.63时,抑制转矩脉动的效果最佳;而不均匀磁桥不仅可以降低转矩脉动,还使转子的机械强度得到提高。对所设计的380 kW永磁辅助同步磁阻牵引电机的分析表明,所提出的方法可有效地降低转矩脉动。     

低转矩脉动铁氧体永磁同步磁阻电机设计与分析

铁氧体永磁同步磁阻电机的转矩成分主要为磁阻转矩,其设计特点与钕铁硼永磁同步电机有较大差别。分析了永磁同步磁阻电机的数学模型和转矩脉动来源,并以此为理论依据,对极槽配合、转子磁障结构和等量铁氧体放置方案进行了选择和设计。对得到的转矩脉动较低的两个铁氧体放置方案,对比分析了其相关电磁性能,最终得到的转子结构可兼顾转矩脉动低、功率密度高等优点。     

一种同步磁阻电机凸极比的解析计算方法

凸极比是影响同步磁阻电机功率因数和转矩性能的关键参数,本文提出了一种基于等效磁路法的同步磁阻电机交直轴电感和凸极比分析计算方法,可以分析转子磁障结构改变对凸极比和电机性能的影响,快速进行同步磁阻电机的转子结构优化设计。为验证磁路法的可靠性和准确性,论文采用有限元法对一台30 kW同步磁阻电机进行了仿真分析,计算电机在不同转子磁障层数、不同磁障宽度、不同径向磁桥数量时的交直轴电感值、凸极比和输出转矩,并与磁路法得出的结论进行了对比。     

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。     

基于不等磁极组合的外转子内置式永磁同步电机转矩脉动抑制研究

转矩脉动是影响电机性能的重要因素。针对常规的内置式永磁电机转矩脉动较大的问题,提出了一种保持永磁体总量不变的不等磁极组合方法,使某一磁极的极弧长度与其他磁极不同来抑制转矩脉动,给出了详细推导过程和磁极参数确定方法,并与斜槽结构做了性能对比。针对外转子内置式结构,对比分析了隔磁桥和磁障两种隔磁措施,建立了有限元模型对其进行仿真验证。最终研制了一台55 kW,2 500 r/min的样机,试验数据与仿真结果相吻合,验证了所提方法对齿槽转矩和反电动势谐波有着显著削弱效果,能够有效抑制转矩脉动,提高电机性能,具有一定工程实际意义。     

减小转矩波动的内置式永磁同步电机空气隔磁槽优化设计

内置式永磁同步电机转矩波动的存在影响电机系统的控制精度,因此如何减小电机转矩波动一直是研究热点。针对具有隔磁桥结构的内置式永磁同步电机,本文提出了一种减小内置式永磁电机转矩波动的空气隔磁槽优化设计方法,即以降低电机转矩波动为优化目标,以空气隔磁槽结构几何参数为优化变量,基于Taguchi法实现了内置式永磁同步电机低转矩波动设计。在此基础上,对优化前后电机空载和额定负载工况进行了有限元仿真对比分析。结果表明,所提出方法可以在保持额定输出转矩不变的前提下有效降低电机空载齿槽转矩和负载转矩波动,提高电机的性能。     

Evaluation of third harmonic component effects in five-phasesynchronous reluctance motor drive using time-stepping finite-elementmethod

Interaction of the third harmonic magnetic field with the third harmonic current in a five-phase synchronous reluctance motor (SynRM) can produce additional torque. However, it is still not clear about the SynRM power factor and its impact on the associated power converter because of the third harmonic components. Using time-stepping finite-element method, a mathematical model of the SynRM, which allows any desired harmonic component in computation, is presented. Performance of the five-phase SynRM with two rotor structures has been computed. The study finds that contribution of the third harmonic current to the output torque depends on the rotor structures. It is also shown that the required terminal voltage to regulate the desired current waveform is substantially increased, a result not reported before     

宽转子无轴承开关磁阻电机的转子极形优化

为了解决宽转子无轴承开关磁阻电机由于开关型供电方式以及双凸极铁心结构在运行过程中容易导致转矩脉动很大的问题,本文对其转子极结构进行改进,提出在转子极两侧开槽的优化设计方案。旨在通过增大开槽处的气隙磁阻,提高用于产生转矩的切向分量的气隙磁密,从而降低转矩脉动。对所开槽进行参数化处理,使用控制变量法分析各开槽参数对转矩性能的影响,以性能指标最优为目标确定开槽参数。利用场路耦合的方法将电机有限元分析模型和直接瞬时转矩控制电路模型结合起来,实现电机系统的动态运行。仿真结果表明转子极开槽后能够有效降低宽转子无轴承开关磁阻电机的转矩脉动,提升平均转矩,并且对径向悬浮力的影响很小。     

基于遗传算法的车用永磁电机转子尺寸多目标优化设计

新能源汽车(NEV)驱动电机对于转矩密度、功率密度、转矩脉动、振动噪声和高效率区间等参数有着较为严格的性能要求。转子拓扑及其结构尺寸直接影响电机的磁场大小、磁场分布和谐波磁场含量,对于汽车电机性能起着重要影响。针对该类电机多工况多性能参数的特点,利用有限元软件建立主要工况的电磁场计算模型,确定需要优化的转子结构尺寸。根据车用电机的主要性能指标,以转矩脉动、齿槽转矩、气隙反电动势谐波畸变率和输出转矩作为优化目标,根据不同工况性能需求定义目标函数,选择遗传算法作为多目标优化设计算法,再根据优化计算结果进行方案筛选,最终确定电机的最优转子尺寸。该优化设计方法可快速确定车用永磁电机的最优电磁设计方案,丰富了该类电机的高效优化设计途径。     

基于转子形状优化设计的三次谐波注入式五相IPMSM气隙磁场优化

五相永磁同步电机(PMSM)可通过注入三次谐波电流来提高电机的转矩密度。除三次谐波外,削弱永磁体产生的其他次空间谐波可以降低电机的转矩脉动、减小电机的振动和噪声。因此,针对三次谐波注入式五相内嵌式永磁同步电机(IPMSM),提出一种转子铁心形状优化设计方法。理论推导转子铁心形状的解析表达式,根据电机参数进行有限元建模,得到优化后的电机模型气隙磁密谐波含量及转矩脉动。与优化前的电机模型进行仿真对比,得到的结果与理论分析吻合,气隙磁场优化效果显著。