确定自起动永磁电机最小转矩的时步有限元仿真实验方法

自起动永磁电机的最小转矩是评价其启动能力的一个重要指标,根据解析方法所得的光滑转矩-转速（T-s）曲线虽然可得到其具体数值,但其计算条件与实际起动过程差别很大;能够准确反映诸多实际影响因素的时步有限元计算得到的T-s曲线是急剧波动的曲线,据此难以获得最小转矩的具体数值。该文研究工作的目的在于,不对该转矩曲线进行人为处理而获得最小转矩。首先研究在什么计算条件下能得到反映出最小转矩影响的转矩曲线,揭示了在某些计算条件下可能出现的最小转矩被“淹没”的现象;进而提出用以确定最小转矩的优化加载时步有限元仿真实验方法。通过将实例计算所得转矩曲线与实测曲线对比,表明计算结果可信。     

自起动永磁电机初始状态对起动冲击电流和冲击转矩的影响

研究了转子初始位置、通电时刻对自起动永磁电机动态起动性能的影响。以一台22kW永磁电机为例,通过理论分析和时步有限元计算揭示了起动冲击转矩、冲击电流与转子初始位置及通电时刻的关系。结果发现,当定子电流非周期分量产生的静止磁场对永磁体磁场产生增磁作用时,可能出现十几倍的起动冲击转矩和冲击电流。通过不同初始状态下的起动电流和转矩的实测分析,验证了该结论的正确性。     

自起动稀土永磁电机断相运行时步有限元分析

为了研究自起动稀土永磁电动机断相后的运行特性,建立了断相运行的场一路一运动直接耦合时步有限元模型.以一台22 kW永磁电机为例,分析了其在30%和50%额定负载下断相前后的定子电流、转矩波动及损耗情况.计算结果表明,在负载转矩保持不变的条件下,断相后定子电流接近断相前的2倍,转矩发生大幅度波动,而总损耗分别增加32%和84%.因此,从减小损耗与转矩波动两方面考虑,自起动稀土永磁电机即使轻载工况下也应尽量避免断相运行.实测数据验证了计算结果的正确性.     

自起动永磁电动机的稳态转矩波动研究

由于自起动永磁电动机定转子双侧开槽、转子带有铸铝鼠笼,所以其谐波磁场比直流无刷电动机复杂.采用场-路-运动耦合的时步有限元方法对其稳态转矩波动现象进行研究,建立两种时步有限元计算模型对稳态转矩曲线进行分析.第一种模型包括转子运动方程,第二种模型不包括转子运动方程.分析表明采用两种模型计算谐波转矩的结果一致.采用第二种模型,通过加载基波或谐波电流,揭示了齿槽转矩、源于定子基波电流的谐波转矩及源于谐波电流的谐波转矩对稳态转矩波动的影响.通过与实测转矩对比验证了计算结果的正确性.     

自起动永磁电机起动冲击电流和转矩的场路耦合分析

建立了自起动永磁同步电机的场-路-运动耦合模型,给出控制电路与电磁场方程耦合的时步有限元分析方法,采用运动气隙边界法解决转子运动问题,与机械运动方程相结合,可对电机的瞬态过程进行准确计算.应用上述方法对一台15 kW内置径向W型自起动永磁同步电机进行计算,详细分析了不同通电时刻、转子位置、铁磁材料,以及永磁体磁场情况下的起动冲击电流和转矩,全面详尽地阐释了影响冲击电流和转矩的各个因素,为优化电机设计和起动过程打下基础.     

一种最大化平均转矩最小惯性永磁电机设计

本文设计了一种10极12槽表贴式永磁电机,其研究目的是在尽可能减小惯性的同时实现最大平均转矩。由于电机的惯性随电机转子的气隙和磁体跨度而变化,因此设置性能比（PR）以完成电机平均转矩和惯性的比较,然后在两者之间找到平衡。使用Magnet软件构建电机模型,通过改变转子的气隙和磁体跨度,可以得到不同的结果。通过比较,可以获得最佳的优化性能比（OPR）,这意味着能以最小的惯性产生最大的转矩。     

自起动永磁同步电动机齿槽转矩的研究

永磁电机中永磁体与有槽电枢铁心之间相互作用,产生齿槽转矩,引起电机振动和噪声.该文提出了一种针对自起动永磁同步电动机的解析分析方法,得到了齿槽转矩的解析表达式.基于所导出的表达式,根据产生机理的不同,将齿槽转矩各分量分为4类,对各类齿槽转矩的特点进行了分析,并研究了斜槽对各类齿槽转矩的影响,研究表明：与表面式永磁电机不同的是,在自起动永磁同步电动机中采用斜槽的方法不能消除所有的齿槽转矩.     

永磁电机铁心损耗的时步有限元时空离散策略

永磁同步电机运行时铁心损耗分布不均匀,在利用时步有限元进行计算时,空间离散密度的选取将对其计算精度造成影响。因此,首先利用时步有限元方法求得电机铁心中损耗的分布曲面,在此基础上通过插值计算的方法对该曲面不同离散情况下的误差进行预测分析,得出损耗误差随离散密度的变化规律,并针对转子涡流损耗计算中高次谐波所产生的混叠现象,对时间步长的选取进行了相关讨论;最后通过对比一台55kW永磁同步电机的仿真与实测结果,验证了该方法的合理性。     

自起动永磁电机在转子表层结构不对称条件下的堵转电流

为了研究转子表层磁路结构不对称对永磁电机堵转电流的影响,以一台22kW电机为例,利用时步有限元法,系统分析了计及表层磁路结构不对称及磁路附加饱和条件下的堵转电流特点.分析发现:当转子磁极d轴与某相绕组轴线重合时,该相电流有效值比其他两相高10%左右,且正负半波幅值相差接近10%.进一步揭示了转子表层结构不对称是导致三相堵转电流不对称的主要原因,而永磁体存在引起的附加饱和是导致堵转电流正负半波幅值不等的主要原因.通过堵转电流实测验证了分析的正确性.     

自起动永磁同步电动机堵转饱和效应的时步有限元分析

电动机的堵转电流是反映其起动性能的一项重要指标,对自起动稀土永磁同步电动机的大量实测过程中发现,其三相堵转电流的幅值明显不相等,且随转子堵转位置不同发生变化。本文以现场55kW样机为例,利用时步有限元方法对不同情况下的堵转起动进行计算,通过研究磁通密度的变化与分布,分析转子磁路结构不对称及永磁体引起的饱和对堵转电流的影响,揭示了造成永磁电机三相堵转电流幅值不等的主要原因在于永磁体所引起的饱和对各相磁路作用不均衡,即"堵转饱和效应"所导致。结合现场实测数据,对比转子不同位置、永磁体不同型号下堵转电流的计算结果,说明结论的合理性。     

自起动永磁同步电机转子铜耗分析的时步有限元优化离散策略

利用时步有限元方法对永磁同步电机进行转子铜耗分析计算时,由于空间中高次谐波磁场的作用,使得导条中的电流与损耗在集肤效应的影响下呈非均匀分布,于是有限元模性的空间离散方案将直接对计算精度产生影响。首先通过理论推导得出导条电流密度的解析表达式;在此基础上,通过建立不同形式的目标函数,研究等间距与不等间距条件下离散密度对于损耗计算精度的影响,及其所对应的最优离散方案;最后,针对转子实际槽形结构,在考虑交界面处强制引入节点的约束条件下,提出了采用分区域循环引用最优离散点的方法,求解全局优化离散策略。通过与时步有限元计算结果进行对比,验证了方法的合理性。     

阶梯气隙结构对U型单相永磁电机自起动性能的影响

针时单相永磁同步电机不能自行起动的问题,采用阶梯气隙结构,使电机静止时在定位转矩的作用下定转子磁场之间存在相位差角,从而实现自起动.利用二维有限元计算的方法,分析阶梯气隙结构对电机电枢磁场和永磁体磁场的影响.针对永磁磁场,利用虚位移法对电机转子在不同位置时的定位转矩进行计算,求得永磁电机的转子初始相位角.得到一系列有关定位转矩、初始相位角与阶梯气隙结构参数之间的关系曲线.利用时步有限元法对U型单相永磁同步电机的起动过程进行动态模拟仿真,通过转速曲线证明了合理的阶梯气隙结构有利于永磁电机实现自起动.     

基于田口法的双余度永磁同步电机优化设计

双余度永磁同步电机有两个余度单元,具有容错率高、体积小、功率密度大等特点,在航空航天、国防、机器人等领域得到广泛应用。针对双余度电机的多目标优化设计问题,基于其典型工作模式,提出二次田口法迭代的多目标优化设计方法。首先,依据双余度度永磁同步电机的应用需求,确定优化目标参数;在初始设计参数基础上,筛选出对目标优化参数影响大的尺寸参数作为优化因子。其次,首次应用田口法筛选出双余度模式下的准最优参数;进而在单余度模式下再次应用田口法对准最优参数进行二次优化;综合两次优化结果确定最终优化参数。最后,通过有限元仿真分析对优化前后的目标参数变化进行验证分析,证明了所提出方法的有效性,也拓宽了对于该类电机的多目标优化设计思路。     

永磁体不对称放置削弱内置式永磁同步电动机齿槽转矩

针对内置切向式转子结构磁极偏移时,每极磁密的大小和分布都不相同的问题,基于解析法研究了偏移角度的确定方法.与表面式永磁电机不同,内置切向式结构在永磁体不对称时,每极极弧宽度会发生变化,影响每极磁密的大小和分布,两者都对齿槽转矩有影响,因此确定永磁体位置时须考虑两者的影响.基于内置式永磁同步电动机齿槽转矩解析表达式,分析每极磁密大小与分布对齿槽转矩的影响,研究磁极偏移角度的确定方法,并与表面式永磁电机磁极偏移角度进行了对比.采用有限元法计算不同偏移角度对齿槽转矩有影响的磁密谐波和齿槽转矩,有限元计算结果表明,由于考虑了磁极偏移对每极磁密的影响,磁极偏移能有效地削弱齿槽转矩.     

三相异步起动永磁同步电动机起动特性

针对永磁电机牵入同步困难的问题,依据永磁电机基本原理和电磁场理论,对异步起动永磁同步电动机的起动性能进行了研究。以一台18．5kW6极切向式三相异步起动永磁同步电动机为例,建立永磁电动机起动过程的数学模型,给出了求解域和假定条件下的有限元方程,采用场路结合法计算了异步起动永磁同步电动机的瞬态电磁场,分析了样机的起动过程及隔磁磁桥尺寸变化和绕组排列不同对电机起动性能的影响。通过样机对模型仿真分析可知,样机具有较好的起动性能,能快速牵入同步转速,采用单双层绕组时起动性能要比采用双层绕组时的起动性能好;隔磁磁桥尺寸对电机的起动性能影响很大,其过大或过小都会使起动性能变差,不利于牵入同步转速。     

车用永磁同步磁阻电机转子的优化设计

永磁同步磁阻电机充分利用磁阻转矩,有效提高了电机功率密度和降低电机成本。本文首先对永磁电机的磁阻转矩影响因素进行分析,建立了3种不同结构转子模型,利用二维有限元法对电机的重要参数进行了计算和对比分析。综合比较后,对其中一种转子结构进行了优化,通过调整直轴和交轴磁路,提高了电机磁阻转矩的比例及弱磁性能。     

不等宽永磁体削弱表面永磁电机齿槽转矩方法

与现有的改变永磁磁极极弧系数和不同极弧系数组合的齿槽转矩削弱方法不同,研究了一种新的改变极弧系数的方法削弱表面永磁电机的齿槽转矩。在该方法中,除一块磁极外,其它磁极的宽度都相同,利用解析法推导了在保证永磁体用量不变的情况下,改变极弧系数时齿槽转矩的表达式,给出了极弧系数的确定方法,并利用两台电机进行了有限元法分析。仿真结果表明:所给出的极弧系数确定方法可有效地削弱每极整数槽的表面式三相永磁同步电动机的齿槽转矩。     

异步起动永磁同步电动机起动过程中永磁体平均工作点的解析计算

针对采用时步有限元法研究异步起动永磁同步电动机起动过程中永磁体工作点的变化时存在计算时间长、不适合电机设计阶段的快速计算的问题,通过将异步起动永磁同步电动机的动态数学模型和磁路计算模型结合,建立了异步起动永磁同步电动机起动过程中永磁体平均工作点的解析计算模型。利用该解析计算模型计算了3台样机起动过程中永磁体平均工作点的变化,分别得到了电机起动过程中最大退磁磁场出现时的永磁体平均工作点和电机稳定运行时的永磁体平均工作点。通过与有限元法的计算结果作比较,验证了该解析计算模型的准确性,可为该类电机的快速设计提供参考。     

电枢槽口宽度对内置式永磁同步电机齿槽转矩的影响

为了兼顾准确性与计算时间,采用解析法和有限元法结合研究槽口宽度对内置式永磁电机齿槽转矩的影响.解析法确定了对齿槽转矩有影响的气隙磁导平方的傅里叶分解次数,采用有限元法计算槽口宽度变化对该傅里叶分解次数的影响.计算表明,该傅里叶分解次数与齿槽转矩的幅值随槽口宽度有相同的变化规律,能够减小该气隙磁导平方的傅里叶分解次数的槽...