基于次级错齿的C型铁心双边直线永磁开关磁链电机

直线永磁开关磁链电机(LFSPM)适合长次级直线驱动场合,这是由于永磁体和电枢绕组都在短初级,而长次级结构简单可靠性高。很多应用场合都要求电机具有高推力,但往往也需要低的推力脉动。为此,对1台双边C型铁心的直线永磁开关磁链电机(DSLFSPM-C)进行研究和改进。利用有限元软件先对电机进行推力优化,然后为了在不影响平均推力的情况下有效地减小推力脉动,分别利用次级错齿和端部永磁体两种结构对电机进行了改进。分析结果表明,改进后的DSLFSPM-C具有相对较低的法向力、高的推力输出以及较低的推力脉动。     

次级斜槽双永磁体励磁直线永磁磁通切换电机

直线永磁磁通切换电机(LFSPM)在诸如城市轨道交通,智能电梯和海浪发电等许多应用场合中都具有巨大的潜力。研究了一种双永磁体励磁的直线永磁磁通切换电机(DLFSPM),该电机通过提高永磁体和硅钢片的利用率来提高推力输出能力。利用有限元软件先对DLFSPM电机和传统结构12/14极直线电机进行推力优化,然后比较两者的平均推力,发现DLFSPM电机具有更高的推力密度。然而,较大的定位力会限制DLFSPM电机的应用场合。因此,对该电机进行改进来减小其定位力。利用次级分段斜槽结构来抑制其定位力。有限元仿真结果表明,次级分段斜槽结构可以有效的减小DLFSPM电机的定位力。     

轨道交通用次级分段型直线磁通切换永磁电机研究

基于城市轨道交通直线牵引系统,已有研究成果综合比较了直线感应电机(LIM)和次级齿槽型直线磁通切换永磁(LFSPM)电机,结果表明次级齿槽型LFSPM电机具有推力密度大、效率高和功率因数高等优点。然而,其次级为齿槽结构,如应用于轨道交通等长距离驱动系统时,则会增加次级体积及材料和加工成本。为了进一步降低次级成本,该文首先提出一种次级分段型LFSPM电机拓扑结构,该电机次级无轭部,仅由分段导磁块组成,次级材料体积小、成本低。通过对该电机的气隙磁场进行谐波分析,推导了推力产生的机理。然后在直线电机驱动地铁的实际尺寸及运行工况条件下,建立了该电机的二维有限元仿真模型,并对关键参数进行了优化。最后,在最优结构的基础上,结合广州地铁4号线,对比分析了该电机和LIM的系统成本和能耗。为该类电机在轨道交通直线牵引系统实际应用奠定了理论基础和设计参考。     

一种基于非线性反馈重复控制策略的磁通切换直线电机推力波动抑制方法

针对初级永磁型磁通切换直线(LFSPM)电机,研究其定动子双凸极结构引起的与位移相关的定位力、摩擦力及参数变化等不确定性对伺服系统的影响,提出一种基于非线性反馈的重复控制策略。首先,在分析LFSPM电机定位力的基础上,通过设计重复控制器对定位力引起的推力波动进行抑制;随后设计非线性反馈控制器,对因摩擦力及参数变化等不确定性因素引起的推力波动进行补偿,同时使逼近误差随周期数的累加而呈现减小的趋势,保证了系统的全局渐近稳定性。最后,通过AD5435半实物系统搭建了控制模型,实验结果表明,该控制方案有效抑制了因定位力及其他不确定因素引起的推力波动。     

一种基于分段定子的直线永磁磁通切换电机结构及其优化方法

直线永磁磁通切换(LFSPM)电机动子结构简单,功率密度高,以其电枢绕组和永磁体都在动子的结构特点,特别适合长定子应用场合来降低成本。研究了一种分段定子结构的LFSPM电机,其结构的主要特点是可以减小电机的齿槽力,同时兼顾绕组基波幅值并减小绕组的谐波含量。在分析了电机齿槽力和线圈磁链与分段定子错位位移之间的关系后,根据不同电机结构优化选择了合适的错位位移。最后,利用ANSYS有限元分析对采用所提出的分段定子结构的2台LFSPM电机进行仿真验证,仿真结果证明了2台电机所选错位位移合理有效,所研究电机的齿槽力相对较小,相绕组磁链波形较正弦。     

异形永磁体圆柱型直线电机的优化设计

为了进一步提高直线电机的推力密度,结合异形永磁体圆柱型直线电机(T-CLM)和传统Halbach结构提出了异形永磁体Halbach阵列圆柱型直线电机(TH-CLM)。建立了异形永磁体Halbach阵列圆柱型直线电机的磁路分析模型,研究了异形永磁体的异形角对电机磁场和推力的影响,得到了推力密度最大时的永磁体角度。对比分析了异形永磁体结构的两种圆柱型直线电机的推力密度,结果表明异形永磁体Halbach阵列圆柱型直线电机增强了电机的气隙磁通密度,具有更高的推力密度,并与传统的圆柱型直线电机进行了比较,验证了异形永磁体结构圆柱型直线电机在推力密度方面具有一定的优势。     

磁场调制永磁直线电机拓扑研究综述

基于磁场调制原理(即磁齿轮效应)的磁场调制永磁直线电机(flux-modulation linear permanent magnet machines,FMLPMMs),具有更高的推力密度与更低的推力波动,近年来是直线电机领域的研究热门之一。该文旨在对磁场调制永磁直线电机拓扑结构方面的研究工作进行系统性综述。首先,介绍磁场调制永磁直线电机的拓扑结构演变历程,并对现有拓扑结构进行分类和归纳。其次,由于推力密度与推力波动是直线电机最为重要的两大性能参数,因此该文就如何进一步提升磁场调制永磁电机的推力密度、抑制推力波动进行详细介绍。最后,结合磁场调制永磁直线电机各个拓扑结构的特点,对其未来的发展方向和应用前景进行展望。     

梯形Halbach交替极无铁心永磁同步直线电机特性分析与优化设计

针对无铁心永磁同步直线电机(PMLSM)存在推力波动问题以及磁极结构对永磁体利用率的影响,从结构方面着手,提出一种梯形Halbach交替极磁极结构的无铁心永磁同步直线电机,对Halbach阵列进行优化设计。首先通过有限元法对比在Halbach交替极、双层Halbach磁极与梯形Halbach交替极3种磁极结构中PMLSM的电磁性能,分别对气隙磁场谐波成分、空载反电动势、电磁推力以及推力体积比进行计算与对比。其次,采用等效磁化强度法定性分析磁极结构对电机出力性能的影响,并引入Kriging模型,结合多目标优化算法对关键参数进行优化以提高电机平均推力和推力体积比,降低推力波动,得到3个优化目标的Pareto前沿。最后,通过仿真分析验证设计方法的有效性以及电机性能的改善。结果表明：梯形Halbach交替极磁极结构永磁体利用率更高,具有实用价值;梯形Halbach交替极PMLSM能够有效抑制推力波动并保持在7%左右,适用于高精确度加工设备。     

永磁直线电动机结构及研究发展综述

永磁直线同步电动机(permanentmagnetlinear synchronousmotors,PMLSMs)集成了永磁电机与直线电机的特性,具有高推力密度、高加速度、高速、高精度、高效率等显著优点,广泛应用于高精度数控设备、光刻机、3C产品制造成套装备、高速物流与无绳电梯等应用场合。首先阐述了PMLSM的工作原理与力特性,其次对结构类型进行分析,包括初级铁心、外形结构、绕组结构与磁极结构,接着从推力波动抑制与高推力密度两方面总结了在电机结构设计上的有效措施,然后介绍了运行平台的系统结构及配件对系统性能的影响,最后总结了PMLSM目前的应用热点,并从这些应用热点展望了未来主要的发展趋势及相应的研究重点。     

基于神经网络与H∞控制的PMSLM扰动抑制策略

永磁同步直线电机(PMSLM)常应用于具有高性能需求的工作场景,推力扰动抑制关乎电机的性能表现,有重要的现实应用意义。一方面,由于电机结构的原因,电机运行过程中受到与位置、速度等相关重复推力扰动的干扰;另一方面,由于复杂的应用环境,电机还会受到有非重复特性的推力扰动的干扰。考虑两种类型的扰动成因及表现具有本质差异,在应用中单独使用某一种扰动抑制方法难以取得良好的效果,故提出了一种两步法的复合推力扰动抑制策略。首先利用在线神经网络方法实现对重复扰动的提取和补偿,随后考虑非重复扰动的频域特征,有针对性地设计H_∞控制器实现对残余扰动的有效抑制。通过与其他一些方法对比,实验表明了所提推力扰动抑制策略在PMSLM系统上的优越性。     

一种新型弧形磁场调制永磁电机的设计与分析

弧形永磁电机广泛应用于特种制造、机械臂、雷达系统、天文望远镜等需要在特定角位移内往复运行的高精度场合,弧形永磁电机的转矩波动与转矩密度往往决定着整个系统的成败。为了在不牺牲转矩密度的同时降低转矩波动,提出一种新型弧形磁场调制永磁电机拓扑结构。针对这种新型结构,首先介绍了其运行原理及优化设计方法,并与传统的弧形永磁电机进行了性能对比。结果表明,文中提出的新型弧形磁场调制电机转矩密度更高、转矩波动更小,同时结构复杂度基本不增加,因此在下一代高精度运行场合中应用前景良好。     

电动自行车用磁通切换电机研究

针对电动自行车用磁通切换电机齿槽转矩大的问题，依据槽极配合原理，设计并对比了12槽10极和12槽11极2台电机。有限元仿真结果表明，12槽11极电机的转矩脉动仅为12槽10极的16.6%，通过转子分段斜极方式进一步减小其齿槽转矩，同时分析转子斜极角度对电机转矩性能的影响。研究结果表明，斜极优化后的12槽11极磁通切换电机转矩脉动仅有2%，且输出转矩能够满足电动自行车日常行驶动力需求。     

高加速度双边型永磁直线电机的设计与优化

以高加速度与高推力密度为设计目标,设计了一种平板双边型永磁直线电机。首先通过分析极槽配合对推力性能的影响,选择了合适的极槽配合;其次采取抑制推力波动的措施对结构进行了优化,并对动子结构进行轻量化设计以提高加速度;然后基于有限元研究了两种电密情况下的电感参数和推力性能,得到空载运行情况下的动子加速度;最后,研究了两台组合式结构或永磁分段斜极的方法进一步降低推力波动,实现了大推力、低波动和高加速度的设计目标。     

Thrust ripple optimization and experiment for a permanent magnet linear synchronous motor

Thrust ripple such as end force, slot force and normal force are key factors that affect the properties of permanent magnet linear synchronous motors (PMLSM). According to different mechanics and analytical models, end force resulting from open magnetic circuit of PMLSM was greatly decreased by optimizing the length of the PMLSM mover. Slot force caused by slot effect was greatly reduced by using fraction slot structure, and normal force was calculated through the finite element method (FEM). After thrust ripple was calculated, its uniform formula was obtained through Fourier series nonlinear regression. An experimental system was set up to measure thrust ripple, and experiment results demonstrated that experimental force ripple was quite in line with that calculated by the fitting formula. The optimal theory and analysis method is effective, and the obtained formula can be utilized to compensate thrust ripple in practical applications and improve the motion performance of PMLSM. __________ Translated from Proceeding of the Chinese Society for Electrical Engineering, 2005, 25(12): 122–126 (in Chinese)     

电动车辆驱动电机的尺寸优化和功率密度比较

高功率密度电动车辆驱动电机的发展促进了评估与优化带有不同电流与反电势波形的各种结构类型电机的功率水平的方法的研究。本文以一般化尺寸方程和功率密度方程为研究基础,探讨了盘式轴向磁场永磁电机和Ｗｅｈ氏横向磁场永磁电机的尺寸优化,进行了盘式轴向磁场永磁电机、Ｗｅｈ氏横向磁场永磁电机和传统的鼠笼式异步电机的功率密度的比较。     

A research trend of electric machines with development of finite element analysis

Finite element analysis (FEA) has rapidly developed in the past three decades. In case of the magnetic field analysis, many researchers have proposed different electric machines by using FEA in order to achieve high efficiency, high torque density, low torque ripple, and so on. For further development of electric machines, this paper presents a literature survey on the state‐of‐the‐art research trends of the electric machine related to FEA in the last 3 years. © 2017 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

环形绕组无刷直流电机负载换向的解析模型

环形绕组无刷直流(CWBLDC)电机是一种具有梯形波反电动势的多相永磁电机,相应的换向驱动电路可实现相电流的换向。由于该电机采用梯形波反电动势,铁心材料的利用更加充分,能获得高于永磁同步电机(PMSM)的转矩密度;另一方面,采用极、槽数优化设计的分数槽绕组,能够有效抑制电机的转矩脉动,使其接近永磁同步电机的水平。良好的换向性能是该电机得以应用的前提,本文提出一种负载换向方法,其利用负载本身的电压即电机反电动势来改变相电流的方向,能够实现功率开关的零电流关断。以一台2极12槽环形绕组无刷直流电机为对象,详细分析了负载换向的过程,建立了换向过程的解析模型,讨论了换向提前角的确定方法。采用场路耦合仿真分析了该电机的换向过程,验证了解析模型的准确性,最后由原理样机试验验证了负载换向原理的可行性。