同步磁阻电机分析与设计(连载之五) 定子铁心的优化设计

分析不同极绕组形式的同步磁阻电机的定子齿部与轭部设计原则,指出齿部与轭部厚度和电机磁负荷的关系,通过齿部、轭部的合理设计减小饱和造成的凸极率降低。研究定子齿冠削弧形成不均匀气隙对电机性能的影响,适当的不均匀气隙可以减小电机的转矩脉动和铁耗。最后研究同步磁阻电机定子齿开辅助槽的效应,分析辅助槽个数对转矩脉动的影响,总结采用辅助槽能削弱转矩脉动的绕组形式。     

高压电机定子采用散绕组的绝缘结构分析

高压电机的定子通常采用成型绕组,同时需配套开口槽,导致电机成本增加、气隙磁场谐波含量增大、齿槽转矩增大等一系列问题。为了解决上述问题,可以采用散嵌圆铜线绕组。对于高压电机采用散绕组,绝缘问题是关注和研究的重点。以1台高压散绕组电机为例,利用有限元法分析了高压电机采用散绕组的绝缘结构可靠性,分别分析了匝间绝缘、主绝缘、层间绝缘和端部绝缘的绝缘情况以及主绝缘被冲片毛刺划伤情况下的电场强度分布,并根据分析结果针对电机槽内绝缘做出了优化,制造了1台样机并对样机进行了耐电压试验。验证了高压电机定子采用散绕组在一定程度上是可行的,为高压电机定子绝缘结构设计提供了参考。     

永磁同步电动机齿槽转矩优化设计仿真

分数槽集中绕组永磁同步电动机因产生齿槽转矩及大量的磁动势谐波,会影响电机的工作性能。在分析齿槽转矩及谐波产生原理的基础上,确定了齿槽转矩及磁动势谐波影响因素,对电机结构进行了综合优化设计。针对一款400 W永磁同步电动机,通过对绕组系数、齿槽转矩、力波振动和谐波损耗综合分析,设计了12槽10极双层并联绕组和不开槽定子结构;采用环形永磁体以优化气隙磁密;以体积、成本、性能为综合指标,设计了电机各部分尺寸。通过有限元分析法对电机静磁场特性、空载气隙磁密、齿槽转矩及空载反电动势进行了仿真分析。制造样机并进行了性能测试。仿真与测试结果表明,该电机设计合理,性能优良。     

削弱和抑制异步电机附加转矩的若干途径

如何削弱和减小由定、转子谐波磁势所产生的附加转矩、改善电机起动性能,是三相笼型异步电动机设计和生产制造过程中的一个十分重要的问题。本文分析了定转子槽数、电机气隙、定转子槽斜度、槽配合、定子绕组型式、定子绕组的接法和并联支路数等电机的设计和工艺参数对谐波磁势的影响,讨论了削弱、抑制异步电机附加转矩的若干途径。     

永磁同步电动机振动和噪声抑制的研究

本文以一款存在较大振动和噪声的注塑机用永磁同步电机为例,利用解析法推导出径向电磁力产生原理和分、整数槽定子绕组的谐波次数,提出定子采用整数槽来减小电机径向电磁力,转子上挖孔和开槽来降低气隙磁密幅值,削弱齿槽转矩和转矩脉动,然后利用Ansys有限元分析软件对这两款电机的气隙磁密波形、定子磁场谐波含量、径向力波等进行对比分析,并制作了样机,通过样机噪声实验发现该方法可有效抑制永磁同步电机的振动和噪声,对改善电机性能具有一定的参考价值。     

近极槽永磁电机绕组配置和不等齿宽的研究

研究了绕组配置和定子齿宽对近极槽永磁电机的性能影响。比较了近极槽永磁电机隔齿绕组和全齿绕组的性能特点,设计了6种不等定子齿宽方案,对6种方案电机的输出转矩、齿槽转矩和脉动转矩等特性进行了比较分析。结果表明:隔齿绕组永磁电机采用合适的不等定子齿宽结构可提高电机的转矩密度。     

无刷直流电机集中式绕组槽极数选择优化分析

本文着重对无刷直流电机采用集中式绕组时定子槽数与极数的配合问题进行分析研究,选择适当的槽极数来降低电机铁心损耗和电机齿槽转矩,以达到优化电机性能的目的.     

集中绕组永磁无刷电机的转矩研究

集中绕组永磁无刷电机由于绕组结构与常规60°相带分布绕组不同,定子磁动势的谐波含量增加,定子齿、槽的影响也加大。本文采用电机磁能虚位移原理计算电机转矩,并编制了计算软件,不仅可以计算电机的平均电磁转矩,还可以得到由谐波磁场产生的谐波脉动转矩。通过实例计算,本文还比较了整数槽绕组和分数槽绕组产生谐波转矩的情况,采用分数槽绕组可以削弱谐波脉动转矩。     

基于定子齿冠偏心的外转子永磁电机转矩波动抑制

为了抑制12槽10极风机用外转子永磁同步电动机的转矩波动,研究了定子齿冠偏心的结构。该方法基于不等气隙长度的思想,保持了初始结构的定子齿冠极弧中间部分对应的气隙长度不变,而齿冠两边对应的气隙长度变宽。利用有限元分析软件对采用定子齿冠偏心结构的外转子永磁同步电机进行仿真计算分析,研究了不同偏心距离下电机的转矩波动系数,并分析了齿冠偏心对于输出转矩大小、齿槽转矩以及气隙磁场谐波畸变率的影响。仿真实验结果表明,采用定子齿冠偏心的结构,能有效地抑制输出转矩的波动和齿槽转矩的幅值,使气隙磁密波形得到改善。     

三段Halbach磁铁阵列永磁同步电机铁心的优化设计

Halbach磁铁阵列和集中绕组的分数槽绕组应用于永磁同步电机可提高输出转矩并降低转矩波动,满足伺服系统快速性和高精确度的要求,但需要对电机铁心进行再设计。依据Halbach磁铁阵列的理论建立了每极三段Halbach磁铁阵列永磁同步电机磁场的模型,并分析了气隙磁场特点,提出采用集中绕组的分数槽绕组削弱齿谐波。分析电机铁心的结构特点,确定多个关键尺寸为设计变量,以一定电流的最大转矩平均值和最小转矩波动为主要优化目标,采用Taguchi方法简化优化设计的计算,并建立了双层的优化模型。以一台8极9槽的伺服电动机为例,采用有限元计算,阐述了每极三段Halbach磁铁阵列永磁电机多变量、多目标的优化过程。     

采用新型磁性槽楔的永磁同步电机分析

针对磁性槽楔能够改善电机气隙磁导波形,减小气隙磁密谐波,削弱电机齿槽效应,从而减小电机损耗和转矩波动,提高电机效率的优异特性,提出一种新型的叠片式磁性槽楔。该结构能够进一步优化开口槽电机的气隙磁密波形,降低齿槽转矩,减小电机损耗,同时又不会影响电机定子槽漏抗。本文用解析法分析磁性槽楔磁导率对于气隙磁密谐波以及定子槽漏抗的影响,通过一台130kW的永磁同步电机模型,运用有限元仿真分析比较叠片式磁性槽楔与普通磁性槽楔的电气性能。     

交流牵引电机温度场分析绕组气隙优化建模方法

针对交流牵引电机定子绕组间存在不规则气隙,而采用常规等效建模法所建模型准确性不高的问题,提出一种绕组气隙优化建模方法。确定了电机定子绕组等效模型的基本结构,提出了等效模型中绕组气隙最佳宽度确定方法,即根据所确定的等效气隙模型并采用有限元法对电机进行温度场分析以得到绕组模型表面某点对应的温度值。通过获取不同气隙宽度下模型表面某点对应的温度数据并采用数值拟合方法得到两者间的函数关系,根据所得函数关系并实测上述模型表面某点对应的实际温度,即可得到绕组等效气隙模型相应的最佳气隙宽度。该方法有效提高了交流牵引电机定子绕组建模的准确性,由此显著提升了其温度场分析结果的准确性,具有较好的应用价值。     

田口法在永磁同步电机多目标优化设计的应用

针对某电动物流车用永磁同步电机的齿槽转矩和转矩脉动较大,以及电机效率与转矩密度较低这一问题,提出一种基于田口法的某物流车用永磁同步电机多目标优化设计方法。通过选取气隙长度δ、永磁体厚度hm、定子铁心内径Di1、定子齿宽bt2和槽口宽b02等5个参数作为优化因子,以电机最高效率、最小齿槽转矩、最大转矩密度三个参数为优化目标,采用田口法建立正交实验表进行性能指标优化,以得到最佳结构参数组合。正交实验与仿真结果表明,优化后的齿槽转矩减小70.4%,转矩脉动降低12.4%,电机最高效率及转矩密度分别增加了7.8%和17.5%,体现出所提方法的有效性,并通过试验证明仿真结果的真实性。     

开关磁阻电机绕组气隙建模及最佳气隙宽度确定方法

针对开关磁阻电机定子槽内双绕组间因存在不规则气隙而导致其温度场分析建模困难的问题,提出一种双绕组气隙的改进建模方法。分析了电机双绕组间气隙总截面积的计算方法,研究了双绕组气隙的模型结构与最佳气隙宽度的确定方法,在此基础上建立了开关磁阻电机的三维有限元模型,并采用有限元法对其温度场进行了分析,得到开关磁阻电机的温度场分布,通过对不同气隙宽度下的温度场分析并采用数值拟合方法得到其气隙宽度与相应温度间的函数关系,利用该函数关系及相应的实测温度值,即可得到双绕组气隙模型的最佳气隙宽度,该方法因有效提高了开关磁阻电机温度场分析结果的准确性,因而具有较好的应用价值。     

基于串级绕组的新型永磁同步电机起动性能分析

针对异步起动永磁同步电机在起动过程中电流大,起动转矩小的问题,本文提出一种串级绕组理论。利用定子串级绕组产生的谐波磁场与转子分匝线圈组相互作用,优化电机的起动性能。文章通过阐述串级绕组理论,给出电机模型与定转子设计方案,并基于等效电路分析样机实际工作原理,最后运用有限元法从样机的转速、空载起动性能、带负载起动、气隙磁密和堵转转矩五个方面进行仿真。试验结果表明,应用串级绕组理论可以在提高起动转矩的同时降低起动电流,抑制起动时定子电流对转子永磁体的退磁效应,并且电机的稳态性能保持不变。     

不同定子模块化结构对分数槽永磁电机性能的影响

在分数槽集中绕组(FSCW)永磁电机的基础上进行了定子模块化改造,设计了四种不同的定子模块化结构,包括非隔磁类(T型、齿轭分离型)、隔磁类(E型、C型),以及缠绕齿和非缠绕齿不同时带齿尖的两种新型齿尖结构。建立相应的有限元电机模型,研究探讨了定子模块化类型与齿尖结构对FSCW永磁电机性能的影响。仿真结果表明模块化结构永磁电机选取合适的定子间隙可降低齿槽转矩。12槽10极电机采用的缠绕齿带齿尖结构可提高电机性能。     

定子槽数和气隙长度对高速永磁无刷电动机性能的影响

介绍了高速永磁电机设计的总体流程,并提出高速电机设计中的几个关键问题,分析了不同气隙长度和定子槽数对电机性能的影响.结果表明,在一定范围内,气隙越大,转子损耗及转矩脉动越小,定子槽数越多,转子总体损耗越小.     

轴向磁场电机永磁体空载涡流损耗减小方法对比研究

减少轴向磁场电机永磁体空载涡流损耗的方法主要有：减小定子槽开口宽度、增大气隙长度、永磁体分块、使用屏蔽层和磁性槽楔等。基于轴向磁场电机的简化二维分析模型,分析了减小定子槽开口宽度和增大气隙长度、使用屏蔽层和磁性槽楔降低空载涡流损耗的效果。通过三维电磁场仿真,研究了永磁体不同分块方式对减少空载涡流损耗的效果。研究结果表明,减小定子槽开口宽度的效果最佳;虽然增加气隙长度可以显著减小涡流损耗,但永磁体用量迅速增加;永磁体分块减小涡流效果较好,且周向分块方式最好;屏蔽层起反作用;使用分段磁性槽楔效果比减小定子槽开口宽度稍微差一点,但加工难度要低些。     

分数槽集中绕组表贴式永磁同步电机转子损耗

针对损耗模型很难准确地计算转子损耗且三维有限元方法占用大量时间的问题,基于二维运动瞬态有限元法,研究了1台36槽42极单层分数槽集中绕组永磁同步电机在恒转矩区和弱磁区以最大转矩运行时的转子损耗,并且研究了高速工况下永磁体轴向分段数量、槽口宽度以及气隙厚度对永磁体损耗的影响。研究发现,在整个转速区间永磁体损耗占转子总损耗的90%以上;转速低于1 500 r/min时,转子铁心磁滞损耗高于涡流损耗,高于1 500 r/min时涡流损耗明显高于磁滞损耗。永磁体分段能明显降低永磁体涡流损耗;负载工况下改变槽口宽度,永磁体涡流损耗几乎没有变化;增大气隙厚度虽然能降低永磁体损耗,但是效果并不明显;同时,更改槽口和气隙厚度会使电感发生变化,并进而影响电机的运行性能。