多相永磁同步电机磁场解析建模与容错性能分析

为了快速、准确计算多相永磁同步电机(PMSM)在一相或多相绕组故障发生时的容错运行能力,基于傅里叶级数分析方法,在二维极坐标系下建立了多相内转子表贴式永磁同步电机（SPMSM）绕组缺相不对称运行下的空载、负载磁场解析计算模型,并对气隙磁密、空载反电动势(EMF)以及电磁输出转矩等性能参数进行准确计算。设计制作一台44极48槽12相船舶用内转子SPMSM,并通过有限元分析和试验测试对磁场解析模型的准确性进行了验证。在此基础上,为了提高多相电机的容错能力,以最小等值相电流为优化目标,建立了多相电机驱动系统一相绕组开路故障容错控制策略,并以电磁输出转矩、转矩脉动等性能参数为考核指标,对12相SPMSM的容错性能进行了深入分析,进一步提高电机驱动系统的可靠性。     

永磁游标直线电机磁场解析计算

永磁游标直线电机(linear permanent magnet vernier motor,LPMVM)依靠磁场调制原理工作,其电枢开槽引起气隙磁导变化,为考虑齿槽效应的影响,将其气隙磁场等效为无槽气隙磁场与有槽时气隙相对磁导函数共同作用结果。用气隙磁导波法分析其基本工作机理,给出结构关系式。用分层模型法建立无槽LPMVM求解场域矢量磁位解析模型,推导出各区域磁场解析表达式。结合气隙相对磁导函数建立考虑齿槽效应时的LPMVM磁场解析模型,计算出考虑齿槽效应时气隙磁密分布曲线。解析解与有限元解结果表明:无槽时气隙磁密在切向分量和法向分量计算准确,考虑齿槽效应后基于气隙相对磁导函数的磁场解析模型适用于求解气隙磁密法向分量,且主要谐波磁场与永磁体极对数和电枢绕组极对数有关。     

外永磁转子爪极电机空载气隙磁场解析计算

由于外永磁转子爪极电机的结构复杂,其空载气隙磁场需通过建立三维模型进行分析,而采用三维有限元方法计算耗时较长且网格剖分对其计算结果影响加大,因此本文提出了一种在极坐标系向建立的空载磁场解析计算模型。通过轴向分段的方法,将该电机三维模型转化为多个二维模型,并给出了相应的的边界条件,利用傅里叶级数变换和分离变量法推导得出了空载气隙磁场的切向和轴向磁通密度,齿槽转矩和空载反电动势的解析式。为了验证解析模型的准确性,将解析计算结果与有限元计算和样机实验测量的结果相比较,结果对比误差较小,验证了解析模型的准确性和可行性。     

直线电机不均匀气隙磁场解析计算方法

直线感应电机运行时,其初级和次级之间可能因不平行而形成不均匀气隙,从而造成电机磁场分布变化。对于这种不均匀气隙的电机磁场分布的计算,沿用传统的基于均匀气隙的公式则会使误差增大。为解决此问题,首先基于电磁场理论,提出了一种不均匀气隙直线感应电机磁场的解析计算公式;其次根据直线电机特性对解析公式进行修正;最后将解析公式计算结果与有限元方法计算得到的气隙磁场分布结果进行了对比。对比结果表明,这种考虑了气隙不均匀的解析磁场计算方法相比不考虑气隙不均匀的计算,其平均误差减小50%以上,为直线感应电机的设计和控制效果的提升提供了一种有益的参考。     

基于磁场解析模型与遗传算法的轴向磁通永磁电机多目标优化设计

针对基于有限元法(FEM)的常规优化方法存在计算量大、耗时长的问题,提出一种磁场解析模型与遗传算法相结合的轴向磁通永磁电机(AFPMM)多目标优化设计方法,该方法能够在保证一定计算精度的前提下快速实现电机的优化设计.首先,将AFPMM从复杂的三维模型等效为二维模型,通过子域法得到了电机的磁场解析模型,利用麦克斯韦张量法...     

基于精确子域模型的游标永磁电机解析磁场计算

游标永磁电机是一种基于磁场调制原理的新型电磁传动装置,适用于船舶推进、风力发电等低速大转矩的应用场合。准确计算游标永磁电机的磁场分布是设计、优化电磁性能的关键。关于电机解析磁场计算,该文讨论和比较了一极一槽模型和精确子域模型。以表贴式游标永磁电机为研究对象,在气隙子域建立拉普拉斯方程,在槽子域和永磁体子域建立泊松方程,根据分离变量法直接求解。模型建立在二维     

轴向磁通永磁同步电机气隙磁场解析计算

针对双定子单转子表面嵌入式轴向磁通永磁同步电机的气隙磁场进行了解析研究。建立了气隙磁场的解析模型,将轴向磁通电机等效成直线电机并建立了等效面电流模型来求解空载工况下的气隙磁场。根据电磁场理论中的唯一性定理,给出了满足泊松方程的边界条件,并将分离变量法应用于泊松方程的解析解来计算电机三相定子电枢绕组作用下的气隙磁场。通过将空载下的气隙磁场与电枢绕组作用下的磁场叠加来预测电机负载工况下的气隙磁场。最后用三维有限元仿真计算结果与解析模型的计算结果相比较,证明了解析法可以有效地计算轴向磁通电机的气隙磁场,为轴向磁通永磁同步电机的解析分析和优化设计提供了基本手段。     

Halbach永磁阵列空间磁场的解析计算

对Halbach永磁阵列空间磁场的解析表达式进行了研究。首先,根据安培分子环流假说,用面电流对矩形永磁体的空间磁场等效,从而推导出其空间磁场的表达式。其次,通过叠加原理和坐标变换,得到了Halbach阵列磁场的计算公式。最后,通过2D和3D有限元法对解析公式进行了验证,证明了提出的解析公式能较为准确地模拟包括阵列端部在内的各处磁场分布情况,比目前广泛采用的正弦法有更高的精度。     

V型内置式永磁同步电机空载气隙磁场解析计算

针对V型内置式永磁电机气隙磁场解析计算问题,提出一种新的V型内置式永磁同步电机空载气隙磁场的解析计算模型。在二维精确子域方法基础上,提出5条等效关键准则,用等效解析永磁体电机模型代替初始的V型永磁体电机模型。等效解析模型划分为定子槽、定子槽槽口、气隙、扇形和环形5个求解域。在定子槽、定子槽槽口和气隙区域建立拉普拉斯方程,在扇形和环形区域建立泊松方程。用分离变量法求解各区域的矢量磁位表达式,根据各个求解域的边界条件和交界条件求出矢量磁位表达式中的谐波系数。对等效解析模型计算结果与V型内置式永磁同步电机的有限元法仿真结果进行比较,误差仅为0.97%,验证了等效准则建立的解析计算模型计算V型内置式永磁同步电机空载气隙磁场的有效性。     

双层Halbach永磁电机解析建模与优化

提出双层Halbach永磁电机的二维解析模型,模型中转子永磁包括内外两层,每层每极均由两块永磁构成,且每层中间磁块均为径向磁化。通过分区域求解标量磁位的微分方程,解析得到双层Halbach无槽电机的气隙磁场。利用卡特系数考虑齿槽作用,解析获得双层Halbach有槽电机的气隙磁场。接着,为优化气隙磁场波形,分别解析获得外层径向磁化磁块的最优极弧比和内层径向磁化磁块的最优极弧比,从而获得双层Halbach电机气隙磁场的优化解。计算结果表明,双层Halbach电机不仅气隙磁场和反电势的波形正弦度都优于单层Halbach电机,而且电磁转矩的波动更小,因此具有更好的电磁性能。二维有限元法与二维解析法计算结果一致性较好,验证了二维解析模型的正确性。     

考虑齿槽效应的表贴式永磁电机空载磁场建模

针对齿槽作用下的表贴式永磁电机空载磁场分布,提出了一种简化解析模型。该模型将等效磁路法和磁位解析法相结合,首先利用等效磁路法求得定子齿槽表面上的磁通密度分布,继而将其作为第二类边界条件之一,借助拉普拉斯方程和泊松方程获得一个磁极下电机磁场分布;通过剩余磁化强度修正函数,将该解拓展到整个电机范围。该解析模型充分考虑了齿槽效应对磁场的影响,求解过程简捷。经有限元仿真表明,对于内、外转子结构永磁电机,该解析模型均取得了较准确的磁场计算结果,为进一步研究电机反电动势和转矩特性提供了一种有效分析手段。     

基于磁极分块的永磁电机气隙磁场解析计算

为了简便、精确地分析偏心削极表贴磁极的永磁电机空载气隙磁场,基于永磁体等效分块处理并结合子域模型提出一种磁场解析计算方法,解决了磁极不等厚与平行充磁问题.所用方法能考虑定子开槽影响与永磁体实际磁导率,且通过求解子域模型直接得到空载气隙磁密的基波与各次谐波分量.采用有限元法直接计算气隙磁场,解析法与有限元法计算的空载气隙...     

基于子域分析模型的实心转子感应电机磁场解析

子域分析技术作为一种简捷高效的磁场解析方法,已在电机恒定磁场解析领域获得广泛应用.该文以实心转子感应电机为例,将子域分析技术拓展到电机磁准静态场解析领域.在二维极坐标平面内,将实心转子感应电机求解区域划分为定子槽子域、气隙子域和实心转子子域,从而在复频域建立考虑定子开槽影响的实心转子感应电机精确子域解析模型.该解析模型着重求解实心转子子域的偏微分方程,根据运行方式的不同,分别给出同步运行和异步运行两种工况下的解析表达式.在解析计算结果的基础上,根据磁链法计算实心转子感应电机的运算电感.最后,通过二维时谐有限元分析验证了解析模型的准确性.     

考虑铁心饱和的内置式永磁同步电机气隙磁场解析计算

准确分析电机结构以及磁饱和等因素对气隙磁场分布的影响是永磁电机设计、优化的关键。以分数槽集中绕组内置式永磁同步电机(FSCW-IPMSM)为研究对象,根据磁路分析方法和FSCW的分布规律,分别得到了考虑转子磁桥漏磁的空载永磁磁场解析模型和电枢反应磁场的解析表达式。考虑到定子齿槽结构以及转子内部永磁体分布,利用相对气隙磁导,将定子开槽和转子凸极对气隙磁场的影响考虑在内。重点结合定子铁心材料的B-H磁化曲线、定子铁心局部磁饱和特性引入铁心等效磁阻与动态磁导率来考虑定子铁心磁饱和对负载气隙磁场的影响。最后,有限元仿真和样机试验结果验证了理论分析的准确性,为该类电机的电磁设计和性能分析提供了理论基础。     

插入式永磁电机偏心空载磁场摄动解析模型

运用摄动解析法研究了插入式永磁电机转子偏心时的空载磁场分布。将求解模型分成气隙和永磁体两部分,建立了矢量磁位的摄动方程,对该方程截断近似,得到求解域的零阶和一阶拉普拉斯方程和泊松方程。给出方程的通解,以偏心率为摄动变量,推导了定子内径处的偏心边界条件,利用边界条件确定了通解的待定系数,得到了插入式永磁电机转子偏心空载磁场分布。应用麦克斯韦张量法计算永磁偏心力。将该模型和有限元法计算结果进行了对比,两者对照一致性较好。通过调整参数,该模型可以方便的计算不同转子位置和偏心距离下的磁场分布。     

表面埋入式永磁电机磁场解析

准确计算永磁电机的气隙磁场分布是设计、优化电磁性能的关键。该文在二维极坐标平面内建立表面埋入式永磁电机的精确子域解析模型,求解区域划分为定子槽子域、气隙子域和转子槽子域,根据分离变量法求解各子域的矢量磁位通解,并利用各子域之间的边界条件得出相关谐波系数。模型考虑了普通/交替极转子结构,永磁体径向/平行充磁方式,隔齿绕/全齿绕两种形式的分数槽集中绕组,可计算电机空载磁场、电枢磁场和负载磁场分布。以一台40极48槽交替极转子结构永磁电机为例,将气隙磁密波形的解析计算结果与二维有限元结果相比较,验证了解析模型的准确性。     

永磁电磁混合Halbach阵列空间磁场三维解析计算及参数分析

针对永磁电动悬浮系统Halbach阵列产生的空间磁场不可控,导致系统受到外界干扰时容易发生振荡而不能快速稳定悬浮,研究一种永磁电磁混合Halbach阵列.通过在永磁体表面缠绕有源常导线圈实现对Halbach阵列空间磁场的调节控制.分别利用解析法和有限元法对永磁电磁混合Halbach阵列空间三维磁场进行计算,并对其线圈参数对空间磁场的影响进行分析.结果显示:随着线圈所占宽度的减小或线圈电流从-6 A/mm2增大到6 A/mm2时,永磁电磁混合Halbach阵列空间磁场幅值均近似线性增大,且越接近于永磁Halbach阵列空间磁场幅值;当通入±6 A/mm2的线圈电流时,在线圈所占宽度为阵列模块宽度的20％及30％情况下,与电流为0时磁场相比,可分别使空间磁场幅值达到±9％和±13％的调节范围.     

基于精确子域模型的双定子磁通反向电机磁场解析计算

双定子磁通反向电机是一种基于磁场调制原理的新型永磁电机,适用于船舶推进、风力发电等低速大转矩的应用场合.相较于传统的磁通反向电机,双定子拓扑能够解除单定子磁通反向电机永磁体和绕组的空间冲突问题,但同时也会增加其边界条件的复杂度.准确计算双定子磁通反向电机的磁场分布是设计、优化电磁性能的关键,而建立精确的数学模型则是求解...