基于等宽极厚调制的永磁电机优化设计

表贴式永磁同步电机气隙磁密谐波含量高,导致电机空载反电动势正弦度差,影响电机转矩脉动;齿槽转矩是永磁同步到电机固有属性,会使电机在运行过程中产生转矩脉动和噪声;针对以上问题,提出采用分块磁极等宽极厚正弦调制的方法优化永磁同步电机气隙磁密和齿槽转矩。使用有限元进行仿真分析,验证了该方法的正确性,表明该方法能有效抑制永磁同步电机气隙磁密谐波分量,在一定极弧系数范围内对齿槽转矩抑制具有较好的效果,同时在不降低电机平均输出转矩的情况下减小电机转矩脉动。     

永磁直驱风力发电机不同极槽配比的磁场研究

永磁同步发电机运行时,永磁体和电枢铁心相互作用会产生齿槽转矩,引起转矩波动和噪声.应用Ansys设计分析软件中的有限元模块和磁路等效模块,研究了分数槽绕组外转子永磁直驱风力发电机在不同极槽配比情况下的齿槽转矩、磁场分布、气隙磁密谐波含量和电机效率的变化规律;对比分析了整数槽电机在直槽和斜槽2种设计方案下的电压及畸变率.仿真结果表明,分数槽和斜槽结构均能有效削弱电机的齿槽转矩,消除高次谐波电压,且整数斜槽结构的电机削弱齿槽转矩的效果更好一些.     

永磁同步电机转子磁极优化技术综述

永磁同步电机的电磁转矩、转矩波动、电磁振动与噪声等电机性能与气隙磁密波形密切相关。减小气隙磁密中的谐波含量能够有效地削弱齿槽转矩、抑制转矩脉动,减小电机振动,提升电机的整体性能。对表贴式和内置式永磁同步电机来说,可以分别通过优化永磁体形状和转子表面铁心形状(统称为转子磁极优化技术)来减小气隙磁密中的谐波含量。该文回顾并总结了近年来国内外学者在永磁同步电机转子磁极优化技术方面所进行的研究工作,将不同的转子磁极优化技术进行归类,比较其优缺点。最后探讨了转子磁极优化技术尚存在的一些问题和未来发展的主要方向。     

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.     

不同转子辅助槽对内置式永磁电机齿槽转矩的影响

齿槽转矩是永磁电机设计研究的一个重要参数。在解析法的基础上,研究了永磁电机齿槽转矩的表达式,讨论了气隙磁密波形对齿槽转矩的影响。并以一台6极36槽内置式永磁同步电机为例,通过在转子直轴位置上开设不同形状、不同大小的辅助槽,利用有限元法分析了矩形、半圆形、弧形三种类型的辅助槽对永磁电机齿槽转矩的影响,总结了齿槽转矩随辅助槽形状和大小的变化规律。分析表明,转子弧形辅助槽与其它两种槽形相比较,其电机的气隙磁密波形畸变最小,齿槽转矩谐波含量最小,对齿槽转矩的削减效果最优。对转子弧形辅助槽尺寸的合理设计和优化可以有效抑制永磁电机齿槽转矩,进而提高永磁电机的控制精度。     

Halbach阵列永磁电机齿槽转矩分析与计算

为了削弱永磁电机齿槽转矩,提高电机气隙磁密,改善气隙磁场分布,采用分段式Halbach阵列磁体结构,使永磁体获得理想的单边磁场。利用Maxwell软件,建立电机二维有限元分析模型,计算空载时电机的磁力线分布,获得电机气隙磁密和齿槽转矩等电磁特性,并与传统径向充磁磁体电机进行对比分析。研究结果表明,该方法能有效削减齿槽转矩,提高磁密幅值,增强磁密正弦性。     

永磁发电机齿槽转矩及电机性能研究

本文对一台永磁发电机在各种参数下的齿槽转矩及电机性能进行了研究.齿槽转矩作为永磁电机重要的指标之一,直接影响电机性能.分析电机齿槽转矩的表达式,采用等效磁路法设计一台汽车用表面式永磁同步发电机,并采用二维有限元法得到该电机的齿槽转矩.通过改变极弧系数、气隙长度、永磁体形状以及永磁体分段数等不同参数,得到永磁发电机的齿槽转矩波形以及电机相关性能参数.为永磁电机的优化设计提供依据和参考.     

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。     

偏心外转子表面凸出式永磁电机等效气隙计算

偏心外转子表面凸出式永磁电机采用偏心型磁极来优化气隙磁密波形,以获得良好的电动势波形,降低齿槽转矩。但偏心气隙会带来气隙等效磁路长度计算困难等一系列问题。从偏心外转子表面凸出式永磁电机的气隙结构出发,推导出了偏心气隙各点气隙值随磁钢机械角变化的关系。以某公司所生产的6 MW,120极的外转子表面凸出式永磁电机为原型,以推导出的气隙与机械角的关系为基础,通过永磁电机磁路算法计算该电机的各项性能参数,对功率因数及空载电压的计算值、实验值及仿真计算值进行对比分析,验证了所推导的气隙与磁钢机械角度关系的正确性与有效性。为采用解析法计算永磁电机磁路打下关键的技术基础。     

新型表贴-内置式永磁同步电机谐波分析与优化

为增强永磁同步电机电磁性能,研究一种新型表贴-内置式永磁同步电机拓扑结构,该结构转子永磁体由常规表贴式和内置双一式构成。采用有限元对新型电机拓扑进行分析,分别对3种同尺寸结构电机气隙磁密、齿槽转矩以及气隙谐波畸变率分析。研究结果表明,新型拓扑结构不仅能提高气隙磁密基波幅值,而且能调节谐波畸变率大小,使磁密波形更加正弦性。     

分段式Halbach阵列永磁同步电机非理想气隙磁场建模分析

Halbach阵列是一种特殊的永磁体充磁方式,可以提供理想的气隙磁密,且转子无需采用铁磁材料。由于定子开槽,永磁同步电机定转子气隙不均,气隙磁密谐波增加,产生齿槽转矩。本文利用子域模型法建立了分段式Halbach阵列永磁同步电机空载磁场解析模型。其解析模型计算结果与有限元结果相比,两者气隙磁密波形吻合较好。该解析模型为进一步研究电枢反应、齿槽转矩等性能奠定了基础。     

磁极不等厚对兆瓦级永磁直驱风力发电机的影响

为了研究不等厚磁极结构对兆瓦级直驱式永磁同步风力发电机影响,首先计算了电机的齿槽转矩,并建立瞬态电磁场模型,利用时步有限元法对发电机的电磁场和输出特性进行了计算.在此基础上,分析了磁极偏心距的变化对电机齿槽转矩、空载气隙磁场分布以及在负载情况下对输出特性的影响.结果表明,采用不等厚磁极可以影响发电机的齿槽转矩,优化气隙...     

极弧系数与极槽配合对直驱永磁同步发电机齿槽转矩的影响

为了削弱直驱永磁同步发电机的齿槽转矩,根据其结构特点,研究了极弧系数和极槽配合对齿槽转矩的影响。首先,采用解析法确定了对齿槽转矩有影响的气隙磁密平方的傅里叶分解系数,并得到了傅里叶分解系数与极弧系数的变化函数关系,进而分析了极弧系数对齿槽转矩的影响,然后用有限元法对不同极弧系数下的齿槽转矩进行了计算,验证了解析法的正确性,最后,通过24台样机的设计数据,分析总结了不同极槽配合对齿槽转矩的影响规律。结果表明,合理选取极弧系数和极槽配合,可以有效削弱永磁同步发电机的齿槽转矩。     

基于响应面法的定子永磁型轴向磁通切换电机齿槽转矩优化设计

针对聚磁反应造成定子永磁型轴向磁通切换电机(SPAFFSPM)的齿槽转矩偏大、噪声大等问题。以减小定子永磁型轴向磁通切换型电机的齿槽转矩,提高电机的输出性能为目标,利用能量摄动法推导出电机的齿槽转矩解析表达式,分析影响齿槽转矩的定转子结构参数。基于响应面法与有限元法构造出定子槽弧宽、转子齿倾斜角及永磁体形状系数与齿槽转矩之间的响应面数学模型,推导出使齿槽转矩最小的定子槽弧宽、转子齿倾斜角及永磁体形状系数最优组合。最后建立优化前后电机三维有限元分析模型,搭建样机的实验平台,验证优化方法的合理性及准确性。结果表明,优化后的电机齿槽转矩减小约82.5%,且电机的输出性能得到明显提高。     

Halbach永磁阵列无刷直流电机转矩的解析计算和分析

Halbach永磁阵列具有灵活配置电机气隙磁通密度、磁屏蔽的特点,将其用于无刷直流电机以增加电磁转矩、降低齿槽转矩。在保角变换求解电磁场基础上,给出无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩的解析计算模型,通过有限元仿真对该模型的准确性进行证明;使用该模型分析每极两块(1P2p)、每极三块(1P3p)Halbach永磁阵列中主磁钢弧角和辅磁钢充磁方向角对无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩的影响,对比分析径向充磁、平行充磁和Halbach永磁阵列的无刷直流电机电磁转矩与齿槽转矩随永磁体厚度的变化规律。分析结果表明,合理配置无刷直流电机Halbach永磁阵列中主磁钢弧角和辅磁钢充磁方向角可提高电磁转矩、降低齿槽转矩,当永磁体厚度增加时,Halbach永磁阵列更有利于电磁转矩增加。     

Cogging torque investigation of PM motors resulting from asymmetry property of magnetic poles: Influence of performance variation between permanent magnets

This paper examines the cogging torque of a permanent magnet (PM) motor resulting from the asymmetry property of magnetic poles, which comes from the performance variation between magnets. A PM motor with 32 poles (= 16 pole pairs) and 36 slots is selected for verification, because the motor whose pole/slot ratio is 8/9 is sensitive to the performance variation between permanent magnets. Assuming that two different magnetization levels of magnets are mixed together in one rotor, the amplitude of the 2.25th and 4.5th components of cogging torque, which show 36 (= 2.25 × 16) and 72 (= 4.5 × 16) times of pulsation per rotation respectively and both of which result from the asymmetry property of the magnetic poles, are evaluated. As a result, it is clarified that the cogging torque characteristics depend on the alignment pattern of the two kinds of magnets. The amplitudes of the 2.25th and 4.5th components of cogging torque are proportional respectively to the amplitude of the 36th and 72nd order harmonics of the squared magnetic flux density around the rotor which is set in the space without stator. Using the proportional constants found from the finite element analyses in some alignment patterns, the cogging torque amplitudes of the motors with other alignment patterns can be predicted by calculating the squared magnetic flux density around the rotor only. The predicted cogging torque amplitudes correspond to the actually calculated results. © 2008 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 163(3): 57– 67, 2008; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20669     

定子槽口系数对永磁无刷直流电动机转矩波动的影响

转矩波动是永磁无刷直流电动机产生振动和噪声的主要原因。引起永磁无刷直流电动机转矩波动的原因主要有齿槽效应转矩、电动势波形的缺陷及换相转矩波动等。主要分析了槽口系数对转矩波动的影响,以永磁无刷直流电动机为例,利用有限元分析了整数槽和分数槽电机定子槽口系数变化对齿槽转矩的影响及槽口系数变化对气隙磁密及谐波的影响;最后计算改变槽口系数对电机主要性能的影响。     

基于磁齿轮调制的复合电机有限元分析

为了降低机械损耗,获得高转矩密度电机,研究了一种磁齿轮复合电机,该电机充分利用磁场调制型磁齿轮内部空间,将磁场调制型磁齿轮和永磁电机复合在一起。利用有限元软件建立磁齿轮复合电机二维有限元模型,分析了电机磁力线分布、气隙磁密及对应的傅里叶分析、感应电动势、稳态运行转矩、齿槽转矩等特性。仿真结果表明,此类复合电机磁力线分布均匀,气隙磁密对应的最大谐波次数符合设计要求,三相反电动势对称性好,内外转子转矩比与传动比一致,齿槽转矩较小。与传统永磁电机相比此类电机有很好的转矩传输比和较高的转矩密度,具有很好的应用前景。     

基于有限元方法的磁通反向电机定位转矩研究

本文介绍了一种新型双凸极永磁电机--磁通反向电机.该电机将永磁体和绕组均放置在定子上,具有转子结构简单、高功率密度、小电感、低惯性等优点,适于高速旋转的场合.但该电机的自身双凸极结构决定了其定位转矩较大,对转动平稳性和噪音控制等都有很大影响,因此文中通过有限元方法详细地分析了电机定转子齿宽、永磁体高度和斜槽角度这些参数的变化对定位转矩的影响,并在此基础上设计得到了一款样机.实验和仿真的比较结果相差约为8%,表明了有限元分析的准确性.