组合磁极结构的永磁电机解析法建模与分析

磁极结构直接影响永磁电机气隙磁场的分布。提出一种组合双层Halbach阵列结构。利用叠加原理,采用标量磁位法对该结构电机中的气隙磁场进行了解析计算。同时,对于有齿尖结构的定子槽,通过改进的卡特系数对气隙长度进行等效。为了比较,同时分析得到了单层Halbach结构气隙磁密的最优值。在此基础上,通过改变双层结构磁极上下层的厚度比、上下层中间磁极极弧系数以及边磁磁化角度等参数变量,分析优化电机的气隙磁密,并计算优化后的双层结构永磁电机的气隙磁密、感应电动势和电磁转矩。计算结果表明,在永磁用量相等的前提下,双层Halbach结构永磁电机的电磁性能优于单层结构。最后,通过有限元法验证了解析计算的正确性。     

Halbach型磁钢的永磁电机气隙磁场解析计算

随着稀土材料价格上涨、永磁电机成本增加,合理的设计Halbach磁体结构,可充分挖掘Halbach永磁电机磁钢的潜力.分析了每极三块的Halbach磁体磁化规律,建立了Halbach型永磁电机气隙磁通密度的解析模型,该解析法计算的气隙磁场与有限元方法计算结果吻合,验证了解析模型的正确性;研究了充磁角度对气隙磁通密度的影响,结合充磁角度传统计算公式,给出了极间有间隔的Halbach磁体充磁角度的计算公式;通过解析模型分析极弧系数和极对数对Halbach永磁电机气隙磁通密度切向分量的基波幅值和波形正弦性畸变率的影响,给出不同极弧系数、充磁方式和极对数时Halbach永磁电机气隙磁场的变化规律.     

组合磁化无槽永磁电机磁场分析与优化研究

永磁电机气隙磁场分布与采用的磁化方式密切相关,设计永磁的磁化类型是电机磁场分析的重要环节。在传统永磁电机采用常规单一充磁类型的基础上,提出由不同磁化方式组合后形成一种崭新的混合磁化方式。首先,采用二维解析法,通过求解拉普拉斯方程和准泊松方程,并依据磁场的边界条件,获得无槽永磁电机的空载气隙磁密精确解析式。然后,利用解析法快速计算的特点,在保证永磁体每极磁化区域单位体积平均剩磁相同的前提下,分析两种组合磁化方式的气隙磁场分布。接着,对永磁厚度进行优化分析。通过计算得出,组合磁化方式可增加气隙磁密径向分量基波幅值,降低气隙磁密中谐波成分,同时能够减小永磁体积,降低电机制造成本。最后,二维有限元法与二维解析法计算结果的一致性,验证了组合磁化解析模型的准确性。     

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。     

计及齿槽极间隔断Halbach型磁钢的PMSM气隙磁场解析分析

提出将分块式Halbach磁钢的单片磁钢角度与充磁夹角作为分析参数,并利用气隙复数磁导,获得基于这2个参数的计及定子齿槽的永磁同步电机气隙磁场解析模型;系统分析这2个参数对电机径向气隙磁密的影响,提出一种性能优于传统Halbach型磁钢的极间隔断Halbach型磁钢新方案;对比分析了任意定转子相对位置与不同定子槽口宽时,极间隔断Halbach与传统Halbach型磁钢对应的径向气隙磁密基波幅值与波形正弦性畸变率,验证了该极间隔断Halbach型磁钢的优越性;有限元分析验证了解析模型的正确性,并验证了解析模型参数分析结论的正确性。     

不等厚磁极永磁电机解析法分析

采用等效面电流的解析法求解不等厚磁极永磁电机的性能。推导在内弧偏心情形下,径向磁化和平行磁化无槽永磁电机的气隙磁密解析式;引入相对磁导函数,求解有槽电机的气隙磁密,进一步得到电机的反电动势以及电磁转矩等参数。对一台不等厚磁极永磁电机,给出了解析法计算结果。通过有限元法验证了该解析法的正确性。     

极靴式永磁同步电机径向气隙磁密分析

针对表贴式永磁同步电机空载径向气隙磁密波形正弦性差,加工复杂结构的永磁钢导致电机成本提高的问题,提出一种表贴式矩形永磁钢加装极靴的新型磁极结构。以标量磁位法为基础,建立了加装极靴后的空载径向气隙磁密解析模型,以一台18极54槽外转子永磁电机为例,通过有限元法验证了解析模型的正确性。此外,基于解析模型研究极靴结构参数对径向气隙磁密的影响规律,获得最优参数匹配。结果表明,加装极靴的永磁同步电机径向磁密幅值和波形正弦化程度明显提高。     

新型Halbach阵列盘式永磁电机的磁场解析

基于印制电路板(PCB)技术的盘式永磁电机(AFPMM)提出一种新型Halbach阵列的转子结构,该阵列结构简单、易于优化。运用矢量磁位法对新型转子产生的空载气隙磁密进行解析推导,获得关于气隙磁场的数学模型。基于该模型,保持永磁体总用量不变,以永磁体极弧系数比和径向长度比作为优化变量,气隙磁密基波幅值和谐波畸变率作为优化目标,确立最优转子结构参数。三维有限元仿真结果表明,解析法所得的气隙磁密波形与有限元法基本一致,验证了所提出解析模型的合理性。与传统Halbach阵列相比,新型Halbach阵列气隙磁密基波幅值提升了10.3%,同时谐波畸变率由19.8%降至4.8%,优化效果明显,可以有效降低高频工况下电机的涡流损耗、提升电机效率。最后制造一台样机进行相关实验测试,验证了解析和仿真分析的正确性,对PCB定子AFPMM的设计具有一定参考价值。     

基于双曲余切变换的Halbach阵列表贴式永磁电机转子偏心气隙磁场解析模型

精确计算气隙磁场是设计和分析永磁电机的关键。Halbach阵列永磁电机具有良好的转矩输出特性。转子偏心会对永磁电机产生不良影响,准确获得其偏心气隙磁场分布具有重要意义。采用双曲余切变换解析计算Halbach阵列表贴式永磁电机转子偏心气隙磁场。该文建立了Halbach阵列定子开槽、转子偏心永磁电机二维模型。将同心解析模型分为三类子区域,利用各区域边界条件求解拉普拉斯方程和泊松方程,通过矢量磁位求得同心气隙磁场,利用相对磁导函数对其进行修正,从而获得偏心空载气隙磁场,对其进行研究,并利用回归评价指标进行评估。不同偏心率下气隙磁通密度、不平衡磁拉力、齿槽转矩的解析结果同有限元结果吻合,验证了该文解析模型的有效性和正确性。     

磁极组合型轴向磁场无铁心永磁电机的设计与分析

在现有Halbach阵列永磁电机的基础上,提出了一种磁极组合式的Halbach永磁阵列轴向磁场无铁心电机,阐述了该电机的结构与优点,分析了该电机的电磁转矩。借助三维有限元分析方法,优化设计了组成转子磁极的Halbach永磁材料、软磁材料尺寸。在综合考虑单位体积永磁体所产生电磁转矩和气隙磁密正弦性的基础上,确定了电机转子磁极上轴向磁化、切向磁化永磁体以及软磁材料的极弧系数。与传统Halbach结构轴向磁场无铁心永磁电机相比,优化后的磁极组合型轴向磁场无铁心永磁电机,在保证气隙磁密大小一定的基础上,减少了永磁体用量,降低电机造价,从而提高了电机性价比。样机实验和有限元分析结果验证了所设计电机的正确性和有效性。     

圆筒型永磁同步直线电动机气隙磁场分析

气隙磁场是决定直线电动机性能的关键因素。利用有限元软件Ansoft Maxwell2D分析了3种不同动子结构圆筒型永磁直线电动机的气隙磁场。分析比较了3种动子无槽和有槽电动机的气隙磁场特点,分析了结构参数对电动机气隙磁场的影响。分析表明Halbach动子电动机气隙磁场强度较大,轴向磁化动子电动机气隙磁场接近正弦形,而径向磁化动子电动机气隙磁场十分接近矩形。分析结果为圆筒型永磁直线电动机的动子选择和设计提供了依据。     

Halbach结构在永磁交流伺服电机中的应用

由正弦波电流驱动的永磁交流伺服电机,因其优良的性能被广泛应用于航空、航天、船舶和军工等领域。而独特的Halbach磁体阵列结构因其特有的充磁方式,具有磁场分布正弦性好、气隙磁密幅值高等优点。为进一步提升永磁交流伺服电机的性能,给出了两类Halbach磁体磁感应强度解析式,分析了Halbach结构在永磁交流伺服电机中的应用及该结构电磁特点,并通过有限元仿真对比研究了平行充磁Halbach结构、径向充磁Halbach结构、常规平行充磁结构与常规径向充磁结构电机的气隙磁场与输出转矩。最后通过搭建实验测试平台验证了仿真的准确性。     

磁体结构尺寸对Halbach阵列的影响

基于Halbach磁体阵列结构的内转子永磁电机的基本模型,比较了Halbach磁体结构与普通磁极结构的永磁电机,分析了Halbach磁体结构的气隙磁密分布,得出磁体结构的气隙磁密、磁通随永磁体的厚度的变化规律,总结出Halbach阵列具有磁单边特性,且在强侧具有良好的正弦特性。     

三种不同充磁方式圆筒型永磁直线电机气隙磁场研究

影响圆筒型永磁直线电机性能的关键因素是气隙磁场的大小。利用有限元软件An-sys分析了三种不同充磁方式动子结构圆筒型永磁直线电动机在无槽和开槽时的气隙磁场磁密大小和波形。在其它结构参数不变时,分析了极弧系数、永磁体厚度和气隙大小随气隙磁密大小变化规律。得出了在相同条件下,轴向充磁和Halbach充磁方式气隙磁密大、变化范围广、受开槽影响小而径向充磁方式气隙磁密小,变化范围窄,波形畸变率高。得到的规律为动子选择和电机设计提供了依据。     

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。     

应用新型Halbach阵列的PCB定子轴向磁通永磁电机性能分析

本文针对定子为印刷线路板（printed circuit board,PCB）结构的轴向磁通永磁电机的特点,将一种新型的Halbach永磁体阵列应用于该永磁电机中,并对其性能参数进行分析。通过与传统Halbach永磁体阵列的无铁心轴向磁通永磁电机相比可知:应用新型Halbach永磁体阵列的PCB定子轴向磁通永磁电机在相同尺寸及同等永磁体用量条件下,具有更高的气隙磁密及每极磁通,可获得更高的空载反电势,同时有效地降低了漏磁,使得气隙磁密更接近正弦波,电机的整体性能得到了提升。有限元分析结果和样机的对比试验证明了应用新型Halbach永磁体阵列的PCB定子轴向磁通永磁电机的合理性和有效性。为PCB定子轴向磁通永磁电机的设计提供一定的参考。     

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。     

利用永磁环产生轴向均匀磁场的研究

以轴向磁化永磁环和径向磁化永磁环的磁场分布为基础,分别分析了利用径向磁化永磁环和利用轴向磁化与径向磁化永磁环组合的结构获得均匀磁场的可能性.模拟计算表明,当结构尺寸适当时,两种形式均可以获得轴向均匀磁场.在分析对比这两种方法优劣的基础上,以轴向磁化和径向磁化永磁环组合结构为蓝本,设计了一个由多块辐射状径向磁化永磁环和轴向磁化永磁环组合而成的轴向均匀磁场结构,结构总长400mm,均匀区长度达到234mm,约占总长的60%,均匀区的磁感应强度达到0.7T.     

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。     

轮毂多盘式无铁心永磁同步电机永磁体结构优化

将不等厚排列技术与90°Halbach阵列以及不等宽排列技术相结合应用到两个外转子磁钢分析,中间盘采用普通磁钢排列,通过改变磁钢排列的厚度及宽度,来进一步提高多盘式无铁心永磁同步电机气隙磁密的基波幅值和波形的正弦性,从而提高电机性能。对16极盘式永磁同步电机进行仿真建模,将"不等宽排列技术+90°Halbach阵列"模型以及其优化模型"不等厚排列技术+90°Halbach阵列+不等宽排列技术"进行静态气隙磁场对比分析。仿真数据表明,"不等厚排列技术+90°Halbach阵列+不等宽排列技术"使得周向磁密波形和切向磁密波形都大为改善,磁场波形更接近于正弦分布特征,其中周向磁密波形畸变率改善了67.02%,气隙周向磁密幅值提高了8.15%。