永磁球形电动机转矩特性的数值计算与分析

提出了一种新型永磁球形电动机的基本结构与运行机理,建立了其三维有限元分析模型;针对驱动电机自转的转矩进行了数值仿真,得到了永磁球形电动机的电磁转矩特性曲线和磁阻转矩特性曲线．通过比较分析球形电机不同转子极充磁方式、定子线圈铁心磁导率以及定子外壳是否采用铁磁材料时电磁转矩特性的变化,得出了提高球形电机输出转矩的有效途径．系统地分析了球形电机主要参数的变化对电机转矩的影响,得到了永磁球形电动机最大静转矩随定子极高度、定子铁心半径、永磁含量系数、线圈安匝数以及气隙长度等参数的变化规律．分析结果为永磁球形电动机的优化设计提供了依据．     

飞轮储能用Halbach阵列定子无铁心无轴承永磁电机的设计

为了有效简化系统结构,提高系统功率密度和效率,提出一种外转子Halbach阵列定子无铁心无轴承永磁电机应用于飞轮储能系统的电动机/发电机.阐述了外转子无轴承永磁电机的工作原理;分析了Halbach阵列永磁转子的结构和性能;通过有限元方法对电机的气隙磁场、反电动势、径向悬浮力、单边磁拉力和电磁转矩进行计算和分析;最后采用场路耦合瞬态有限元法分析了无轴承永磁电机的转子涡流损耗.仿真结果表明,与传统的无轴承电机相比,Halbach阵列定子无铁心无轴承永磁电机在气隙磁场、反电动势、径向悬浮力、单边磁拉力、电磁转矩以及转子涡流损耗方面表现出更好的性能,适合应用于飞轮储能系统.     

轴向磁通电机中Halbach阵列永磁体的解析优化方法

为了进一步增大采用软磁复合材料铁心的轴向磁通永磁电机的电磁转矩,针对其不等宽的两段式Halbach阵列永磁体进行解析优化,利用无槽2D等效模型和有槽气隙相对磁导率解析了气隙磁场和电磁性能;进而基于电磁转矩的导数和复化求积公式推导了使电磁转矩最大化的Halbach阵列最优轴向充磁系数的表达式;采用轴向磁通永磁电机的3D有限元方法分析验证了气隙磁场、反电动势、电磁转矩以及Halbach阵列最优轴向充磁系数的解析解的准确性。Halbach阵列解析优化的结果表明:当轴向充磁系数为0.82时,轴向磁通永磁电机的电磁转矩达到最大;最优轴向充磁系数取决于极对数、永磁体厚度、电机径向尺寸和气隙宽度等;当极对数为5时,最优轴向充磁系数会随着永磁体厚度的增加而减小,而电机径向尺寸的增加会导致最优轴向充磁系数的增大;气隙宽度对最优轴向充磁系数的影响较小,基本可以忽略。     

三段式Halbach阵列永磁电机解析建模与研究

针对传统子域模型在分析电机电磁性能时无法考虑软磁材料磁导率的缺陷,提出了一种考虑软磁材料磁导率为具体值的三段式Halbach阵列永磁电机多层解析模型。根据内部激励源和媒介的不同,将永磁电机全域划分成Halbach阵列永磁体层、气隙层、定子齿尖层和电枢绕组层4类磁场求解层。利用柯西乘积和复数形式的傅里叶级数来描述磁场求解层中媒介磁导率分布情况。基于麦克斯韦方程组建立了每个磁场求解层的拉普拉斯方程或泊松方程,结合边界条件求解出每个磁场求解层的磁矢位。利用多层解析模型计算了电机的气隙磁密、空载反电动势和输出转矩等电磁特性,并与有限元模型计算结果进行了对比。计算结果表明：多层解析模型和有限元模型计算得到的气隙磁密波形吻合得很好,两者的空载反电动势峰值和输出转矩平均值的相对误差均小于1%,证明了多层解析模型的正确性。最后利用多层解析模型研究了槽开口宽度、磁极宽度和充磁夹角对电机输出转矩的影响规律,给出了输出转矩最优的设计方案。仿真结果表明：优化后的输出转矩脉动削减了75.7%,证明所提出的多层解析模型不仅计算准确而且计算速度快,在电机的初始设计和电磁性能影响规律的探究上具有明显的优势。     

内置式Halbach永磁同步电机的参数敏感度分层优化设计

针对内置式永磁同步电机齿槽转矩和转矩脉动大引起的振动噪声问题,提出一种转子开辅助槽的内置式Halbach永磁同步电机结构。首先,计算电机电磁转矩、气隙磁密、齿槽转矩的解析函数,并建立电机仿真模型。其次,利用参数敏感度和中心复合设计响应面相结合的分析方法对电机结构参数进行分层优化,两层分别采用最大最小蚁群算法和参数扫描法寻优。最后,将优化后的结构与相同永磁体体积的普通V型、倒三角型和倒三角开槽型3种电机的电磁性能进行对比。结果表明：所提出的内置式Halbach开槽型永磁同步电机在不损失电磁转矩的基础上,大幅度降低了齿槽转矩,抑制了转矩脉动,改善了气隙磁密和反电势波形的正弦度,有效提升了电机的电磁性能。     

永磁超环面电机模糊终端滑模的直接转矩控制

根据永磁超环面电机的结构特性和运行原理,推导了其结构参数和运动参数对电磁参数影响的表达式,建立了永磁超环面电机的数学模型并应用状态空间法进行了动态特性分析。针对该电机电磁转矩和输出转速的周期性波动,在转速环中通过模糊控制规则得到其结构参数与运动参数的增量以调节终端滑模控制器参数。为了提高永磁超环面电机的响应速度,应用直接转矩控制在转矩环和磁链环中设计了supertwisting滑模控制器,并结合空间矢量调制对永磁超环面电机进行控制。仿真实验表明:此控制策略有效地提高了永磁超环面电机的响应速度,减小了输出转速和电磁转矩的波动,得到了良好的控制效果。     

中心部分分段Halbach永磁同步轮毂电机解析计算与优化设计

针对永磁同步轮毂电机转矩脉动和涡流损耗大的问题，提出一种主磁极中心部分分段结构。采用Halbach充磁方式，永磁体主磁极中心部分分段，边界磁极与主磁极不等宽不等厚。首先，在二维极坐标系下构建解析模型，采用精确子域模型法，对解析模型在空载、电流源激励及负载下的气隙磁密和转矩进行计算。其次，建立10极12槽永磁同步电机模型并对其进行有限元仿真验证，提出一种分级优化方法，对电机结构参数进行优化，从而达到降低永磁同步电机气隙磁密谐波畸变率、转矩脉动及涡流损耗的目的。最后，与相关8种磁极结构永磁同步电机模型的各项电磁性能展开对比。结果表明：分级多变量多目标优化算法提高了优化效率与精度；十字型主磁极中心部分分段Halbach永磁同步电机可以显著减小涡流损耗，有利于牵引电机过载运行；H型主磁极中心部分分段Halbach永磁同步电机可以显著降低转矩脉动，提高电磁转矩和机车稳定运行能力。     

磁场调制型永磁容错轮缘推进电机设计与优化

针对永磁容错轮缘推进电机定子槽数过多、电机质量较大、转矩密度较低的问题,提出一种磁场调制型永磁容错轮缘推进电机结构.采用解析法分析了电机的工作原理,采用单参数扫描法研究了定子关键结构参数对电感和反电动势的影响,采用响应面法和多目标遗传算法对电机进行优化,得到最优的定转子参数.利用有限元仿真软件分析了电机的气隙磁密、反电动势、电磁转矩以及容错性能.结果 表明,磁场调制型永磁容错轮缘推进电机具有更高的转矩密度和更强的故障容错能力.     

一种永磁直线电机的永磁体阵列设计

针对一种无铁心单边永磁直线电机的结构形式，推导了工作气隙磁场的二维解析解，用于电机阵列类型、永磁体厚度和永磁体占空比等结构参数的设计．解析计算表明，在该直线电机结构形式下，永磁体阵列采用常规阵列就可以得到与分段Halbach阵列接近的磁场，使电机的加工与装配得以简化，这与ANSYS有限元计算结果一致．该分析直线电机磁场的方法仅需修改边界条件，就可用于铁心直线电机的设计．基于文中的分析，实现了一个直线电机驱动的单自由度工作台，其行程为27mm，移动件的质量为1．4k，最大加速度为11．5m／s^2．     

新型三段Halbach永磁阵列无铁芯AFPMG设计与分析

为解决传统Halbach永磁阵列无铁芯轴向磁通永磁发电机(AFPMG)由于磁极永磁体用量增加而导致功率密度降低的问题,提出了一种变辅助磁极参数(极角和充磁夹角)的新型三段Halbach永磁阵列无铁芯AFPMG.采用三维有限元法,对新型三段Halbach永磁阵列辅助磁极极角和充磁夹角进行了多目标优化设计,从而确定了最佳辅助磁极参数.最后对比了无铁芯AFPMG中采用不同磁极结构对发电机电压波形质量和功率密度的影响.结果表明：新型永磁发电机可以使发电机电压正弦波畸变率由2.40%下降为0.44%;相较传统两段Halbach和传统三段Halbach永磁阵列的无铁芯AFPMG,新型永磁发电机功率密度得到显著提高;新型永磁发电机的永磁体用量减少了16.68%,进而减轻了转子盘质量,使发电机更加适于低风速下稳定发电.     

动磁型同步表面电机的磁场和推力

针对传统定位工作台速度和定位精度低的缺点，提出了一种采用定子铁心和相互垂直分布的两对推力绕组做定子、动子平台，以及附着在其下表面的4个Halbach磁阵做动子的动磁型同步表面电机．采用分离变量法获得了表面电机磁场强度、磁通量密度、磁通量、反电动势和电磁推力的表达式，并分析了磁阵厚度、节距、极数、线圈厚度和空气隙长度等不同设计参数对表面电机推力的影响，得到了在最大推力下表面电机的设计参数．将计算结果与二维有限元结果进行对比，证明了分析方法的正确性和参数计算方法的可靠性，为进行表面电机动力学建模和仿真，以及伺服控制系统的开发和设计提供了研究基础．     

一种特殊结构永磁摆动电机的设计

研究了一种用于主动防护、光学成像等系统的一种永磁摆动电机的设计方法,其特点是永磁体切向充磁。以经典磁路计算方法,推导计算了反电势、力矩、电枢电感等电机特有参数。仿真结果表明在电机工作摆动范围内反电势与力矩波形均为平顶波,并得出了各参数的运算公式。用Maxwell2D软件进行有限元建模仿真分析,验证了各项磁路计算公式。该摆动电机功率密度较高,可靠性高,控制方式简单。     

多相永磁无刷直流电机凸极效应的数学模型

考虑到多相永磁无刷电机转子磁路结构及气隙磁密波形对电机运行性能和控制策略的影响,需要建立准确的电机数学模型。该文根据永磁电机磁场的特性,推导了电磁转矩和反电势的一般表达式,建立了考虑凸极效应和气隙磁密谐波的多相永磁无刷直流电机数学模型,用有限元方法计算模型中的参数。结合一台样机进行了仿真和实验,结果表明该数学模型既准确反映了电机的性能,又可用于多相永磁无刷电机整个系统的仿真计算。     

W型永磁电机转矩脉动分析与抑制方法

针对永磁同步电机转矩脉动偏大时电机输出性能较差的问题,对W型永磁同步电机的转矩脉动进行详细分析并研究其抑制方法.首先利用等效磁路法与洛伦兹力定律,推导出电机转矩脉动解析式,基于解析式对W型磁极的位置参数进行优化,并利用有限元软件仿真验证;然后利用转子极面偏心的方法进一步削弱电机转矩脉动,并分析最优偏心距.研究表明,当W...     

扇区集中式改进型不等齿多相永磁同步电机分析

为了降低电动汽车用表贴式永磁同步电机(surface mounted permanent magnet synchronous motor,SPMSM)的相间互感,提高其容错性能,提出一种可模块化设计的采用改进不等齿宽定子的扇区集中式分数槽集中绕组(fractional slot concentrated winding,FSCW)定子拓扑结构。在此基础上,推导了这种新拓扑结构仅由定子绕组产生的气隙磁密频谱的可行极槽组合,并对其可选的极槽组合方案进行分析。有限元分析(FEA)证明了这种新型拓扑结构可以有效地减小相间互感,提高输出转矩。通过建立采用这种新型拓扑结构的每相2线圈、每相3线圈、每相4线圈的六相SPMSM模型,比较反电动势(electromotive force,EMF)、转矩脉动、损耗和隔磁性能,得出了每相2、3、4组线圈的扇区集中式改进型不等齿FSCW电机的特性。结果表明,每相偶数组线圈和极数较少的极槽配合方案的转矩波动更低,隔磁性能更好,另外,每相线圈数越多电机的永磁体涡流损耗越低,但定子铁芯损耗越高。     

磁场调制型磁齿轮机构转矩特性有限元分析

磁场调制型磁齿轮机构是一种新型磁齿轮装置,在对其基本结构和工作原理进行分析的基础上,利用Ansoft Maxwell软件建立了该机构的有限元模型。通过数值计算,分析了气隙厚度、调磁环厚度、永磁体厚度、磁极对数、轴向长度和偏心距对外转子最大输出转矩和转矩密度的影响规律。结果表明:构件偏心对磁齿轮机构转矩特性及转矩密度影响很小,其它参数对磁齿轮机构的输出转矩及转矩密度均有较大影响。此研究可以为磁齿轮系统参数优化提供依据,同时也为该机构的动态仿真奠定基础。     

永磁铁氧体多极磁环取向结构的研究

将Halbach阵列结构创新运用到各向异性铁氧体多极磁环的注塑模具取向结构中,对常规径向取向结构和Halbach阵列取向结构进行对比研究,运用有限元软件仿真辅助得出两种不同取向结构的磁场云图和磁场强度波形分布.分析结果表明:运用了Halbach阵列的新型取向结构的磁场强度有明显的增加,该结构相对独特易行,可以有效解决生产实践中各向异性铁氧体多极磁环注塑过程中取向不充分的问题.     

新型12/8极双凸极变速永磁电机的设计与分析

提出了一种新型12／8极双凸极变速永磁DSPM电机，它集永磁无刷直流PMBLDCM电机和开关磁阻SRM电机的主要优点于一身，加上其独特的转子斜槽和12／8极结构，该电机具有功率密度高、用铜量小、绕组电阻小和转矩脉动小等优点。用有限元法（FEM）对该电机的磁场分布、永磁磁链、反电势和电感特性进行了计算和分析，计算中考虑了永磁磁场和电枢反应的相互作用，样机实验结果验证了理论分析的正确性。