基于永磁形状的BLDC永磁电机转矩分析与优化

无刷直流永磁电机因节能高效、便于使用等优势而受到广泛关注。然而,该类电机通常因空载感应电动势波形不理想而具有转矩脉动较大等问题。以24槽4极无刷直流永磁电机为例,基于气隙磁场调制理论分析了转子永磁型无刷直流电机的空载感应电动势等电磁特性,以磁场调制原理中的永磁初始磁动势源为切入点,探讨影响电机空载感应电动势波形系数的因素并揭示感应电动势形成的内在机理。首先,针对24槽4极传统转子永磁无刷直流电机的运行原理和空载气隙磁场进行分析,并根据得出的结论采取永磁体谐波削极的方式优化电机空载感应电动势波形系数,最后通过仿真验证了理论分析和优化方案的合理性。     

新型盘式横向磁通永磁电机及其空载电动势波形的解析计算

盘式横向磁通永磁电机具有横向磁通永磁电机和盘式永磁电机的综合优势。本文提出一种新型盘式横向磁通永磁电机,首先给出了该电机的原理结构及优越性;然后将其转子盘沿径向等分成若干单元,并基于转子盘磁体的体积积分,求得定子相绕组的永磁磁链,进而求得该种电机空载电动势波形的解析表达式;最后通过三维电磁场有限元方法和样机实验方法验证了所给出理论解析计算的正确性。     

计算同步发电机负载电动势波形的转子最小旋转角

为了快速计算同步发电机负载运行时的稳态性能,希望在转子相对定子旋转的角度尽可能小的情况下就能够准确得到电枢绕组电动势波形。根据电机理论,针对分数槽绕组同步发电机负载运行时的气隙磁通密度进行分析,得到了准确计算电枢绕组电动势波形的转子最小旋转角。应用有限元法计算最小旋转角范围内定、转子不同位置下的电磁场,通过对电磁场计算结果进行后处理,得到了定子每个齿磁通在一个或者多个周期的变化波形,从而快速计算电枢绕组电动势波形。对两台不同电枢绕组形式的永磁同步发电机负载电动势波形进行了计算,通过对计算结果进行比较,验证了方法的正确性。在一台电机上进行了实验,计算结果和实验结果较吻合。该方法具有计算准确以及计算量小的优点。     

数值解析结合法提高电机磁场后处理计算精度

气隙磁场对电机的性能分析十分重要，但是气隙网格的存在使电机磁场后处理计算难以达到满意的精度。采用数值解析结合法计算旋转电机磁场，气隙内无网格，转子可以自由转动，能方便地计算电机感应电动势和电磁转矩，并能容易地找到齿槽定位转矩的最大值，计算精度也相应提高。计算了一台非均匀气隙各相解耦永磁同步电动机的感应电动势和齿槽定位转矩，电动势波形和实验波形取得很好的一致，证明了方法的正确性和有效性。     

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。     

基于田口法的永磁发电机气隙磁通密度优化

为了减小气隙磁场中谐波含量过高对永磁发电机性能造成的不利影响,结合Taguchi方法和时步有限元法对内置"V"型转子磁路结构的永磁电机进行优化设计。首先,以永磁电机的4个结构参数为优化变量,2种电机特性为约束条件,对采用非均匀气隙结构的永磁电机的转子结构进行多目标多变量优化,得到了最优空载下非均匀气隙磁通密度波形时的转子结构;然后通过对比优化前后的气隙磁通密度谐波含量,验证Taguchi方法优化结果的优越性和正确性;最后,运用时步有限元方法计算得到了考虑定子斜槽的电动势波形,进一步验证了该文气隙磁通密度优化的有效性。     

利用不均匀气隙优化自起动永磁电机的气隙磁密波形

为了减小空载气隙磁场中谐波磁场对电机性能的影响,对内置"V"型转子磁路结构自起动永磁同步电动机的转子磁极形状进行了优化。采用不均匀气隙结构,以有限元为工具并利用遗传算法对空载气隙磁密波形进行了优化,使其中的谐波含量较小,得出了转子磁极的最优偏心距。在此基础上采用时步有限元方法,在考虑定子开槽、斜槽结构并计及饱和的情况下,对优化前后电机的电动势波形进行了分析对比,并通过试验验证了所采用的时步有限元计算程序的有效性。有限元计算结果表明,通过优化偏心的不均匀气隙设计,电机的空载气隙磁密和电动势波形得到了明显改善。     

基于等效磁路法的轴向永磁电机效率优化设计

针对双转子单定子模块化轴向永磁电机的磁场和性能计算,基于等效磁路法提出一种快速计算模型,探讨了定子内外径、永磁体轴向长度、气隙长度等参数对电机损耗和效率的影响。针对一台30k W定子模块化轴向永磁电机进行了效率优化设计,进一步利用所提出的等效磁路模型计算了电机气隙和定子齿的磁通密度波形、感应电动势等。该模型考虑了磁路饱和、电枢反应、漏磁通以及定转子相对运动的影响,将计算结果与有限元法进行对比,验证了模型的正确性与优化设计的有效性。     

Halbach阵列磁力变速永磁无刷电机解析计算与设计

精确计算气隙磁场是分析与设计复合电机的关键,该文运用二维解析法计算Halbach阵列磁力变速永磁无刷电机气隙磁场。根据磁力变速永磁无刷电机的结构特点,分别建立磁力齿轮和永磁无刷电机两部件解析模型;求解场域主要有内中外三层气隙、内外双转子永磁体区域和内外双定子槽区域,每个子区域的求解方程通过边界连续条件建立联系。计算得到各子区域的矢量磁位磁通解析式,计算电机磁场、齿槽转矩、反电动势和电磁转矩;制作样机并搭建控制系统试验平台,进行空载和负载试验测试。解析计算波形和试验样机测试波形对比,结果一致,证明了该方法的正确性和有效性。     

轴向磁通空气心永磁同步发电机的谐波抑制

通过改善永磁体形状为正弦形,优化轴向磁通空气心永磁同步发电机的电动势波形。利用解析法计算正弦形永磁体的轴向磁密分布。通过有限元软件分析、比较了不同极弧系数情况下正弦形永磁体结构电机的磁密分布和电动势波形。最终得出结论:对于正弦形永磁体,随着极弧系数的增大,电机气隙磁密波形以及电动势波形的总谐波失真度逐渐减小,波形更加趋近正弦波形。     

电动汽车用高功永磁同步电机设计与特性分析

针对传统内置式永磁同步电动机(PMSM)反电动势谐波含量高,转矩脉动大等缺点,提出一种高功率密度电动汽车用不等气隙永磁同步电机(UG-PMSM),通过气隙的不均匀特性,改善空载反电动势正弦特性.建立了UG-PMSM电机功率尺寸方程,利用二维有限元分析法,分析了空载永磁磁链、空载感应电动势、输出转矩、转矩脉动、齿槽转矩等静态特性,计算了UG-PMSM电感特性,在此基础上,研究了UG-PMSM过载能力与弱磁扩速范围.仿真分析结果验证了UG-PMSM高功率密度、高转矩密度、低转矩脉动等优点,适合应用于电动汽车驱动系统中.     

电气双余度无刷直流电动机转子极弧系数研究

电气双余度是一种常见的无刷直流电动机(Brushless DC motor,BLDCM)的余度形式.极弧系数直接决定着电气双余度BLDCM的电动势(Electromotive force,EMF)的平顶宽度,而EMF波形对电气双余度BLDCM的电磁转矩波动有着直接的影响;并且极弧系数对电气双余度BLDCM的定位转矩也有着显著的影响.本文针对电气双余度BLDCM,研究了极弧系数对其转矩波动的影响.首先分析了由非理想EMF波形引起的电气双余度BLDCM电磁转矩波动;然后,采用电磁场有限元分析,计算和分析了极弧系数对电气双余度BLDCM的EMF波形和定位转矩的影响;进而得到了有助于减小各种转矩波动的极弧系数取值范围.最后通过示例的计算分析给出了电气双余度BLDCM极弧系数选取的参考方法.     

凸极式永磁无刷直流电机直接转矩控制研究

提出并分析研究了一种凸极式永磁无刷直流电机定子磁链幅值不控型直接转矩控制策略。结合凸极式永磁无刷直流电机及其两相导通工作特点,全面建立起两相导通时电压矢量对电磁转矩控制理论。采用转矩单环控制,根据转矩滞环比较输出和定子磁链位置给出所施加的电压矢量,实现转矩的快速控制。推导出两相静止坐标系下电磁转矩计算模型,并针对实际无刷电机转子反电势既非理想梯形波,又非正弦波的情况,提出采用查表方式获得转矩观测所必需的转子反电势和转子磁链方法。实验结果表明,所提控制方案具有快速的动态响应和良好的稳态性能。     

Adjustable magnetic gear

A mathematical interpretation of a combined electromechanical device possessing the properties of a synchronous machine connected to a frequency converter and of a magnetic gear with a variable reduction factor is considered. The stator winding of the synchronous machine is concentrated (tooth winding), and its spatial period covers the full number of teeth z. An expression for the frequency response of the magnetomotive force (MMF) of the tooth winding was obtained. In the variant under consideration (z = 36), the fundamental harmonic of the magnetic field, which sets the number of stator pole pairs, is v = p = 17. The MMF of the magnets of the internal rotor is represented as a Fourier series. Formulas are given making it possible to calculate the magnetic fields in two air gaps of the magnetic gear caused by the stator current and magnets of a high-speed rotor (using the method of specific magnetic conductivity). The electromagnetic torques of the gear shafts are calculated by the stretch method. The electromagnetic torque caused by the stator winding is determined on the basis of the instantaneous values of the EMF of rotation and transformation of each winding coil without using the winding coefficients. A differential equation system for calculating the transient processes in three channels of a wind-power plant is obtained: in two mechanical channels and in one electrical channel. A closed system with a PID controller is proposed making it possible to stabilize the rotational speed of the electric generator of a wind-power plant with a variable wind speed.     

新能源汽车用永磁辅助同步磁阻电机噪声及续航优化研究

永磁辅助同步磁阻电机具有高转矩/功率密度、高效率区间、高转速、低反电动势、低成本等优势,在新能源领域特别是乘用车驱动系统中得到越来越广泛的应用。但该类电机凸极率大、波形畸变大、转矩脉动大,易导致电机振动噪声及效率低下,进而导致整车振动噪声及续航不足等问题。通过增加转子隔磁孔,改变磁路走向的方式,降低了电机全转速段转矩脉动和对应负载气隙感应电动势波形总谐波畸变(THD)。对电机优化前后径向电磁力及谐响应进行仿真对比分析,并通过试验验证了该优化方法的有效性。     

搅拌机高效永磁同步电机的设计与分析

永磁同步电机（PMSMs）具有高效、高转矩密度、高功率因数等优点,应用于发电厂辅机系统节能效果显著,具有很好的应用前景好。搅拌机是辅机系统的重要部件,本文基于Easimotor软件的磁路法,为搅拌机设计了一字形、V形、U形与W形转子结构的四种嵌入式PMSMs。在保持定子不变的条件下,比较了四种PMSMs的效率、功率因数与永磁体用量,表明U形转子性能更具有优势,而且永磁体用量少。基于有限元建立了其2D仿真模型,仿真分析空载时的磁场分布与齿槽转矩、额定负载时的磁场分布、平均电磁转矩与转矩脉动,为搅拌机高效永磁同步电机的设计提供参考。     

双定子无刷双馈发电机绕组分布对性能影响分析

针对传统无刷双馈发电机存在功率密度低的问题,提出改善功率密度的一种新型笼障转子耦合双定子无刷双馈发电机。由于该发电机输出功率与内外单元电机电磁特性一致性相关,而内外定子绕组电动势相位和幅值需满足电磁特性一致性的要求,因此需研究绕组分布对该种电机性能的影响。为此,根据电机的结构,分析该发电机不同绕组层数和不同绕组位置对电机气隙磁密、绕组电动势、效率和电压调整率的影响;在此基础上,提出确保内外定子绕组电动势相位一致的方法,并进行该方法的验证和分析;最后,制造了一台样机,并进行电机性能实验验证。通过有限元计算和实验结果的比较分析,验证了分析方法的正确性和有效性,同时也验证了内外单元电机电磁特性一致。     

柔性平动式啮合电机动态分析与转矩控制

介绍了一种柔性机构平动式啮合电机结构和运行原理.该电机利用4组磁极间的磁场力驱动转子在柔性机构约束下绕定子轴线做圆周平动,进而直接带动摆线机构输出低速大扭矩.针对该电机特点,依据磁共能原理,采用动态分析方法建立了电机的磁场和转矩特性模型,分别运用解析方法和有限元方法计算了电机的电感特性;结合直接转矩控制原理推导出了柔性平动式啮合电机的转矩控制算法.设计了物理样机和控制系统,通过仿真和物理样机实验证明了直接转矩控制较开关控制方法降低了电机的振动,控制转速波动在10%以内.理论分析和实验结果均表明该转矩控制方法具有较高的可行性和实用性.