一种永磁同步电主轴转矩脉动和电磁力波的抑制方法

针对磁极为平行充磁且两边平行的表面式永磁同步电主轴存在转矩脉动和径向电磁力波的问题,提出一种磁极结构优化方法以抑制转矩脉动和径向电磁力波。基于等效面电流法建立磁极表面半径为任意值的永磁同步电主轴转子气隙磁场的解析模型;综合研究转子气隙磁场对定子开槽电主轴转矩脉动、径向电磁力波的影响;在最小气隙长度不变的前提下,确立优化目标(气隙磁通密度的谐波和幅值),并通过迭代计算的方式得到满足不同优化目标的永磁体磁极结构方案(方案一结构和方案二结构);最后,通过有限元法验证转子气隙磁场解析模型的有效性,并对原结构电主轴、方案一结构电主轴和方案二结构电主轴的转子气隙磁场谐波、转矩脉动、齿槽转矩、平均转矩和径向电磁力波进行对比分析。结果表明:该优化方法可以得到满足不同优化目标的永磁体磁极结构方案,实现原电主轴指定阶次磁通密度谐波、转矩脉动和径向电磁力波的综合抑制。     

锻压设备用永磁力矩电机燕尾形隔磁装置结构参数对转矩的影响

为进一步提升永磁力矩电机的转矩性能并加强表贴式永磁体的贴磁稳定性，讨论了一种新型燕尾形隔磁装置结构。首先，搭建电机初始模型，并对新型燕尾形隔磁装置结构进行参数化设计。其次，根据电机的等效磁路模型和电磁转矩产生原理，建立了考虑燕尾形隔磁装置结构的平均转矩和转矩脉动数学模型。然后，借助ANSYS Maxwell有限元仿真工具，以平均转矩为优化目标，对不同隔磁装置槽口宽、隔磁装置内圆半径及位置进行了仿真分析并讨论其变化规律。最后，将优化后电机与初始电机的平均转矩和转矩脉动进行了对比分析，结果表明，最优隔磁装置结构参数方案提高了37.2 N·m的平均转矩且削弱了0.04%的转矩脉动。     

基于电压谐波注入算法的PMSM转矩脉动抑制研究

在永磁同步电机矢量控制系统中，受电流谐波的影响，电机产生转矩脉动。为了解决此问题，利用谐波注入原理设计一种电压谐波注入器。利用坐标变换提取待消除次数的电流谐波，考虑到基波会影响到谐波的提取精度，设计一种消去基波的电流谐波提取结构。利用提取到的电流谐波，设计针对5、7次谐波的电压谐波注入器。最后通过实验对比，证明了所提方法能够明显抑制电机转矩脉动。     

气隙形状对永磁同步电主轴齿槽转矩的影响

齿槽转矩是由于谐波磁势与气隙磁导的相互作用产生,齿槽转矩的变化引起电机振动与噪声,影响永磁同步电主轴的稳定性。提出了一种削弱永磁同步电主轴齿槽转矩的方法,可以提高高档数控机床的工作精度。借助ANSYS有限元分析软件,建立了永磁体同步电主轴有限元模型,分析其电磁特性。通过改变非均匀气隙中不同的最长气隙长度与其偏移位置角度气隙形状参数,总结出齿槽转矩和额定转矩的变化规律。依据最佳参数设计永磁同步电主轴,可有效地降低齿槽转矩。研究表明:同一最长气隙长度下,随着偏移位置角度的增加,齿槽转矩先下降,然后开始增加;而额定转矩是先呈现上升趋势,后逐渐开始下降。合理设计永磁同步电主轴气隙形状可以有效地削弱齿槽转矩,且不会减小额定转矩值。     

转子结构优化的内置V型永磁电机齿槽转矩研究

为了降低内置V型永磁电机的齿槽转矩，提出在提高齿槽转矩对称性的基础上结合改进非均匀气隙的方法降低齿槽转矩。首先，研究齿槽转矩对称性产生原理，通过优化转子参数Rib和HRib使对称系数由40%提高到93.3%,但齿槽转矩峰值也由1.30 N·m增加到1.54 N·m;在提高对称性的基础上，对传统非均匀气隙进行改进，齿槽转矩峰值可大幅降低。通过仿真分析得到，仅提高齿槽转矩对称性，传统非均匀气隙齿槽转矩峰值由1.54 N·m降低到1.05 N·m,仅仅降低了31.8%,改进非均匀气隙后齿槽转矩峰值降低到0.25 N·m,降低了86%,说明改进非均匀气隙能更好的结合对称性降低齿槽转矩；最后分析优化后空载气隙磁密和空载反电势谐波畸变率基本保持不变，说明优化后不会恶化电机其他性能。     

永磁同步电主轴磁极结构对气隙磁密分布的影响

永磁同步电主轴设计的关键因素之一是如何确定产生所需气隙磁密的永磁体的尺寸。传统的永磁体尺寸设计采用经验公式估算,不具有准确性。文章阐述不同磁体尺寸对三种磁极结构径向磁通永磁同步电主轴气隙磁密的影响。借助于三种磁极结构的静态有限元模型仿真,揭示出永磁体体积和产生磁通的永磁体面积之间的直接关系。因此,一旦确定了最小永磁体体积,就可以很容易的计算出产生磁通的永磁体面积。此技术也可用来设计转子截面积有限的异步启动永磁同步电主轴。     

永磁同步电主轴的电磁噪声分析

为了提高永磁同步电主轴的加工精度、减小振动、降低其电磁噪声,考虑谐波磁动势的影响,推导永磁同步电主轴气隙磁密的解析表达式,提高了永磁同步电主轴径向磁密的计算精度。采用解析法计算径向磁密及其谐波,利用有限元法求解径向电磁力。建立该永磁同步电主轴的三维模型并进行模态分析以及谐响应分析,实测了电主轴的振动加速度。将模型电磁力频率以及模态分析结果与实测振动加速度频谱进行对照,结果表明径向电磁力是引起振动的主要原因,共振是产生噪声的主要因素。通过对永磁体结构的优化,减小了永磁同步电主轴的径向电磁力。通过噪声仿真分析,验证了电主轴结构优化后噪声的降低。     

一种机电集成锻造操作机钳杆永磁传动旋转装置

本文提出的机电集成锻造操作机钳杆旋转永磁传动装置,集磁场调制型磁齿轮、机械齿轮、伺服电机驱动、控制技术于一体,通过Solidworks建立了机电集成锻造操作机钳杆旋转永磁传动装置的三维模型,然后利用有限元法对其进行分析研究,得出了机电集成锻造操作机钳杆旋转永磁传动装置两层气隙磁密及其所对应的空间谐波次数、静态转矩特性、动态转矩特性、启动特性.     

基于多空气槽新V型转子超高效NVRPM优化设计

依据指标优化设计一款额定功率22 kW、额定转速3 000 r/min的压缩机用内置新V型转子永磁同步电机(NVRPM)。由于V型结构永磁电机较多的永磁体块数造成转子极间漏磁增大,以及气隙磁场含有较大的谐波分量易导致损耗增加、效率降低,在初始V型转子上进行3处结构的优化设计：转子面上添加多空气槽;余弦型非均匀气隙;转子分段斜极式。通过有限元仿真NVRPM的电磁特性,并且计算最佳斜极角、分析非均匀气隙中余弦函数的幅值,证明优化后新电机能够减少损耗22.6%、削弱齿槽转矩98.2%、降低转矩波动11.7%。另外,试制实验样机并测试效率高达96.32%且运行区域宽广高效。因此NVRPM的优化设计具有实践性,适合压缩机生产使用。     

转子结构对永磁同步电主轴转矩脉动的影响

齿槽转矩是由转子与定子齿间电磁力的切向分量所构成。齿槽转矩的变化引起转矩脉动,影响永磁同步电主轴稳定性。不同的转子表面结构,会引起气隙的不均匀,影响气隙磁场分布,导致磁导发生较大的变化,进而影响转矩脉动的大小。对永磁同步电主轴进行了有限元仿真分析,通过改变转子表面结构减小了永磁同步电主轴的转矩脉动。结果表明:合理设计内置式永磁同步电主轴的转子表面结构,可以有效地减小转矩脉动对电主轴的影响,提高系统的工作精度,并且不会减小额定转矩。     

基于模型预测电流控制的伺服电机系统转矩脉动抑制研究

永磁电机实际的气隙磁场分布非正弦,会导致反电动势波形中也存在相应的谐波分量,从而引起额外的转矩脉动,进而导致振动、噪声,降低系统的控制精度。为解决这一问题,提出一种基于谐波注入的永磁电机模型预测电流控制方法。建立适用于任意相永磁电机反电动势谐波产生的脉动转矩通用解析模型;基于此模型,从控制的角度出发,提出采用电流谐波注入以补偿反电动势谐波引起的转矩脉动控制策略,分析所需注入的电流谐波特性的一般表达式,并通过模型预测电流控制方法对电流进行控制。为验证所提出方法的有效性,以一台三相12槽10极表贴式永磁同步电机为例,通过MATLAB/Simulink设计考虑反电动势谐波的电机仿真模型,搭建基于谐波注入的电机控制系统。此外,为进一步验证所提出的方法正确性,也进行相应的试验验证。结果表明：谐波注入前、后电机的转矩脉动峰峰值从2 N·m降低到1.3 N·m。     

超强型齿层永磁混合式步进电机结构原理及性能分析

结合定子永磁混合式步进电机和超强型混合式步进电机结构及性能优点,提出一种仅在定转子齿层放置永磁磁条的超强型齿层永磁混合式步进电机,具有定转子结构简单、转矩和功率密度高、电磁场二维分布、设计分析计算方便等特点。针对电机结构特征、运行原理及转矩提升机制进行理论分析。基于归一化分析方法和二维有限元计算,探究齿高、齿宽、齿距、气隙等齿层参数变化对空载反电势、定位转矩、输出转矩、转矩脉动、保持转矩等电机性能的影响规律,提出该类电机齿层参数优化设计准则。将同规格定子轭部永磁混合式步进电机、定子齿层永磁混合式步进电机与所提出的超强型齿层永磁混合式步进电机进行性能比较研究,验证了理论分析的正确性及新型电机结构性能的优越性。     

电磁平衡头自锁力矩随永磁体参数变化规律研究

电磁平衡头自锁力矩具有驱动和自锁作用,其评价指标分别为自锁力矩一个步距角内做功和自锁力矩峰值。在保持齿盘参数不变的前提下,通过建立平衡头自锁磁路的三维模型,基于Ansoft Maxwell-3D瞬态求解器,采用有限元分析方法,研究不同永磁体数量、材料、形状和位置参数下自锁力矩峰值、做功及其比值的变化规律。结果表明:自锁力矩峰值、整周期做功随永磁体数量、长度、直径的增加而增加,随气隙增加而减小,随偏心率变化呈抛物线改变;峰功比在磁路轴向投影不变时近似为常数0.34,在永磁体数量变化时近似为0.31,随永磁体直径的增加呈指数减小。     

永磁无刷直流电机性能的影响因素的数学推导与仿真分析

在理论上推导出电机性能的影响因素是科学设计电机的前提。为了在理论上推导出影响永磁无刷直流电机的电磁转矩和电磁效率的影响因素,并用虚拟仿真加以验证,按照电机学的粘性阻尼理论,结合电磁学基本原理推导了电磁转矩和电磁效率关于各设计变量的公式。通过公式可以发现,此类电机的电磁转矩和电磁效率可用多元函数来表达,两者的决定性因素是额定电压、平均半匝长系数、永磁体厚度、极数和气隙等设计参数,并且经过数学分析可以得到电磁转矩和效率关于各设计变量的变化趋势。为了进一步证实理论推导的正确性,ANSYS Electronics Desktop软件的RMxprt模块进行了此类电机性能影响因素的仿真分析,分析结果与理论研究基本一致。这些趋势可以为永磁无刷直流电机研发人员选取优化设计变量和调整变量的数值提供方向。     

含永磁体电磁式在线主动平衡装置自锁磁场有限元分析

转子不平衡是旋转机械的常见故障,严重影响机器的安全稳定运行。为了通过在线无人干预方式治理转子不平衡,需要设计高品质的在线主动平衡装置。能否简单又可靠地保持平衡状态是在线主动平衡装置设计的关键问题之一,为此提出一种含永磁体的电磁平衡装置,通过永磁力来实现平衡状态的保持。设计中,磁场分布和磁通密度的合理设计是基础问题。在结构设计和永磁体选型分析的基础上,采用有限元分析方法建立了电磁平衡装置的自锁磁场分析模型,依次对永磁体性能、尺寸和气隙对磁场分布和磁密大小的影响进行研究,获得了基于自锁性能的电磁参数初步设计范围。研究工作为含永磁体电磁平衡装置的自锁性能设计、评价和优化提供了必要基础。     

基于超声波悬浮支撑的高速电机的设计

设计了利用单项支撑转子超声波悬浮的高速电机,采用压电换能器、永磁同步电机主轴,换能器辐射端面与主轴悬浮支撑帽均采用锥度相同的圆锥形结构,以保证主轴高速旋转时高度自动定心。测试结果表明:当超声波电源输出功率在500 W时,主轴转速达到20 000 r/min以上,悬浮间隙超过100 nm,大于两接触面粗糙度总和,主轴运转平稳,无接触摩擦噪声,不存在电磁耦合所导致的转矩波动和径向振动问题。