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。     

轴向磁场磁通切换永磁电机齿槽转矩分析

为了有效削弱轴向磁场磁通切换永磁电机的齿槽转矩,采用能量差分法,建立了该种电机齿槽转矩的解析表达式,针对表达式中的电机结构参数,利用全场域三维有限元法.分析了一台三相12/10极轴向磁场磁通切换永磁电机在不同结构参数下的齿槽转矩,得到当定子齿宽、定子槽口宽与永磁体磁化厚度均占内径圆弧7.5°,转子齿宽占内径圆弧10.5°,且为准扇形齿时.该电机的齿槽转矩最小;在定子轭部铁心不饱和的情况下,齿槽转矩随定子厚度减小而减小,而受转子厚度的影响较小.综合考虑电机不同结构参数对齿槽转矩和感应电势的影响,得到了削弱轴向磁场磁通切换永磁电机齿槽转矩的有效方法,有效地改善了该电机的运行性能.     

定子永磁式双转子电机电磁性能分析

为了提高双转子电机的转矩密度,实现其应用于混合动力汽车驱动系统的小型轻量化和平稳运行的需求,提出一种三相12/22/12极定子永磁式磁通切换双转子电机结构,其绕组和永磁体均位于外定子和内转子上,外转子上无绕组和永磁体,避免了外转子的冷却问题。对定子永磁式磁通切换双转子电机的拓扑结构及工作原理进行了介绍,采用有限元方法对电机磁场分布、气隙磁密、永磁磁链、空载反电动势、电感及转矩等电磁性能进行了分析。研究结果表明,提出的定子永磁式磁通切换双转子电机结构具有内外电机磁场耦合小、空载反电动势正弦性好、转矩密度大、转矩脉动小的特点,并通过原理样机实验结果验证了电机设计的有效性。     

磁通屏障对潜油电机转矩特性的影响

转矩脉动是影响内置式潜油电机的重要因素，通过对电机转子内部磁通屏障的设计，进而达到降低转矩脉动的目的。以10极12槽内置式“一”字型潜油电机为基础模型，使用有限元法对潜油电机转子进行了二维瞬态场分析。基于磁通屏障效应对潜油电机气隙径向磁密的影响，得出了潜油电机转子在各种运转工况条件下的径向电磁特性分布的状况，并分别比较研究电机的齿槽转矩和电磁转矩等转矩特性。优化后，潜油电机的转矩脉动有了显著的降低。最后，采用砝码法验证磁通屏障的设计对潜油电机齿槽转矩具有较好的抑制效果。由于潜油电机的定子结构被限制，磁通屏障的优化设计具有非常大的意义。     

内置式永磁电机齿槽转矩的分析研究

内置式永磁电机因其高转矩及能量密度,在许多高性能装置中得到广泛应用.但永磁电机结构的特殊性,转子永磁体和定子齿槽之间相互作用产生的齿槽转矩会引起振动和噪声,同时齿槽转矩会降低速度和位置控制系统的低速时的性能.研究了一种内置式结构永磁电机的齿槽转矩,其转子磁极永磁体分段.根据分析可知,在相同的等级及尺寸条件下,永磁体分段的内置式永磁电机(SIPMM)比传统非分段内置式永磁电机(IPMM)的齿槽转矩低得多,然后利用有限元软件Maxwell 2D计算分析比较了SIPMM与IPMM的齿槽转矩.此外,还分析了两种不同转子结构的内置式永磁电机的齿槽转矩情况.     

双转子磁通切换弧线电机特性的仿真研究

定子永磁型磁通切换永磁电机的永磁体利用率高、安全性好,在机载雷达、机器人关节等有限转角驱动领域具有明显的优势,进一步降低该类电机的转矩波动并增加其功率密度是当前研究的热点。提出了一种双转子模块化磁通切换弧线电机的新型拓扑结构,推导了抵消转子上端部力矩的最佳定子间隔,并分析了双转子错位角对齿槽转矩主要谐波的影响。有限元分析结果证明了与单边磁通切换弧线电机相比,新型拓扑结构的永磁体利用率更高、转矩特性更好。对磁通切换电机在有限转角领域的工程应用具有参考价值。     

双定子盘式横向磁通永磁同步电机的原理分析与转矩脉动抑制

小型化是推动伺服电机技术进步的重要研究方向。通过研究提出具有转矩密度高、空间设计灵活优势的双定子盘盘式横向磁通永磁同步电机，实现电机设计的高度集成化，减小电机驱动系统体积。设计一台额定功率5.4 kW、额定转速3 000 r/min的双定子盘盘式横向磁通永磁同步电机，分析电机的主要电磁性能。为减小电机转矩脉动，提出齿极设计参数优化以及不对称定子盘结构两种手段，进一步研究不对称定子盘结构对电机转子结构强度的影响。实验验证了该电机的可行性以及主要性能参数。     

轮边直驱永磁盘式电机转矩脉动分析与抑制

针对纯电动汽车轮边直驱永磁盘式电机的转矩脉动较大问题,为提高电机转矩输出的平稳性,对6k W、933 r/min额定转速的双定子单转子磁路结构的永磁盘式电机齿槽转矩与纹波转矩脉动进行了研究。通过对齿槽转矩与纹波转矩的理论推导,并建立了数学模型。利用三维有限元的分析方法,建立了永磁盘式电机三维仿真模型,以永磁体斜极角为变量,分析斜极角对齿槽转矩的削减情况,合理选择永磁体斜极角。对电机不同永磁体斜极角下的空载反电动势进行谐波分析,通过优化反电动势谐波的方法来抑制电机纹波转矩脉动。研究结果表明,采用永磁体斜极方式时双定子单转子永磁盘式电机的齿槽转矩抑制效果明显,齿槽转矩由5.4N.m降低到0.9N.m,纹波转矩脉动由10.9%降低到3.6%,转矩脉动优化显著。     

电动汽车新型转子内置式永磁同步电动机转矩脉动与电磁振动抑制研究

转矩脉动和电磁振动是评价电动汽车(electric vehicles,EVs)电机品质的2项重要因素。该文设计并研发一种新型两段式磁极转子结构,以降低电动汽车内置式永磁(interior permanent magnet,IPM)电机的转矩脉动和电磁振动。该结构的关键特征是转子由相同轴向长度的两段交错组合而成,不改变永磁体的尺寸和用量,每段转子上一个磁极的极弧宽度与其他磁极不同。受益于两段转子的交错安装,不等极弧宽度所引入的不平衡磁拉力被完全抵消。建立该电机的有限元模型和多物理场耦合分析模型,与一台传统磁极分段结构的10kW原型电机进行对比分析,对电机的电磁性能和振动响应进行全面的比较与评估。最后,分别制作新型两段式转子样机和传统磁极分段样机,对反电动势、齿槽转矩、矩角特性、瞬态转矩脉动和效率等进行试验对比。结果表明,所提出的新型两段式转子电机的转矩脉动、电磁振动抑制效果等性能均显著优于现有的磁极分段电机。该结构可推广到其他转子类型的永磁电机,具有重要的工程实用价值。     

定子无磁轭轴向磁通永磁电机不同极数下的转矩分析

设计了一台额定功率为28 kW的YASA结构轴向磁通永磁电机,并对相同槽数下电机的输出转矩能力进行了分析.首先,介绍了YASA结构轴向磁通永磁电机的拓扑结构,给出了部分尺寸的计算表达式.其次,综合电机结构紧凑、齿槽转矩小、效率高的特点,确定了合适的极槽配合.同时,分析比较了电机在定子槽数相同、极数不同情况下的输出转矩.研究表明,轭部厚度相同时,电机输出转矩随着极数的减少而降低;输出转矩相同时,转子轭部厚度随着极数增加而减小.最后,通过建立三维有限元模型仿真及分析比较,验证了YASA结构轴向磁通电机的转矩结论,对于轴向磁通电机的设计和应用具有一定的参考意义.     

低速直驱外转子永磁同步电机的设计

永磁同步电机具有转矩密度高、功率因数高的特点,极对数的增加也不会降低功率因数,但齿槽转矩的存在,影响输出转矩的稳定性。本文设计了一台72槽60极400kW的直驱外转子永磁同步电机,利用ANSYS Maxwell建立的二维有限元仿真模型,分析空载反电势、齿槽转矩、气隙磁场、同步电感和负载转矩,验证了电机结构和参数的合理性。重点研究了齿槽转矩和转子损耗的优化,采用优化定子齿槽宽度和开辅助槽的方法,削弱齿槽转矩,采用转子磁极分块的方法,限制涡流通过路径,以降低转子损耗。仿真结果表明,所设计的电机能够满足性能指标,为电机的设计、齿槽转矩和转子损耗的优化提供了依据。     

少稀土组合磁极Halbach永磁同步电机优化设计

针对稀土永磁同步电机(PMSM)对稀土永磁材料依赖性大的问题,提出一种少稀土组合磁极Halbach PMSM,永磁体采用Halbach充磁方式。阐述了该电机新型转子的磁钢结构,其中主磁极由双层永磁体组成,上层磁钢为钕铁硼永磁材料,下层磁钢为铁氧体永磁材料,辅磁极磁钢也为铁氧体永磁材料。以电磁转矩、转矩脉动和齿槽转矩为优化标准,对电机每极永磁体块数、充磁角度、永磁体材料和永磁体厚度等电机参数进行优化。采用定子斜槽结构降低齿槽转矩。优化后的少稀土组合磁极PMSM在保证转矩性能的情况下,减少了永磁体用量,降低了电机成本。最后通过有限元法分析该电机在空载和额定负载下的特性,验证了该电机设计的合理性。     

改进新型齿结构对磁通切换永磁电机转矩指标的影响

基于12槽/10极磁通切换永磁电机(FSPMM)提出了定子切边齿、转子U型槽齿、转子凸缘齿3种新型齿形,以有效减小FSPMM电机的齿槽转矩和转矩波动。通过2-D有限元法从平均转矩、齿槽转矩、转矩波动等方面对不同新型齿形的FSPMM的性能进行了全面的分析和评估。结果验证了所提出的3种新型齿形状,特别是转子U型槽齿和凸缘齿可以减小齿槽转矩和转矩波动,平均转矩只有轻微的减小。     

永磁电动机齿槽转矩的抑制方法

在永磁电机中,即使定子中没有电流,齿槽转矩也会存在。文中阐述了齿槽力矩产生机遇,综述了抑制齿槽转矩的方法,探讨了抑制齿槽转矩的发展趋势。     

减小转矩波动的内置式永磁同步电机空气隔磁槽优化设计

内置式永磁同步电机转矩波动的存在影响电机系统的控制精度,因此如何减小电机转矩波动一直是研究热点。针对具有隔磁桥结构的内置式永磁同步电机,本文提出了一种减小内置式永磁电机转矩波动的空气隔磁槽优化设计方法,即以降低电机转矩波动为优化目标,以空气隔磁槽结构几何参数为优化变量,基于Taguchi法实现了内置式永磁同步电机低转矩波动设计。在此基础上,对优化前后电机空载和额定负载工况进行了有限元仿真对比分析。结果表明,所提出方法可以在保持额定输出转矩不变的前提下有效降低电机空载齿槽转矩和负载转矩波动,提高电机的性能。     

背绕式有槽永磁同步电机的电磁场解析模型

以1台5 kW背绕式高速永磁同步电机为研究对象,建立其电磁场解析模型。将电磁场求解域划分为气隙子域、永磁体子域、槽口子域和槽子域,求解相应的拉普拉斯方程或泊松方程,解析模型计及电枢反应场、永磁场和定子开槽的影响。计算了该电机的气隙磁密、绕组磁链、绕组反电动势、齿槽转矩和电磁转矩,并将结果与二维有限元法计算结果和试验数据比较,比较结果说明了解析模型的准确性。最后以槽口开度为变量,研究其对气隙磁密分布和齿槽转矩的影响。     

基于磁极参数的表贴式永磁同步电机齿槽转矩研究

齿槽转矩是永磁电机的重要问题之一,削弱齿槽转矩可以减少转矩脉动、降低电磁噪声、提高电机运行稳定性。基于磁极参数对表贴式永磁同步电机(SPMSM)的齿槽转矩进行了研究,基于能量法和傅里叶分解推导了不同永磁体模型下的齿槽转矩公式。研究发现,磁极参数的改变影响永磁体剩磁在气隙中分布和气隙相对磁导率的大小,进而改变齿槽转矩的大小。然后结合有限元方法对不同永磁体模型下的电机齿槽转矩进行了仿真分析,发现削极结构和组合磁极对齿槽转矩削弱明显,并通过有限元方法优化了这2种结构的磁极参数,最后分析对电机其他性能的影响。研究表明,合理地选择永磁体参数可以在确保电机性能的同时显著降低齿槽转矩。     

磁极径向组合轴向磁场永磁电机转矩品质分析与优化设计

为了实现轴向磁场永磁(axial field permanent magnet,AFPM)电机大转矩惯量比、低转矩脉动等高品质转矩输出,提出磁极径向组合式的AFPM电机,采用传统表贴永磁与Halbach永磁阵列沿径向排列的转子结构。分析电机运行原理,推导电机功率尺寸方程;通过有限元方法对比分析该结构与传统表贴式结构的磁场分布、转矩、转矩脉动、反电动势及电感等电磁特性。在此基础上,基于响应面分析,构建多目标遗传优化设计方法,对电机转矩、齿槽转矩、反电动势和转矩脉动进行优化设计。最后,基于优选参数加工制造样机,并进行实验研究,验证了该电机结构的有效性和分析的正确性。     

永磁同步电机转矩脉动和振动噪声抑制

抑制转矩脉动和振动噪声是设计永磁同步电机的难点之一。通过对永磁同步电机齿槽转矩形成机理进行分析,考虑极弧系数和大小极磁极结构对齿槽转矩的影响。基于等效面电流法对永磁同步电机的气隙磁场进行建模。采用粒子群算法优化了永磁同步电机的极弧系数,利用大小磁极结构配置方式,降低了气隙电磁力谐波对转矩脉动幅值影响较大的阶次,从而实现抑制电机齿槽转矩的目标。将永磁体优化前后的转矩脉动和噪声幅值进行对比表明,该方法可有效地降低永磁同步电机的转矩脉动和振动噪声。