基于保角变换与等效磁路法的永磁直驱发电机气隙磁场计算

该文开展了负载工况下永磁直驱发电机气隙磁场研究。基于精确域求解和保角变换，计算考虑齿槽效应的气隙磁场标量磁势；采用离散线电流元，定量模拟发电机定转子局部出现的磁饱和现象；基于考虑几何尺寸的定转子非线性磁阻计算方法，建立包含发电机定转子结构以及气隙长度的等效磁路，给出相应的迭代求解流程。以实际在役兆瓦级永磁直驱风力发电机为对象，计算考虑齿槽效应的气隙磁场分布，分析了空载和负载工况下磁饱和效应对气隙磁场分布曲线波形和谐波成分的影响，并与有限元计算结果对比，验证了所提出的分析模型和求解方法的有效性。     

多相高速混合励磁发电机气隙磁场解析研究

基于提高功率密度和电励磁调节能力的需求,提出一种并列式转子结构多相高速混合励磁发电机,其永磁转子为离散halbach结构,电励磁转子为隐极结构。分别给出永磁转子和电励磁转子的无槽气隙磁场模型,并给出定子和电励磁转子各自单独开槽时的复数相对气隙磁导计算方法。对于电励磁转子,转子磁路饱和的影响也被考虑。在此基础上建立并列式转子混合励磁发电机的开槽气隙磁场模型,并针对气隙磁密和空载电压进行了解析分析。研究结果表明:解析结果与有限元结果较为一致,验证了解析法用于混合励磁发电机设计的可行性与正确性。     

表面贴磁式永磁同步电动机空载气隙磁场解析计算

以气隙中一对载流线圈产生的磁场为基础,利用等效面电流法推导出了平行充磁永磁同步电动机空载时的气隙磁密的解析计算公式。在考虑齿槽效应的情况下,利用许一克变换构造了气隙相对比磁导函数,计算出了定子开槽时空载气隙磁密分布。磁场解析计算结果与二维有限元计算结果对比,其计算波形和大小吻合很好,证明此方法是正确可靠的。同时解析法在计算机上容易实现,为永磁同步电动机的优化设计和性能分析提供了基本的分析手段。     

分段式Halbach阵列永磁同步电机非理想气隙磁场建模分析

Halbach阵列是一种特殊的永磁体充磁方式,可以提供理想的气隙磁密,且转子无需采用铁磁材料。由于定子开槽,永磁同步电机定转子气隙不均,气隙磁密谐波增加,产生齿槽转矩。本文利用子域模型法建立了分段式Halbach阵列永磁同步电机空载磁场解析模型。其解析模型计算结果与有限元结果相比,两者气隙磁密波形吻合较好。该解析模型为进一步研究电枢反应、齿槽转矩等性能奠定了基础。     

转子偏心对大型汽轮发电机磁场分布及定子铁耗的影响

指出转子偏心是大型汽轮发电机的主要故障之一,故障发生后可能会改变气隙及铁心的磁场分布,加剧定、转子的振动,导致铁心变形、绕组磨损和绝缘破坏等严重后果。偏心后磁场的计算,传统的数值解析法推导过程复杂,准确度不高。以有限元方法为工具,建立了汽轮发电机二维瞬态场有限元模型,定量分析了发电机转子在偏心率不同时空载和额定负载工况气隙磁密各次谐波的变化情况,研究了定、转子铁心齿部和轭部磁场的分布状况,并在此基础上,讨论了不同偏心率对定子铁心损耗的影响。计算结果表明转子偏心会增加气隙磁密的偶次谐波含量,使转子偏心朝向处的定子磁密增大,反向处的定子磁密减小,导致局部过热,并增加了发电机的定子铁心损耗。     

基于有限元法分析定转子铁心能量变化对于齿槽转矩的影响

齿槽转矩通常被定义为磁共能相对于位置角的负导数.传统解析计算时,将定转子铁心材料磁导率假设为无穷大,忽略掉了定转子部分的铁心磁场能量的变化,只计算了气隙磁场能量的变化.通过有限元方法计算铁心部分磁场能量随着位置角的变化,并与气隙磁场能量变化做比较,直观的展现定转子铁心能量变化对于齿槽转矩的影响.最后再计算当磁路设计过饱和或磁密较低时,定转子铁心磁场能量的变化,并与气隙处磁场能量变化比较.     

基于场路耦合时步有限元法的永磁同步发电机设计

首先根据传统方法设计了一台永磁同步发电机,然后通过对其等效磁路的分析进行空载气隙磁密和漏磁系数的解析计算,最后再利用场路耦合时步有限元法对所设计电机分别进行空载和额定负载时瞬态磁场的分析和空载时气隙磁密及漏磁系数计算值的验证.结果表明,所设计电机磁场分布合理,各项指标均达到设计要求,且气隙磁密及空载漏磁系数的解析值和有限元计算值也吻合得较好,证明了分析和设计的有效性.     

基于解析法的表贴式永磁同步电动机电磁场与齿槽转矩的分析

永磁电动机由于结构简单、运行可靠等优点得到了广泛的应用。然而电动机开槽会改变电动机的结构和磁路,导致气隙磁场发生畸变,同时还会产生齿槽转矩,引起噪声和振动。齿槽作用下的电磁场分布可以用有限元法解决,但该方法计算周期较长,计算结果对剖分比较敏感,相较之下,解析法计算时间短,且能给出电动机性能与设计参数之间的数学关系。针对齿槽作用下的表贴式永磁同步电动机的空载磁场,本文提出了一种基于精确子区域方法的解析模型,计算了空载磁场的径向磁密和切向磁密,并根据麦克斯韦应力法得到齿槽转矩,最后经有限元仿真验证了该方法的准确性。     

永磁游标直线电机磁场解析计算

永磁游标直线电机(linear permanent magnet vernier motor,LPMVM)依靠磁场调制原理工作,其电枢开槽引起气隙磁导变化,为考虑齿槽效应的影响,将其气隙磁场等效为无槽气隙磁场与有槽时气隙相对磁导函数共同作用结果。用气隙磁导波法分析其基本工作机理,给出结构关系式。用分层模型法建立无槽LPMVM求解场域矢量磁位解析模型,推导出各区域磁场解析表达式。结合气隙相对磁导函数建立考虑齿槽效应时的LPMVM磁场解析模型,计算出考虑齿槽效应时气隙磁密分布曲线。解析解与有限元解结果表明:无槽时气隙磁密在切向分量和法向分量计算准确,考虑齿槽效应后基于气隙相对磁导函数的磁场解析模型适用于求解气隙磁密法向分量,且主要谐波磁场与永磁体极对数和电枢绕组极对数有关。     

盘式电机气隙漏磁与空载气隙磁密的解析计算

针对在盘式永磁电机的初始分析与优化设计阶段,使用有限元方法计算漏磁系数与气隙磁密时需要耗费大量的建模及计算时间这一问题,对该种电机的磁路进行了分析,建立了该种电机的等效磁网络模型,并计算出模型中的各种等效磁阻,得到了该种电机漏磁系数的解析表达式.利用二分法优化计算,求出该种电机气隙磁场端部效应修正函数,端部效应修正函数适用于不同尺寸、不同极槽配合、不同结构类型的轴向磁场盘式永磁电机.解析计算出该种电机24个槽距下的相对气隙磁导函数,并在平均半径处建立了考虑齿槽效应的空载气隙磁密解析模型.最后,将解析计算结果与有限元仿真的结果进行对比,数据吻合度高,验证了等效磁网络模型与空载气隙磁密解析模型的正确性.     

陷极二轴励磁同步发电机气隙磁密和磁化特性的确定

本文阐述了利用磁路计算方法和“标准”空载特性确定隐极二轴励磁同步发电机空载和负载气隙磁密的万法。气隙磁密的确定,对于设计二轴励磁同步发电机是必不可少的。     

轴向磁通永磁电机空载气隙磁场建模分析

针对轴向磁通永磁电机有限元仿真较为耗时的问题,建立了轴向磁通永磁电机空载气隙磁场解析模型。提出通过建立虚拟等效直线电机模型用以计算气隙磁场端部效应修正函数,使得空载气隙磁场模型得以整体解析化。给出了气隙磁导函数相应的替代函数,并对此替代函数进行了傅里叶级数转换,使空载气隙磁场函数具有形式上统一的解析表达式,便于计算机编程实现。对空载气隙磁密、空载反电动势和齿槽转矩进行了解析计算,与有限元计算结果对比,验证了该文所建立的空载气隙磁场模型的正确性和可行性,可以作为轴向磁通永磁电机设计人员参考使用。     

轴向充磁圆筒型永磁直线同步电机气隙磁场解析计算

介绍了一种基于许-克变换法的轴向充磁结构圆筒型永磁直线同步电机(TPMLSM)气隙磁场解析计算方法。首先采用许-克变换法计算出无齿槽时电机的气隙磁场;然后利用许-克变换法求取初级铁心开槽时的气隙相对比磁导函数,分析铁心开槽对气隙磁场的影响;最后通过无齿槽时的气隙磁场与有齿槽时的气隙磁场相对比磁导函数得到有齿槽时电机的气隙磁场分布。同时给出了该种充磁结构TPMLSM气隙磁场解析计算表达式,并以1台36/12极槽配合轴向充磁TPMLSM样机进行试验。试验结果证明空载气隙磁场的有限元分析值与解析值较吻合,空载电动势(EMF)计算值、试验测试值、有限元分析值一致。     

一种基于保角映射的考虑端部效应的准三维轴向磁通电机磁场解析模型

轴向磁通永磁电机气隙磁场三维分布不均,且在电机内、外径处端部效应明显,应建立三维磁场模型来进行电机性能分析,而三维有限元计算十分耗时,因此需建立(准)三维气隙磁场解析模型.现有的考虑端部效应的AFPMMs气隙磁场解析模型,大多基于三维FEM辅助建模或等效磁路的方法,存在耗时过多或建模精确度不高的问题.针对以上不足,建立了基于保角映射的考虑端部效应的准三维AFPMMs磁场解析模型.将AFPMMs径向-轴向平面横截面等效为具有铁磁边界的多边形面域,永磁体等效为线电流,借助保角映射法,求取电机径向-轴向平面上的磁场分布,以得到端部修正系数,从而考虑端部效应对气隙磁场分布的影响.使用该解析模型,计算了一台AFPMM的气隙磁密与空载反电动势,与三维FEM、样机实验结果进行对比,以验证该模型的准确性.相比等效磁路法,在电机内、外径处,该解析模型气隙磁密计算精确度提高了10.61％;相比三维FEM,该解析模型计算用时仅为其耗时的0.078％.     

定子开槽表贴式永磁电机转子偏心空载气隙磁场全局解析法

针对表贴式永磁电机定子开槽后的转子偏心空载气隙磁场解析问题,结合正则摄动理论建立其全局解析模型.将解析区域划分为永磁体、气隙和槽区域,通过各子区域之间的边界条件,求解拉普拉斯方程或泊松方程.叠加气隙磁密的零阶分量和一阶分量,得到偏心气隙磁场分布.解析解与有限元解的比较结果表明,气隙磁密、齿槽转矩和不平衡磁拉力计算准确,验证了解析模型的可靠性.所述解析方法计算快速准确,便于分析表贴式永磁电机转子偏心磁场.     

隐极发电机转子匝间短路时转子不平衡磁拉力的解析计算模型

采用多回路法计算发生转子匝间短路故障时隐极发电机的定、转子电流,基于计算结果,按照发生转子匝间短路故障时电机各回路的实际构成方式,对故障时的气隙磁场进行了分析,得出气隙磁动势和磁密的计算模型;通过求解Maxwell应力的积分,得到转子不平衡磁拉力。对一台1对极隐极模拟样机进行转子匝间短路实验,实验结果验证了计算模型的正确性;将所提计算模型得到的结果与ANSYS仿真结果进行对比,结果证明所提计算模型具有耗时短、效率高的优点。     

考虑铁心饱和的内置式永磁同步电机气隙磁场解析计算

准确分析电机结构以及磁饱和等因素对气隙磁场分布的影响是永磁电机设计、优化的关键。以分数槽集中绕组内置式永磁同步电机(FSCW-IPMSM)为研究对象,根据磁路分析方法和FSCW的分布规律,分别得到了考虑转子磁桥漏磁的空载永磁磁场解析模型和电枢反应磁场的解析表达式。考虑到定子齿槽结构以及转子内部永磁体分布,利用相对气隙磁导,将定子开槽和转子凸极对气隙磁场的影响考虑在内。重点结合定子铁心材料的B-H磁化曲线、定子铁心局部磁饱和特性引入铁心等效磁阻与动态磁导率来考虑定子铁心磁饱和对负载气隙磁场的影响。最后,有限元仿真和样机试验结果验证了理论分析的准确性,为该类电机的电磁设计和性能分析提供了理论基础。     

永磁直驱风力发电机不同极槽配比的磁场研究

永磁同步发电机运行时,永磁体和电枢铁心相互作用会产生齿槽转矩,引起转矩波动和噪声.应用Ansys设计分析软件中的有限元模块和磁路等效模块,研究了分数槽绕组外转子永磁直驱风力发电机在不同极槽配比情况下的齿槽转矩、磁场分布、气隙磁密谐波含量和电机效率的变化规律;对比分析了整数槽电机在直槽和斜槽2种设计方案下的电压及畸变率.仿真结果表明,分数槽和斜槽结构均能有效削弱电机的齿槽转矩,消除高次谐波电压,且整数斜槽结构的电机削弱齿槽转矩的效果更好一些.     

注塑机用永磁同步电动机的设计与分析

为改善注塑机用永磁同步电动机的气隙磁密波形,降低振动和噪声,提出一种新的转子结构。设计了一台8极36槽永磁同步电动机,在转子铁心上适当打孔和开槽,借助电磁场有限元分析软件ANSYS Maxwell,建立电机模型,并对电机空载气隙磁场、齿槽转矩、电磁转矩及径向电磁力波进行了分析与计算,仿真结果表明,采用该转子结构可减少电机转矩脉动和气隙磁场谐波。样机试验结果验证了该电机设计的合理性。     

考虑齿槽效应的表贴式永磁电机空载磁场建模

针对齿槽作用下的表贴式永磁电机空载磁场分布,提出了一种简化解析模型。该模型将等效磁路法和磁位解析法相结合,首先利用等效磁路法求得定子齿槽表面上的磁通密度分布,继而将其作为第二类边界条件之一,借助拉普拉斯方程和泊松方程获得一个磁极下电机磁场分布;通过剩余磁化强度修正函数,将该解拓展到整个电机范围。该解析模型充分考虑了齿槽效应对磁场的影响,求解过程简捷。经有限元仿真表明,对于内、外转子结构永磁电机,该解析模型均取得了较准确的磁场计算结果,为进一步研究电机反电动势和转矩特性提供了一种有效分析手段。