新型横向磁通永磁电机研究

横向磁通电机以其高转矩密度的优势而得到了发展，但结构复杂也限制了其应用场合。文中采用轴向充磁的永磁体，实现了一种结构相对简单的新型横向磁通永磁电机。为解决电机磁场建模、分析复杂等问题，引入隔磁磁障实现了三维场到二维场的简化。为实现优化设计，对电机关键参数和尺寸进行了合理选取，最后给出了样机电磁方案。分析结果表明，这种新型永磁电机的制造工艺相对简单，适合中小功率低速直接驱动要求。     

变速往复周期运动模式下横向磁通圆筒型永磁直线电机损耗

作为一种新型的圆筒型直线电机,横向磁通圆筒型永磁直线电机与传统永磁直线电机相比,定子齿槽与电枢绕组空间上相互垂直,实现了电负荷与磁负荷的解耦,易于实现高力密度,在高推力密度领域具有广泛的应用前景。本文针对在变速往复周期运动模式下横向磁通圆筒型永磁直线电机的铜耗、定子铁心损耗以及动子侧永磁体内涡流损耗展开研究。首先,研究电机按正弦规律往复运动即推力正弦变化时的铜耗计算方法。其次,计算其在变速往复周期运动模式下的定子铁心损耗,为了验证计算方法的准确性,设计了铁心损耗测试方法,并对测试结果和计算结果进行了对比分析。最后,计算其在变速往复周期运动模式下的永磁体内涡流损耗。     

横向磁通永磁直线电机电磁振动特性分析

横向磁通永磁直线电机的电负荷与磁负荷相互解耦，且各相之间相互解耦，易于实现模块化和多相化，因此在石油开采领域有着良好的应用前景。首先，该文基于磁场调制原理，对横向磁通永磁直线电机的径向电磁力波进行了推导计算，得出对径向电磁力波影响最大的因素为轴向气隙磁通密度分量与径向气隙磁通密度分量，在此基础上对径向电磁力波的时空特性与频谱特性进行仿真计算，得出电枢磁通密度对电机径向电磁力波的频谱特性的影响；然后，考虑到电机实际运行中可能出现的次级偏心问题，揭示偏心度的大小对径向电磁力波幅值的影响，并对比不同偏心度下的电机径向磁拉力与轴向磁拉力，定量分析偏心度对不平衡磁拉力的影响；最后，为避免共振，利用有限元软件对电机的初级进行了模态分析与谐响应分析，结果表明低速状态下横向磁通永磁直线电机的额定运行频率较低，不会引起初级的共振，适合用作往复式潜油电泵的驱动电机。     

新型横向磁通永磁电机磁场研究

简要介绍了一种新型横向磁通电机，然后针对该电机进行了空载磁场分析，给出了磁通变化曲线，分析了气隙长度、永磁体宽度对磁场的影响，同时还计算了电机定位力矩。给出了样机实验数据，并与磁场计算结果进行了对比分析，比较结果说明以上方法是有效的。     

新型斜气隙圆筒型横向磁通切换直线电机及其建模分析

该文提出一种斜气隙圆筒型横向磁通切换直线电机(oblique air-gap tubular transverse flux switching permanent magnet linear motor,OATTFS-PMLM)的方案,该新型直线电机综合磁通切换永磁直线电机和横向磁通永磁电机的优点,电枢绕组和永磁体均位于电机初级,次级结构只有铁心,且电负荷和磁负荷在结构上互相解耦,采用斜气隙和圆筒型结构,减小气隙磁阻和避免横向端部效应,具有次级结构简单、可靠性高且带负载能力强的优点。介绍该种电机的基本结构和运行原理,建立基于磁导的电机数学模型,并推导出空载主磁通、空载反电动势、电磁力与主要尺寸之间的关系式。分别通过二维和三维有限元法(finite element method,FEM)仿真计算电机磁场,并通过与传统圆筒型初级永磁直线电机对比研究,分析所提电机结构的合理性和有效性。研制一台实验样机,进行空载感应电动势和静态推力的测试实验,通过对比实验和仿真结果,验证理论分析的有效性和新结构电机原理的正确性。     

新型双定子横向磁通直线振荡电机

现有圆筒型非横向磁通式直线振荡电机因铁心冲片叠装困难、动磁式永磁体支架性能要求高及行程短限制了其在低成本及高控制性能要求领域中的应用。该文提出的新型双定子横向磁通直线振荡电机克服了这些缺点，适用于冰箱、空气压缩机等民用产品。建立线性数学模型及准二维有限元模型，求出了力与电流的正比关系式，理论分析结果与实验结果相符。通过三组实测的振幅、电流与频率间变化曲线分析了电机实际振动频率与弹簧弹性系数的关系及系统的共振频率。     

基于3D-FEM的新型横向磁通永磁电机的研究

横向磁通电机越来越受到世界各国研究者的注意,尤其在风力发电、军舰等要求低速大转矩的应用场合.相比常规电机,横向磁通永磁同步电动机可以提供更大的转矩密度,却存在功率因数低的问题.本文提出了一种新颖横向磁通永磁电机(TFPM)结构,即采用单边结构、卷绕式定子铁心、内置式聚磁转子结构.该电机结构工艺简化,同时具有高转矩密度和高功率因数的性能特点.文章首先讲述了新型电机的结构特点,接着利用 3D-FEM 工具对电机漏磁系数进行计算,并讨论电机结构尺寸变化对电机漏磁系数的影响.最后给出最新样机的部分参数.     

圆筒型横向磁通永磁直线电动机推力波动分析

以减小圆筒型横向磁通永磁直线电动机推力波动为主要目标,分别从定位力和波动力两方面展开研究。提出单相三维有限元法与傅里叶变换相结合的方法计算电机的定位力,在保证计算准确度的前提下,有效地缩短了定位力的计算时间。分析定子单元铁心厚度与极距之比对定位力大小的影响,结果表明通过对定子单元铁心厚度与极距之比的合理选取,可有效地降低电机的定位力。针对波动力的抑制,选择合适的定子单元铁心厚度与极距比、永磁体厚度和永磁体周向极弧系数来减小波动力。     

背靠背Ω定子横向磁通永磁直线电机推力波动抑制

基于背靠背Ω定子聚磁动子横向磁通永磁直线电机(back-to-back Ω stator transverse flux permanent magnet linear machine,BBΩ-TFPMLM)前期研究基础,探索其推力波动对运行稳定性和定位精度影响的改善方法。首先,挖掘影响电机定位力的关键参数并对其影响机理进行剖析,提出一种通过旋转力矩来测量直线力的方法。其次,基于田口法和三维有限元分析方法对气隙长度、永磁体厚度、动子齿宽和错极距离进行仿真优化,以得到最优结构参数及电机定位力、推力、反电势曲线。最后,搭建样机实验平台测试优化参数。仿真和实验结果均表明：优化后的电机定位力峰-峰值减小38.3%,推力幅值增大21.1%,反电势幅值增大5.2%,验证了推力波动抑制方法的可行性。     

高速永磁电机损耗特性研究

电机损耗决定电机温升和效率,过高温升会给电机带来不可逆转损害。为此对功率为600 kW、转速为4200 r/min的高速永磁同步电机损耗及不同因素对铁耗和铜耗的影响规律进行了数值研究。研究结果表明,定子齿部的损耗密度大于轭部,电机的铁耗主要集中在定子侧;转子铁耗主要为涡流铁耗,主要集中在永磁体和转子表面。随着转速的增加,涡流损耗的占比逐渐增加;随着通入电流逐渐增加,绕组铜耗逐渐增加。研究结果为设计、生产更加高效的电机提供了理论依据。     

横向磁场永磁直线电机连续往复运行时温度场计算与分析

根据横向磁场永磁直线电机在直线运动系统中的具体应用,对连续往复运行工况下电机的温升特性进行了研究。在综合考虑电机结构和运行状态特殊性的基础上,首先,建立横向磁场永磁直线电机包含机壳端盖在内且计及电枢绕组三维结构的温度场计算模型;其次,应用传热学理论,在考虑电机热源、工作状态和电机各部分热交换等因素的前提下,给出电机中材料的热传导系数、比热容以及各个表面散热系数的确定方法,同时,给出动子表面的散热系数、气隙间动子外表面和定子内表面的散热系数随速度的变化规律;最后,计算电机在连续往复运行工况下的瞬态温度场,并通过样机实验对温度场的计算结果进行了验证。     

分段式永磁直线同步电动机有限元分析

为了研究提升系统的分段式永磁直线同步电动机(PMLSM)的运行特性,首先建立了其稳态有限元分析模型,分析了不同动子位置时电机的磁场分布,计算了不同动子位置、不同电枢电流时电机的静态力-位移-电流特性,得到电磁参数随动子位移及电枢电流的变化曲线;然后建立了分段式PMLSM的时步有限元分析模型,对分段绕组两两并联供电方式下,起动过程的动态特性进行了计算,得到动态过程中电枢电流、感应电动势、电磁力、动子运行速度、位移等物理量随时间变化过程.经实验测试验证了分析结果的正确性.     

横向磁场直线开关磁阻电机的数学建模

为了建立横向磁场直线开关磁阻电机(transverse flux linear switched reluctance motors,TFLSRM)的解析数学模型,首先分析TFLSRM的结构和磁路特点,建立TFLSRM的磁路等效模型,采用直线磁路和变椭圆系数的椭圆形磁路分割法推导等效磁路的气隙磁导解析式,确定以磁导表示的绕组电感和磁链,建立了推力和法向力的数学模型.有限元分析结果验证了所建数学模型的正确性,利用该模型分析了改变次级极宽和气隙长度对电机推力和法向力的影响,半实物仿真实验结果验证了所建模型的有效性.     

永磁电动机不同运行条件下的损耗研究

自起动永磁同步电动机,由于其运行条件经常发生变化,致使电机内部的损耗随之改变,为了研究影响其损耗的主要因素及其在不同运行条件的变化规律,在充分考虑谐波磁场与电流的情况下,利用时步有限元方法对电机各部分损耗密度进行了准确计算,从而得到不同电压及负载条件下的定、转子铜耗与铁耗.通过对定子电流、导条电流密度以及铁心磁密的谐波分析,研究了损耗的谐波含量,进而得出了影响永磁电机损耗的主要因素及其在不同运行条件的变化规律,揭示了空间齿谐波磁场对转子损耗的重要影响.通过仿真结果与实测数据进行对比,验证了损耗计算的合理性.     

车用永磁同步电机的铁耗与瞬态温升分析

为了提高车用永磁同步电机的短时过载能力和功率密度,利用有限元方法进行了综合考虑电磁、热和控制策略的损耗和瞬态温升的非线性仿真分析.损耗分析指出了铁耗由于弱磁的原因在基速附近就达到了最大;峰值工况下的铜耗在整个速度范围内基本不变;连续工况下的铜耗最大值也同样因弱磁的需要而出现在最大工作转速.瞬态温升分析表明绕组端部温度最高而成为薄弱环节;短时工作时永磁体的温度比绕组低但连续或循环工作时两者温度相差不大;增加水流量对绕组温升的影响有限,特别是短时峰值工作的影响就更小,水冷电机加强散热能力的方法在于加强材料应用和工艺改进.     

双边空心式永磁直线伺服电机的空载磁场分析

针对双边空心式永磁直线伺服电机推力波动受到气隙磁场影响的问题,研究该电机空载气隙磁场的分析求解方法。采用等效磁化强度法对双边空心式永磁直线伺服电机的气隙磁场进行求解,推导出气隙和磁极区域中磁场的解析公式。将解析分析与有限元分析结果进行比较,验证解析法的计算结果的准确性。根据气隙磁密的解析公式,分析了3个主要尺寸——永磁体宽度τm、永磁体高度hm和气隙高度δ对空载气隙磁场的影响。分析表明,永磁体高度hm和气隙高度δ主要影响电机气隙磁场大小,对磁场谐波含量影响较小,而永磁体宽度τm对磁场的大小和谐波含量的影响都很显著。通过对永磁体宽度τm的优化设计,可以有效改善电机气隙磁场分布的正弦性,从而减小电机的推力波动。     

永磁直线同步电机解析分析及有限元验证

针对永磁直线同步电动机具有边端效应、气隙不均匀、气隙磁场分布复杂、永久磁极几何尺寸难以确定的问题,给出了单段永磁直线同步电动机气隙磁场的二维解析分析,讨论了电机的各主要尺寸参数对气隙磁场和性能的影响,提出了永久磁极的设计原则和计算公式,分析了考虑饱和影响、计及边端效应时分段式永磁直线同步电动机的非线性、不对称、变化的自...     

采用非线性观测器的PMLSM无位置传感器控制

为了满足永磁直线同步电机( PMLSM)运动控制系统必须确定电机磁极位置的需求,提出一种利用电机端电压和端电流信号,通过非线性观测器估计定子磁极位置和动子速度的方法.该非线性观测器首先估计出磁极位置角的正弦量和余弦量,再估计出位置角θ,然后利用PI跟踪控制器得到动子速度信号.该算法和Lunberger观测器以及Kalm...     

圆筒永磁直线同步电机磁场和推力分析

针对轴向磁化圆筒永磁直线同步电机,提出一种基于圆柱坐标的标量磁位分离变量法的磁场解析计算方法,并利用该解析法对无槽电机的气隙磁场分布进行理论分析,得出气隙磁场的轴向和径向磁场分布的解析结果,并解析计算了电机的推力。利用有限元数值计算法对磁场和推力结果进行验证。结果表明,该电机气隙磁场的两种计算方法的结果误差很小,验证了标量磁位分离变量法解析计算气隙磁场及电磁推力的正确性和实用性。给出实验样机的径向磁场分布实验结果,磁密实测值与计算值一致,用负载传感器对电机额定负载的推力进行了实测,验证了样机分析和设计的正确性。     

Design of magnet arrays for permanent magnetic linear motor

An iron-less single side permanent magnetic linear motor structure is presented, and two-dimensional analytical formulae for its magnetic field are deduced to design the types of magnetic arrays, the thickness of permanent magnet, and the duty ratio of magnet arrays, etc. With certain design parameters, conventional arrays are used instead of a piecewise Halbach arrays, and the machining and assembling of the motor are greatly simplified. Calculation results coincide with that of ANSYS. The analytical formulae can be used in designing cored linear motors by modifying boundary conditions. A linear motor driven bench with a single degree of freedom is realized, where the travel reaches 27 mm, the mass of the moving parts is 1.4 kg, and the maximum acceleration is 11.5 m/s². __________ Translated from Journal of Xi’an Jiaotong University, 2007, 41(3): 353–357 [译自: 西安交通大学学报]