考虑磁致伸缩逆效应的非晶合金开关磁阻电机减振方法

非晶合金用于电机铁心可极大地提高电机效率,然而,其较大的磁致伸缩系数和极强的应力敏感性(即磁致伸缩逆效应)在增大铁心振动噪声的同时,限制电信号对铁心磁性能的精确控制能力。该文提出采用磁致伸缩逆效应对铁心磁化状态进行调制,以抑制非晶合金开关磁阻电机电磁振动的减振思路。首先,基于宏观热力学理论,建立考虑磁致伸缩及其逆效应的非晶合金材料力-磁耦合本构关系;其次,提出非晶合金开关磁阻电机的定子齿加压结构,并考虑静态预应力、脉动电磁应力对非晶合金磁特性的影响,构建开关磁阻电机力-磁双向动态耦合模型并求解;最后,计算应力作用前后定子铁心的磁通密度分布。通过实验与仿真对比发现,定子齿加压结构的径向电磁应力可减小44.5%,因此该减振方法具有可行性。

考虑磁滞与谐波特性的开关磁阻电机铁损分析

非晶合金开关磁阻电机(SRMA)的双凸极结构和脉冲供电方式决定了电机内磁场分布的非正弦性,并且不同部位磁通密度波形具有较大差别,导致难以准确计算SRMA的铁心损耗。考虑到非正弦激励下铁心损耗难以用传统的Bertotti损耗分离模型进行计算,本文提出一种耦合Play磁滞模型与变修正系数动态损耗模型的SRMA铁损有限元分析方法。首先,构建非晶合金磁特性测量平台,测量了不同工况下的磁滞回线与损耗特性;其次,根据测量得到的准静态磁滞回线对Play磁滞模型进行参数辨识,并用该模型计算SRMA的磁滞损耗;引入与磁通密度和频率相关的变修正系数,对含高次谐波的SRMA铁心动态损耗进行准确计算;最后,将Play磁滞模型与变系数傅里叶分解损耗计算方法应用于SRMA铁心损耗的有限元分析之中,并进行了实验验证。结果表明,所提方法在SRMA铁损计算中具有较高的精度。

一种考虑动态磁滞效应的高效稳定时域有限元计算方法

在时域有限元分析中,考虑铁心磁滞特性与损耗等效磁场对磁场分布的反馈作用,对精细化模拟电工装备的暂态电磁特性具有重要意义。针对耦合动态磁滞特性有限元分析中,存在计算时间长、收敛不稳定等问题,该文提出一种基于等效磁阻率的改进固定点迭代策略,并应用于耦合Preisach磁滞模型的时域有限元分析中。首先,鉴于逆Preisach模型易于数值实现且具有较高的计算精度,铁心材料的磁滞行为由逆Preisach模型进行描述,并基于解析一阶回转曲线对模型进行了参数辨识;其次,通过分析动态磁场分量对收敛性的影响,提出基于等效磁阻率的固定点迭代策略,并在有限元迭代过程中引入松弛因子以加强算法的收敛速度与稳定性;最后,以爱泼斯坦方圈为例,计算铁心中的磁场分布特性与瞬时损耗分布特性并进行实验验证。结果表明,该文所提动态磁滞有限元计算方法在具有较高精度的同时具有较好的收敛速度及稳定性。

基于负载观测的开关磁阻电机线性自抗扰控制

为提高开关磁阻电机(SRM)控制系统抗负载扰动的能力并且消除转速超调,提出了一种基于负载观测的SRM线性自抗扰控制方法。首先,设计负载转矩观测器来观测SRM的负载转矩;其次,针对速度环设计线性自抗扰控制器(LADRC)取代传统PI控制,并与负载转矩观测器结合,以减轻线性扩张状态观测器(LESO)的负担,同时将观测到的负载转矩转化为对参考转矩的前馈补偿,提高了控制系统的抗扰动能力;最后与传统的PI控制作对比研究。仿真结果表明,所提出的控制方法可以提高系统抗负载扰动的能力以及转速的跟踪性能,高速运行时转速偏移量仅为0.4%;设计的负载观测器可以快速、准确地跟踪负载转矩,稳态误差仅为0.02 N·m;负载转矩对参考转矩的补偿进一步提高了系统的动态稳定性。

Halbach阵列同心式磁力齿轮磁场分析与优化设计

采用二维全局解析法计算Halbach阵列同心式磁力齿轮气隙磁场。求解场域划分为内外转子永磁体、内外两层气隙和调磁定子的槽形区域,3类子区域的拉普拉斯方程和泊松方程通过边界连续条件建立联系。得到内外两层气隙区域的矢量磁位磁通密度解析表达式,有利于方便、快速、精确地计算任意转子位置的电磁转矩。气隙磁场波形与二维有限元法计算波形较吻合。与径向充磁相比,Halbach阵列充磁方式所得转矩更大,且更接近正弦。运用Matlab优化工具箱中的遗传算法对Halbach阵列同心式磁力齿轮某些参数进行优化,试验结果表明计算值与测量值较为一致,证明了所提方法的正确性和有效性。

Halbach阵列同心式磁力齿轮参数分析与优化设计

直驱式同心式磁力齿轮在低速大转矩领域有广泛的应用前景。为获得较正弦分布气隙磁场,所用永磁体采用Halbach阵列充磁,用二维全局解析法计算同心式磁力齿轮磁场分布;分析了调磁环铁心宽度、调磁环高度及外转子轭部厚度等参数与磁力齿轮最大静态转矩之间的关系。磁场全局解析法计算结果与有限元分析结果一致性较好,验证了解析模型的正确性;根据参数分析结果,制作了一台内转子4对极、外转子17对极的Halbach阵列同心式磁力齿轮样机,样机试验结果表明,合理选择结构参数可以提高磁力齿轮的转矩密度,对磁力齿轮的设计提供一种有益参考。

双转子混合励磁电机优化设计和特性分析

提出一种新型双转子混合励磁电机(dual-rotor hybrid excitation motor,DRHEM)拓扑结构,通过单定子—双转子的结构实现了电励磁双凸极电机(doubly salient electromagnetic motor,DSEM)和永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)的高效结合。给出了所研究电机的基本结构和工作原理,讨论了DSEM部分和PMSM部分的极槽匹配原则。通过建立电机有限元求解模型,计算和分析了电机内的电磁场,得出最优结构及参数。研究结果表明:新结构混合励磁具有简单、紧凑、无刷励磁、电磁损耗小等特点。通过励磁电流的调节,优化后的混合励磁电机具备良好的调磁性能和宽广的调磁范围,在航空电源启动系统中有重要应用价值。

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。

Halbach阵列同心式磁力齿轮磁场全局解析法分析

针对Halbach阵列同心式磁力齿轮这种内外转子非接触传递的传动装置,运用全局解析法对磁力齿轮内外两层气隙磁场进行分析计算。求解场域划分为内外转子永磁体、内外两层气隙和调磁定子的槽形区域,各子区域的拉普拉斯方程和泊松方程通过边界连续条件建立联系。得到内外两层气隙区域的矢量磁位磁通密度解析表达式,并用计算了内外转子电磁转矩,将气隙磁场波形和内外转子电磁转矩波形分别与二维有限元法计算波形作比较,结果吻合,证明了方法的正确性和有效性。

一种内转子不均匀Halbach阵列的磁性齿轮

磁性齿轮具有过载保护、无需润滑、传动比固定等优点,在低速大转矩传递领域有着广阔的应用前景。由于磁场调制原理,磁性齿轮气隙磁场谐波含量丰富,这将导致在传动过程中有较大的转矩脉动。为解决此问题,文中对磁性齿轮结构进行一定的改进,使气隙磁场有效工作谐波增大,同时使产生脉动的谐波减少。对内转子永磁体进行不均匀分块,分配比例为1:4:1,并采用充磁角度为50°的正弦充磁,运用二维有限元对改进模型进行仿真。通过与传统磁性齿轮对比发现,改进后的磁性齿轮有利于改善气隙磁密,降低转矩脉动。最后,制作一台样机,并通过样机实验验证该磁性齿轮的瞬态和稳态电磁特性。

开关磁阻电机转矩脉动优化研究

转矩脉动是造成电机振动和噪声的主要原因。为降低开关磁阻电机转矩脉动,研究了一种新型转子齿形,即在传统平行转子齿形的两侧添加半椭圆形辅助铁芯。利用有限元法,对一台12/8极开关磁阻电机建模,通过参数化仿真,得到最优改进模型。同时,为了进一步降低转矩脉动,优化功率变换器开关角,缓解换相时引起的转矩跃变。通过仿真计算得到最佳开通角和关断角组合方案,不仅可以显著降低开关磁阻电机的转矩脉动,而且还缓解了双凸极造成的局部饱和。该方法从根源上减小双凸极结构造成的局部饱和和换相时引起的转矩较大跃变,对于其它的双凸极电机都有借鉴意义。

磁力齿轮发展历程及可研究问题

磁力齿轮有着转子间无摩擦、制造安装简单、成本相对较低等优点,是一种优良的传动机构。从时间上简述了磁力齿轮的发展历史,对比了国内外对磁力齿轮的研究现状。介绍了几类常见的磁力齿轮拓扑结构,比较了这几类磁力齿轮的优劣。总结了其将来的发展方向与可研究问题。

一种可改善传动稳定性的混合励磁型磁齿轮研究

同轴磁齿轮是一种结构新颖的传动装置,在低速大转矩传动领域具有广阔应用前景。针对传统表贴式磁齿轮气隙磁密谐波含量高、转矩脉动大的问题,提出了一种内磁极为偏心表贴式,外磁极为永磁体励磁和电励磁两种磁化方式的同轴式磁齿轮。利用有限元法计算了传统型、开槽未加电流型和开槽加电流型磁齿轮的气隙磁场和电磁转矩,对内、外层气隙磁密的谐波含量进行了分析。仿真结果表明,偏心磁极结构有利于改善内层磁密波形,降低谐波畸变率;增加电流励磁不仅能保证输出转矩,而且能降低转矩脉动。这对提高同轴磁齿轮的传动稳定性具有重要意义。

削弱模块化永磁电机齿槽转矩的新方法

为减小模块化永磁电机的齿槽转矩,结合永磁电机槽口偏移法,提出并讨论了一种新型定子结构,沿圆周方向带有向左和向右的槽开口。由于定子槽开口的机械位移,产生的齿槽转矩分量也移向右侧和左侧。因此,对于一个适当的移动角,齿槽转矩分量的一半和另一半可以移动180°,这使得齿槽转矩分量相互抵消,从而削弱了总的合成齿槽转矩。通过将一个电机的总齿槽转矩看作是由两个电机齿槽转矩叠加而成的方法,使得分析方法更加简单易懂,并给出了槽口偏移的表达式。实验仿真表明,该方法能够有效削弱模块化永磁电机的齿槽转矩,并将转矩波动控制在额定转矩的2%以下。

含金属薄片的磁力齿轮稳定性分析

针对同轴磁力齿轮在传动过程中存在转矩脉动大、气隙磁密谐波含量高的问题,研究了一种含有金属薄片的磁力齿轮,该结构磁力齿轮是在内、外转子永磁体两外侧分别固定一层导电不导磁的金属材料。利用有限元建立了内转子为4对极,外转子为21对极的磁力齿轮模型。计算了该磁力齿轮的内、外气隙磁场和转矩,并对气隙磁密谐波和转矩脉动进行了分析。结果表明,含有金属薄片的磁力齿轮不仅可以减少气隙磁密的高次谐波,而且可以降低转矩脉动。为磁力齿轮传动稳定性的提高提供一种参考。

表贴式永磁无刷电机直接解析计算方法

采用直接解析法计算表贴式永磁无刷电机空载气隙主磁场、齿槽转矩和反电动势。求解场域划分为气隙、永磁体和槽区域,三个子区域的拉普拉斯方程或泊松方程通过交界条件建立联系,然后采用解析法直接求解。计算中确切计及了实际槽深和槽间距离。开槽气隙主磁场、齿槽转矩和反电动势解析计算波形分别与二维有限元法计算结果和实验波形作比较,比较结果较为一致,证明了本文方法的正确性和有效性。

Halbach阵列半闭口槽永磁电机全局解析法研究

Halbach阵列永磁电机具有出色的转矩输出性能,适用于高精度伺服系统。准确获得其磁场分布是Halbach阵列永磁电机设计及优化的关键。该文采用二维全局解析法分析Halbach阵列永磁电机气隙磁场,为了与实际电机槽型尺寸尽可能接近,定子槽区域划分为槽口和槽身区域。解析所得的气隙磁密、齿槽转矩、电磁转矩、磁链和反电动势波形以及绕组电感值,与有限元分析结果一致性较好,其中反电动势波形与试验测试波形趋势一致,验证了所提解析模型的合理性。

削弱异步起动永磁同步电机齿槽转矩的新方法

通过分析得出异步永磁同步电机(LSPMSM)的总齿槽转矩可以由每个对应磁极所产生的齿槽转矩分量叠加而成,并由此提出了一种基于磁极偏移的方法来削弱电机齿槽转矩。由于磁极的偏移,使得由该磁极和定子齿相互作用产生的齿槽转矩相位发生了改变。因此当磁极偏移适当的角度时,各个磁极产生的齿槽转矩有可能相互抵消。通过傅里叶分析,得出了不同极槽配合时电机的齿槽转矩表达式,并确定了不同极槽配合时磁极偏移角的公式。通过有限元仿真证明,该方法能够降低电机的齿槽转矩幅值。

一种削弱表面-内置式永磁电机齿槽转矩方法

为了削弱表面-内置永磁同步电动机的齿槽转矩,设计了一种新型槽口偏移方案。分析了永磁电机齿槽转矩表达式,验证了该电机总齿槽转矩为各槽产生齿槽转矩的叠加。以此为原理,将定子铁心的槽进行分组,每组槽口偏移适当角度可以抵消电机齿槽转矩某次谐波,并计算出了槽口偏移最优偏移角。有限元仿真验证表明,该方法可以有效削弱表面-内置永磁同步电动机的齿槽转矩,且电机其他性能不受影响。

基于磁齿轮调制的复合电机有限元分析

为了降低机械损耗,获得高转矩密度电机,研究了一种磁齿轮复合电机,该电机充分利用磁场调制型磁齿轮内部空间,将磁场调制型磁齿轮和永磁电机复合在一起。利用有限元软件建立磁齿轮复合电机二维有限元模型,分析了电机磁力线分布、气隙磁密及对应的傅里叶分析、感应电动势、稳态运行转矩、齿槽转矩等特性。仿真结果表明,此类复合电机磁力线分布均匀,气隙磁密对应的最大谐波次数符合设计要求,三相反电动势对称性好,内外转子转矩比与传动比一致,齿槽转矩较小。与传统永磁电机相比此类电机有很好的转矩传输比和较高的转矩密度,具有很好的应用前景。