基于端部绕组模块的定子励磁无刷电机冷却方法

为了提升定子励磁无刷电机的冷却能力,提出了一种基于端部绕组模块的定子励磁无刷电机冷却方法.在电机端部绕组和定子铁芯叠片端部的间隙中插入端部绕组冷却(EWC)模块,以减小定子绕组热点区域和冷却介质之间的间隙,从而提高端部绕组的冷却能力.对非重叠式集中绕组长度计算模型进行改进,评估采用EWC模块前后电机定子电枢绕组长度的变化,分析EWC模块的电导率对电机定子损耗的影响.采用计算流体动力学(CFD)模型,对比EWC模块在不同铜耗和励磁源损耗密度下的冷却性能.结果表明,采用EWC模块可以使端部绕组的稳态温升降低约50%,热态时的绕组电阻降低7.51%,从而改善了定子的冷却条件.

不同相移角度绕组对双三相永磁同步电机电磁性能的影响分析

由于双三相永磁同步电机两套三相绕组之间可采用不同相移角度,以一台24槽22极双三相永磁同步电机为例,分析了相移角度对电机性能的影响规律.首先,基于各槽绕组磁动势间的相位关系,推导了在采用单层绕组和双层绕组时,两套三相绕组之间可行的空间相移角度,即0°、15°和30°,并对比分析了不同空间相移角度绕组产生的电枢磁动势频谱;然后,结合电枢磁动势谐波和电机电磁性能之间的关系,通过有限元仿真,验证了0°、15°和30°相移角度的绕组拓扑对不平衡磁拉力、反电势、平均转矩和转矩脉动等电磁性能的影响规律;最后,制作了2台单层和双层空间相移30°绕组的样机,并通过实验验证了理论和有限元仿真分析的正确性.结果表明:空间相移0°存在明显的不平衡磁拉力;空间相移30°电机平均转矩最大,转矩脉动最小.

基于变载波频率的永磁同步电机驱动系统效率优化控制

为降低永磁同步电机驱动系统的损耗,提高系统效率,提出了一种基于母线电流反馈的变载波频率优化控制方法.首先,建立了系统损耗数学模型,探究了载波频率与系统损耗的关系.然后,针对离线优化方法对于参数敏感的问题,设计了一种基于母线电流反馈的载波频率在线寻优方法.结果表明,在不同转速与负载条件下均存在使系统损耗最小的最优载波频率,其随转速与负载条件变化而变化.在各个工作点,系统损耗的计算值均与实测值基本吻合.在线寻优方法在中高负载情况下能够实现约0.6%的效率优化,并且在负载变化的情况下仍然能够实现损耗优化.

基于磁感的变压器和感应电机等效矢量磁路分析

电机学等传统电机理论对变压器和感应电机的工作机理分析多采用等效电路的方法,将实际磁量等效为电量来表示,在一定程度上让二者的分析变得复杂化。可是,传统磁路理论中仅有磁阻元件,难以定量表征磁通与磁动势之间存在的相位差和铁心中的损耗等,进而成为分析的瓶颈。为此,该文引入新的磁路参数——磁感,并利用磁阻和磁感双元件构成的矢量磁路理论,建立适用于变压器和感应电机分析的等效矢量磁路,推导了不同工况下的磁路方程,并以变压器为例,从磁路角度绘制了相量图。对变压器和感应电机在不同工况下的主要特性进行定量计算,通过实验结果验证了分析方法的有效性。相较于等效电路分析方法,该文所提的等效矢量磁路分析方法省去了匝数归算、频率归算等过程,因而概念清晰、计算简洁。该文研究不仅为电机等电磁装备的分析设计提供了全新的方法,而且有望推动《电机学》教材的改革,降低电机学相关内容的学习难度。

面向短时/断续工作制的电机系统固–液相变热管理技术及应用发展

固–液相变现象表现出的潜热特性可有效平抑瞬时温升,将其应用于航天航空、奔越式机器人、新能源汽车、数控机床等电机热管理系统,可有效提高短时工作制或断续周期性工作制(S2—S8)下运行的伺服电驱动系统的瞬态性能。为了总结归纳固–液相变材料的电机系统热管理技术及其应用现状,该文针对固–液相变材料特性、系统数值计算与仿真模拟、样机实验测试方法、相变热管理系统结构等4个方面开展调研,并提出亟待解决的关键技术问题。研究发现:目前阶段石蜡和低温熔盐是适合电机系统的最佳相变介质,但仍存在导热系数较低的问题,需通过改性强化解决;通过机壳灌注相变材料,可有效实现温升平抑,但尚缺乏有针对性的热路拓扑设计;采用焓–多孔方法是模拟相变过程的理想手段,但糊状区参数的取值缺乏理论指导;最后,固–液相变过程的测试中侵入式传感器易对电磁、热、流场的自然演变过程产生干扰。

矢量磁路及应用初探

磁路理论是电机、变压器等电磁设备的关键理论,为解决复杂电磁问题和优化电磁设备性能提供重要分析工具。该文首先追溯磁路理论的发展历程,介绍前人为完善磁路理论作出的有益探索,剖析其局限性和实际应用中所面临挑战。在此基础上,该文从磁路的基本物理属性出发,定义物理量磁感和虚拟磁容,建立包括磁阻、磁感和虚拟磁容3个核心磁路元件/参数的矢量磁路理论,表征磁路中磁化、涡流和磁滞3个基本属性,揭示虚拟磁功率与电功率间的内在联系,提出磁电功率定律,并与其他磁路理论、建模方法进行比较和分析,总结它们的联系和区别。为展示矢量磁路理论在科学与工程领域的价值,呈现4个实际应用案例。最后,对矢量磁路理论的特点进行总结,并对未来研究方向进行展望。

分布式驱动系统用轮毂电机及其技术综述

应用轮毂电机的分布式驱动型电动汽车在系统效率、车身控制、平台开发等方面具有突出优势,是新一代电动汽车领域的研究热点和重要发展方向。该文对比分析电动汽车集中式驱动与分布式驱动的技术优缺点,指出分布式驱动系统用轮毂电机具有巨大的发展潜力;介绍国内外学者在轮毂电机拓扑创新方面做的工作,总结该领域的研究特点以及面向高转矩密度的技术发展方向;阐述振动分析与抑制、温升计算与冷却、多目标优化与算法加速这三大轮毂电机优化设计研究领域的技术进展,提出全局性多物理场分析优化理论的技术空白;阐明驱动控制领域的研究主要围绕单电机层的高性能控制与容错控制、整车层的多电机协同控制展开;最后,该文总结分布式驱动轮毂电机的研究进展,展望该领域的技术研究方向。

基于FPGA的永磁同步电机零计算延迟扩张控制集模型预测电流控制

该文基于现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA),为永磁同步电机驱动提出一种扩张控制集模型预测电流控制策略(model predictive current control,MPCC)。由于在每个控制周期内只有8个基本电压矢量可供选择,传统有限控制集模型预测电流控制(finite control set MPCC,FCS-MPCC)稳态性能较低。为此,文中采用具有818个可选矢量的ECS来实现更精细的电压输出。为减轻因电压矢量大幅增加而带来的计算负担,设计一种简化的最优矢量搜索策略,且可推广用于其他多目标成本函数。基于算法固有并行性,将所提ECS-MPCC方法在FPGA中进行实现,使电流环总控制时间缩短至0.59μs,从而可以消除计算延迟,提高电流环动态性能。最后,通过仿真和实验,验证所提ECS-MPCC策略的有效性。实验结果表明,与传统FCS-MPCC相比,ECS-MPCC的相电流总谐波失真降低77%。

基于龙伯格观测器的五相永磁同步电机无差拍模型预测电流控制

为提高五相永磁同步电机(PMSM)抗参数扰动性能,设计了一种基于龙伯格观测器的无差拍模型预测电流控制(DB-MPCC)方法.首先,利用空间矢量调制技术构建DB-MPCC,并分析了定子电阻、电感和永磁体磁链变化对五相PMSM驱动系统电流性能及稳定性的影响;然后,根据电流微分方程提出了一种改进的龙伯格观测器,将参数扰动视为集总变量,并设计简化增益矩阵求解观测器增益;最后,通过实验验证了所提方法的有效性.结果表明:所提方法可以消除因参数变化产生的静态电流误差,同时保证系统稳定性;可以观测定子电阻、定子电感和永磁体磁链幅值参数在50%~200%变化范围内对系统的扰动,并进行有效抑制,降低d1-q1轴电流静态误差,提高控制系统对参数变化的鲁棒性.

多三相分布式绕组和集中式绕组永磁磁阻电机对比研究

利用磁阻转矩替代永磁转矩,永磁磁阻电机可减少永磁用量,以较低的成本实现相同的性能,该电机在相关行业应用正愈发得到重视。得益于较低的永磁磁链,该类电机短路电流小,非常适合容错设计。电机运行性能和容错能力与绕组紧密相关,因此该文研究了两台分别采用分布式绕组和集中式绕组的多三相永磁磁阻电机,两台电机基于相同性能指标进行设计加工。通过深入的有限元仿真和实验测试,比较了两台电机的反电动势、最大转矩电流比(MTPA)曲线、输出转矩以及不同故障模式下的故障行为和容错能力。结果表明,对于中低速应用场合,采用集中式绕组永磁磁阻电机较之分布式绕组结构具有更好的容错表现。

端部效应对新型定子永磁型双凸极电机反电势的影响研究

研究了端部效应对两种新型定子永磁型双凸极电机(分别是磁通切换永磁电机和双凸极永磁电机)反电势波形的影响。这两种电机都为双凸极结构,并将磁钢嵌在定子上,采用集中绕组以减小端部长度。首先介绍了电机的基本结构和运行原理,在此基础上分析了基于传统二维有限元的电磁性能,并与采用一步三维有限元计算的结果做比较,发现了端部效应的存在和对电机性能尤其是反电势的影响。提出了一种简单快速的方法来量化端部效应,即通过定义一个端部漏磁系数修正二维计算结果以接近电机的实测结果。该方法取代了过去繁琐耗时的纯三维计算,具有相当高的精度且容易实现。样机的实验结果证明了其正行性,为研究永磁电机中存在的端部效应提供了一种切实可行的方法。

新型磁通切换型双凸极永磁电机的静态特性研究

介绍了1种新型磁通切换型双凸极永磁电机,以1台三相12／10极样机为例分析其结构特点和运行原理,并基于有限元法,详细研究其静态特性。具体包括对空载和单相绕组通电的磁场和气隙磁密分布做了较为深入的分析,在此基础上研究绕组永磁磁链、反电动势、定位力矩、绕组电感以及静态转矩等,分析永磁磁场和电枢磁场之间的相互耦合作用对电感特性的影响。结果表明:该种电机的特点在于其双极性的每相永磁磁链显著增加了电机的转矩密度;由于其磁链和反电动势波形从本质上都是正弦分布,使得该种电机特别适合于无刷交流运行的应用场合。所得结果为该种电机的设计、性能分析以及运行控制等建立了基础。

一种用于电动自行车的高性能开关磁阻电机系统

开关磁阻电机(Switched reluctance machine,SRM)凭借结构简单、可靠性高、起动转矩大、起动电流小等内在优势,正得到越来越广泛的关注。另一方面,随着能源危机与环境问题的加剧,采用电能作为动力的交通工具是各国的研究热点。而在中国,研究适合国情,且具有高性价比的纯电动自行车具有巨大的现实意义与示范价值。本文研究了一种应用于电动自行车的三相12/16开关磁阻轮毂电机系统,经过理论分析确定电机结构,进一步利用有限元软件完成样机设计,详细叙述了电机的设计方法,讨论了绕组方案对电机性能的影响,最终试制了样机。利用基于ARM芯片制作的专用控制器完成了对该电机性能的初步验证。

新型两相磁通切换型双凸极永磁电机的静态特性研究(英文)

提出并分析了一种新型两相磁通切换型双凸极永磁电机的结构特点和运行原理,基于有限元法深入研究其静态特性,并通过转子斜槽以改善性能。解析分析了转矩的各个分量和引起脉动的主要因素。结果表明,双极性绕组永磁磁链显著增加了电机的转矩密度,且磁链和反电动势波形从本质上都是正弦分布,特别适合于无刷交流运行。所得结果为该种电机的设计、性能分析以及运行控制等提供了重要依据。

新型三相磁通切换型双凸极永磁电机电感特性分析(英文)

本文基于有限元法研究了一种新型三相12/10极切换磁通型双凸极永磁电机的电感特性。首先介绍了该电机的结构特点和运行原理;其次比较了静态电感和动态电感的定义;并在此基础上采用通用的定子三相坐标系和dq轴两相坐标系变换将三相绕组电感变为直轴和交轴电感;针对该种方法耗时多、运算量大的缺点,提出了一种基于两个特殊转子位置的简单快捷的方法,可以直接计算得到直轴和交轴电感,所得结果与传统方法计算结果比较验证了该方法的有效性,并得到了样机实测电感数据的验证。

混合励磁型磁通切换电机电感特性分析

混合励磁型磁通切换电机是一种新型双凸极结构的无刷电机,永磁磁场、电励磁磁场和电枢反应磁场三者互相耦合。因此,需要建立较为精确的数学模型才能深入分析该电机的电磁性能与运行特性。基于有限元法研究了一台定子12槽转子10极的三相混合励磁磁通切换电机电感特性,包括电枢绕组、励磁绕组和两者之间的互感,并在此基础上通过派克变换,得到转子同步旋转坐标系下的交直轴电枢电感。所得结果为进一步研究该类型电机奠定了一定的理论基础。

研教融合在“电机学”教学中的实践

为提高“电机学”课程教学质量,将新型励磁分离型轴向磁场永磁电机的科研成果转化为教学资源,探索创新“电机学”课程教学模式。通过研究电机结构参数对新型电机性能影响,减小学生学习“电机学”课程的难度,提高学生学习兴趣。采用基于NSGA-Ⅱ的多目标优化算法获取最优电机电磁性能,拓宽了学生的专业理论知识。这种融合前沿科研成果的“电机学”课程教学操作简单、成本低廉,适合国内大部分院校开展。

新型集中绕组小型永磁风力发电机的设计与分析

介绍一种新型绕组连接方式的永磁无刷电机,采用特殊的定子槽/转子极配合,功率密度高,定位力矩小,适用于小型风力发电系统.以一台三相24/22极样机为例,分析其结构特点和运行原理,并基于有限元法,研究其设计过程.在此基础上,对样机的感应电动势、电磁转矩、输出功率、效率等进行实验验证.结果表明:该种电机在无需斜槽或斜极的条件下,采用集中绕组即可获得正弦电势,且保持较高的功率密度和效率,为小型风力发电机的选型提供一种新的方案.

混合励磁电机技术综述与发展展望

混合励磁电机不仅能继承永磁电机的诸多特点,而且电机气隙磁场平滑可调,电动运行时,具有起动转矩大、调速范围广的优点;发电运行时,具有较宽的电压调节能力或宽范围变速恒压输出能力,因此,具有广泛的工业应用前景。本文系统阐述了混合励磁电机的基本特点,并引入混合励磁及其混合励磁电机的基本定义,分析了混合励磁电机磁场调节的一般原理;对几种典型的混合励磁电机结构、原理以及混合励磁电机一般控制技术进行了分析,针对混合励磁电机设计、分析与控制技术的研究现状和存在的不足,探讨了混合励磁电机技术的发展趋势和研究方向。

新型混合励磁双凸极永磁电机磁场调节特性分析及实验研究

提出一种新型带导磁桥的混合励磁双凸极电机,介绍电机的结构特点和磁场调节原理。采用简化等效磁路模型对气隙磁通调节范围、电励磁绕组的励磁磁势和并联导磁桥磁阻三者之间的关系进行分析,用有限元法获得样机磁场分布和磁场调节特性,设计制造了实验样机。样机实验结果不仅验证了理论分析的正确性,并表明:通过改变电励磁绕组电流的大小和方向,实现了电机内气隙磁场灵活调节与控制,有效解决了双凸极永磁电机难以实现电机气隙磁场调节的不足,在电动汽车等需宽调速直接驱动的场合具有应用前景。