分数槽集中绕组感应电机启动转矩特性分析

分数槽集中绕组(FSCW)结构感应电机气隙中含有丰富的磁动势谐波,电机直接启动会带来巨大的冲击电流和较大的转矩脉动,选择合适的电机启动方法在确保提供电机启动所需的能量,同时最大程度地降低其成本、提高效率。本文将基于FSCW结构的感应电机研究硬启动和软启动这两种不同的启动方式。全电压法(硬启动)是最简单的方法,但其可能会对电机寿命产生影响;降压降频启动(软启动)则是另一个方法,可以减少启动所需的能量消耗。首先,根据绕组理论建立感应电机的数学模型;通过电磁耦合理论的电磁转矩理论,分析了硬启动和软启动两种工况下的启动转矩、非主导极对数谐波磁场对转矩脉动的影响;然后,基于虚位移法推导出电磁转矩表达式;最后,基于电磁转矩理论讨论了两种启动方式下的电磁转矩和转矩脉动。此外,还通过理论计算、有限元仿真和试验验证了软启动的可行性和稳定性。

分数槽集中绕组极对数谐波抑制方案对比研究

【目的】为解决分数槽集中绕组(FSCW)感应电机绕组磁动势中存在高幅值低次谐波的问题,本文提出了双Y形绕组、星三角形绕组和特定次谐波抑制绕组三种不同谐波抑制方案对非主导极次谐波进行抑制。【方法】首先分析了三种不同谐波抑制方案的基本原理以及在不同极槽配合下各次谐波磁动势的分布规律;其次,推导了不同方案下各次谐波的绕组分布系数与匝数的关系;然后,理论计算了不同谐波抑制方案对各次谐波磁动势的抑制情况;最后,建立FSCW感应电机二维有限元模型,对比分析不同谐波抑制方案下电机的电磁特性。【结果】仿真结果表明,三种谐波抑制方案均能有效抑制非主导极次谐波,降低转矩脉动和电机铁心损耗,但不同谐波抑制方案存在明显差异。【结论】综合考虑不同谐波抑制方案的特点,可为后续电机谐波抑制的选择设计提供参考。

分数槽集中绕组永磁同步直线电机磁场解析计算

分数槽集中绕组永磁同步直线电机(Fractional-slot Windings Permanent Magnet Synchronous Linear Motors,FW-PMSLM)采用端部不重叠的集中绕组,具有磁阻力小、推力波动小、端部绕组短、用铜材料省、损耗小等优点,适合于长行程、高精度驱动场合。本文以15槽16极FW-PMSLM为例,考虑电枢电流分布函数和永磁体电流密度等效,建立分层解析模型。运用傅氏级数法推导出气隙和磁极区域中磁场的解析公式,分析FW-PMSLM电枢磁场和励磁磁场的分布。针对传统卡氏系数法在计算FW-PMSLM磁场的不足,提出采用分布卡氏系数函数来计及铁心开槽对分数槽电机磁场的影响,将解析分析与有限元分析结果进行比较,验证本文所提分布卡氏系数函数法解析求解FW-PMSLM磁场的有效性。利用该方法分析不同极弧系数、不同初级齿宽以及不同气隙长度时的电机推力以及这些因素对推力解析计算精度的影响,利用不同气隙下的实验结果验证推力解析计算精度。为分数槽永磁直线电机的工程计算和优化设计提供依据。

分数槽集中绕组无铁心永磁直线同步电机推力分析

为实现应用于步进扫描投影光刻机中长行程直线电机的高推力密度、低推力波动等要求,研究叠放和非叠放两种分数槽集中绕组的无铁心永磁直线同步电机推力特性,在建立空载气隙磁场分析模型的基础上,推导叠放和非叠放两种绕组形式的电机空载感应电动势、电磁推力和推力密度的解析式,分析永磁体和初级绕组的结构尺寸对电磁推力的影响规律。通过实例分析,比较推力的解析法计算结果、有限元法仿真结果和实验测试值,证明解析法的合理性。同时,分析比较不同极槽比组合的叠放和非叠放分数槽集中绕组的电机电磁推力和推力密度的大小。结果表明:少极多槽极槽比的叠放分数槽集中绕组形式电机产生的电磁推力与推力密度更大。

基于绕组函数法的分数槽集中绕组永磁同步电机电感参数研究

利用绕组函数法量化分析分数槽集中绕组永磁同步电机相对于整数槽绕组电机的自感与互感特性,并推导出通用性规律,得出不同每极每相槽数时分数槽集中绕组永磁同步电机电感参数与同极数整数槽绕组的比值规律。利用有限元分析工具对该类绕组永磁同步电机的交直轴同步电抗进行分析,总结内置式转子磁极结构、带极靴表面式转子磁极结构分数槽集中绕组永磁同步电机的凸极率特性,并通过实验对计算结果进行验证。

双分数槽集中绕组低速潜油电机的设计分析

针对传统潜油电机需要配备减速器才能驱动潜油螺杆泵的不足,提出了一种驱动潜油螺杆泵的双分数槽集中绕组低速潜油电机,电机定子采用空间相距特定角度的两套分数槽集中绕组。根据特殊的绕组结构,对电机在不同时刻的磁势进行分析,表明电机能够产生恒定的电磁转矩。利用有限元法对电机进行二维瞬态场分析,得到了电机在空载和额定负载条件下的磁场分布及相关特性,结果验证了电机在电磁设计上的合理性。所设计电机可实现在不增大电机定子外径的情况下增加电机的极数,降低同步转速,有望实现潜油电机直驱潜油螺杆泵,从而有效降低整个采油系统的成本,抽油质量大为提升,对整个系统的节能具有重要意义。

分数槽集中绕组永磁同步电机设计与分析

分数槽集中绕组永磁同步电机由于转矩密度高、弱磁性能好、齿槽转矩小和效率高等特点,广泛应用于航空航天、电动汽车等领域。本文研究了机载雷达伺服系统用分数槽集中绕组永磁同步电机,建立了电机的解析模型,分析了长径比、裂比、磁密系数等设计参数对电机性能的影响规律。结果表明,电机的输出转矩和质量分别与定子外径D3os,D2os成正比,绕组端部比重与长径比λ成反比,综合转矩密度和绕组端部比重两个因素,λ宜在0.2~0.4范围内选择。当定子裂比γ增加时,转矩密度先增大后减小,为使转矩密度最大,γ宜在0.6~0.8范围内选择。当磁密系数χ增加时,输出转矩先增大后减小,为使输出转矩最大,χ宜设计在1.75附近。基于理论分析和仿真计算,文中设计并加工了一台45槽38极分数槽集中绕组永磁同步电机,最后通过实验测试了其性能。

基于齿靴优化的分数槽集中绕组电机定子磁场谐波削弱

为优化分数槽集中绕组电机的定子磁场波形,提出一种定子齿靴优化的方法。本文介绍了定子齿靴优化的思路及其在Maxwell 2D中实现的方法,以8槽6极表贴式单相永磁同步电动机为例,对不同齿靴优化程度的电机模型进行仿真,得到定转子磁场波,并进行傅里叶分解和气隙磁密的计算。仿真结果表明:提出的定子齿靴优化方法能有效地改善分数槽集中绕组电机的定子磁场波形,降低其谐波畸变率。本文为优化分数槽集中绕组电机的定子磁场波形提供了一定的参考依据。

分数槽集中绕组表贴式永磁同步电机转子损耗

针对损耗模型很难准确地计算转子损耗且三维有限元方法占用大量时间的问题,基于二维运动瞬态有限元法,研究了1台36槽42极单层分数槽集中绕组永磁同步电机在恒转矩区和弱磁区以最大转矩运行时的转子损耗,并且研究了高速工况下永磁体轴向分段数量、槽口宽度以及气隙厚度对永磁体损耗的影响。研究发现,在整个转速区间永磁体损耗占转子总损耗的90%以上;转速低于1 500 r/min时,转子铁心磁滞损耗高于涡流损耗,高于1 500 r/min时涡流损耗明显高于磁滞损耗。永磁体分段能明显降低永磁体涡流损耗;负载工况下改变槽口宽度,永磁体涡流损耗几乎没有变化;增大气隙厚度虽然能降低永磁体损耗,但是效果并不明显;同时,更改槽口和气隙厚度会使电感发生变化,并进而影响电机的运行性能。

分数槽集中绕组永磁电动机的槽极选择与径向力分析

介绍了分数槽集中绕组永磁交流电动机槽极选择的主要依据。简要介绍了永磁电机径向力波分析的理论,重点分析了分数槽集中绕组永磁交流电动机的主要谐波类型。利用有限元分析方法计算了10极分数槽集中绕组永磁交流电动机的谐波磁场,进行了径向力波分析。综合对比不同槽数下电动机的绕组系数、低阶力波含量和齿槽转矩,选择出合适的槽极配合。

定子模块化分数槽集中绕组电机性能分析

通过在两种槽极配置(12槽10极与12槽14极)电机定子非绕线齿中插入间隙,对分数槽集中绕组电机的定子进行模块化设计。使用有限元软件建模仿真,与传统一体式电机进行对比。分析发现,模块化电机定子间隙的存在改变了定子磁路,从而影响电机的电磁特性、转矩特性以及损耗特性。定子间隙对电机性能的影响也同时得以明确,结果表明,定子间隙的存在提升了12槽14极电机的绕组因数、输出转矩,运行效率等。和12槽10极电机相比,少槽多极(12槽14极)分数槽集中绕组电机更适合进行模块化改造。

永磁体层数与定子槽数对内置式分数槽集中绕组永磁电机性能的影响分析

为分析不同永磁体层数与定子槽数的作用效果,探究了具有多层永磁体结构的内置式分数槽集中绕组永磁同步电机的性能,设计并制造了9槽10极与18槽10极电机的仿真模型与原型机,采用有限元软件分析了不同永磁体层数与定子槽数对电机输出转矩、齿槽转矩、气隙磁密和齿部磁饱和等电磁特性的影响。理论分析及实验结果均表明,相比于9槽10极,18槽10极电机可以更好地抑制转矩脉动并提升平均输出转矩,同时,双层永磁体电机相比单层永磁体电机具有更优异的性能。

分数槽集中绕组永磁交流伺服电机定子磁动势及绕组系数分析

本文根据绕组电流产生磁动势的基本原理,使用Matlab软件对典型常用的几种分数槽集中绕组单元电机的定子磁势进行傅里叶级数展开,得到分数槽集中绕组磁势各次谐波的频谱图。通过对频谱的分析,得到分数槽集中绕组永磁交流伺服电机定子磁势的谐波分布规律。在磁势谐波频谱的基础上分析了分数槽集中绕组的绕组系数,得到了绕组系数分布规律及绕组系数表。为分析解决分数槽集中绕组永磁交流伺服电机其它问题打下基础,为电机的设计提供依据。

改变定子铁芯面积对分数槽集中绕组永磁同步电机铁耗的影响

为研究改变定子铁芯面积对分数槽集中绕组永磁同步电机中铁耗的影响,针对定子槽提出了两组研究方案。在8极9槽永磁电机的基础上使用有限元软件,搭建了保证定子槽数不变仅增加定子槽宽整数倍和不改变每个定子槽尺寸仅增加定子槽数的两组电机。介绍了铁耗计算原理并通过仿真对比了两组电机谐波含量、定子轭部磁通密度和在不同转速下的铁耗与永磁体涡流损耗。分析结果表明,与增加电机定子槽数相比,适当地增加电机定子槽宽能有效降低电机铁耗、磁体涡流损耗和谐波含量,在不显著降低性能的情况下进行优化可确定定子槽的宽度。另外,与改变每个槽的面积相比,转矩脉动受电机定子槽数的影响更大。

分数槽集中绕组永磁辅助同步磁阻电机的设计

为了改善同步磁阻电机存在的转矩密度低、效率低等问题,课题组设计了一种10极12槽的永磁辅助同步磁阻电机。定子采用隔齿绕分数槽集中绕组,减小了相间耦合,增大了绕组自感,从而提高了电机的容错能力;此外,通过永磁辅助,增大电机的交直轴电感差,提高了电机的转矩密度;针对样机转矩脉动较大的问题,采用转子不对称磁障结构与定子斜槽的改进方法进行优化。仿真结果表明优化后电机的转矩脉动从32.0%减小到15.0%,表明课题组设计方案和优化方法具有可行性。

磁障结构对分数槽集中绕组电机涡流损耗的影响分析

采用绕组函数法对分数槽集中绕组永磁同步电机的绕组系数和磁动势进行分析,得到绕组系数和磁动势的频谱图和分布规律。分析了引起电机涡流损耗的主要的空间谐波,对比了四种不同磁障结构对绕组激励空间谐波削弱作用。在此基础上提出了一种新的磁障结构,分析了此结构对绕组激励空间谐波、电机转子涡流及永磁体涡流损耗的削弱作用。

分数槽集中绕组双转子感应电机电磁耦合特性的分析

由于传统双馈感应发电机的功率因数随极对数增加而显著降低,无法实现直驱,提出一种分数槽集中绕组双转子电机,定转子采用分数槽集中绕组,利用定子磁动势极对数频谱中的一对主导分量进行双转子交流励磁,提高电磁功率,显著提升了电机转矩密度。介绍分数槽集中绕组双转子感应电机的基本结构及工作原理,依据分数槽集中绕组理论分析了它的电磁耦合特性,并推导了电感参数的一般表达式,利用解析法计算电感参数,分析了高次谐波对电感参数的影响。最后,通过对比有限元分析与理论分析的电感参数结果,理论分析与仿真结果基本吻合。

次谐波降低对分数槽集中绕组电机转子损耗的影响

研究了一种新型的绕组结构用于分数槽集中绕组永磁电机,该结构可以有效地降低绕组磁动势谐波,从而降低电机铁耗和永磁体涡流损耗。不同转子结构的电机,谐波的降低对转子损耗的影响程度是不同的。在考虑电机转子结构的情况下,将该绕组结构应用于不同结构的电机,分析谐波对转子损耗的影响。研究表明,对有利于谐波磁力线通过的结构,采用新型绕组结构,铁耗降低明显。永磁体涡流损耗降低程度不随转子结构的影响而变化。

基于分段交错梯形磁极的分数槽集中绕组永磁电机局部切向力的削弱

局部切向电磁力波会通过定子齿的杠杆效应引起定子轭部径向振动,其对振动的贡献可以与径向电磁力波比拟。针对分数槽集中绕组永磁电机的局部切向电磁力波,提出了一种分段交错梯形磁极的削弱方法,该方法可在保证电机转矩密度的前提下,有效削弱局部切向电磁力引起的振动。首先,推导了作用于定子齿部的切向集中力模型,并以一台10极12槽永磁电机为例,分析了局部切向电磁力引起振动的原因。然后,基于有限元模型,分析了分段交错梯形磁极对局部切向电磁力的削弱机理,并对比了优化前后电机的径向力波、电磁转矩以及振动频谱。结果表明,分段交错梯形磁极结构对径向力、切向力均有显著的抑制作用。最后,对优化前后的样机进行振动实验,验证了优化方案的有效性。

分数槽集中绕组永磁电机弱磁性能研究

对于分数槽集中绕组电机,其绕组磁场中除整数次谐波外还含有分数次谐波,这些谐波分量使电机的直轴电感大大增加,提高了电机的弱磁调速性能。然而在不同极槽组合下,绕组磁场各次谐波分量变化十分复杂,因此有必要研究不同绕组形式下绕组电感的变化规律。本文首先建立了表贴式永磁电机绕组磁场的解析模型,分析了相电感各部分组成与谐波磁场的对应关系,给出了绕组磁场谐波频谱和相电感的解析表达式和详细推导过程。利用该方法计算了常用极槽组合下电机的谐波漏感系数,得出电机电感值与极槽组合的变化规律。最后,采用有限元仿真和实验对上述结论进行了验证。研究结果显示,采用分数槽集中绕组能使电机弱磁能力有明显的提升。