无铁心轴向磁通永磁电机的磁场解析计算

轴向磁通永磁电机磁场呈三维结构且磁路复杂,采用有限元法求解电机的气隙磁场将会耗费大量的建模及仿真时间,针对该问题,采用解析法对电机的空载磁场进行计算,通过将电机沿径向分成多个截面,使三维的轴向磁通电机等效为多个二维直线电机的组合体,在直角坐标系中求解拉普拉斯方程,得到矢量磁位,代入边界条件对磁场进行求解。计算电枢反应磁场时,采用多层电流片法进行求解,与有限元仿真结果对比,验证了解析法的可行性,提高了无铁心轴向磁通永磁电机磁场计算和电机参数设计的速度。

YASA轴向磁通永磁电机定子槽漏感计算

定子槽漏感是定子无轭模块化(yokeless and segmented,YASA)轴向磁通永磁电机电感的主要分量,会降低电机的功率因数和最大输出转矩。该文提出定子槽内微小单元磁场能量法计算YASA电机的定子槽漏感,通过建立计及铁心饱和影响的二维等效磁网络模型准确计算槽内微小单元储存的磁场能量,进而计算定子槽漏感。基于所提出的方法,进一步研究定子结构参数以及极槽配合对YASA电机定子槽漏感的影响规律。有限元仿真和实验结果表明,该文所提出的YASA电机定子槽漏感计算方法的可行性和准确性。

轴向磁通永磁电机混合冷却结构设计与分析

针对轴向磁通永磁电机损耗大和散热困难的问题,提出了风冷结构和混合冷却结构,其中混合冷却结构由端盖风冷结构和定子水冷结构组成。建立了电机的三维模型,采用流固耦合法对电机进行仿真分析,通过对比两种冷却结构的冷却效果,选择了混合冷却结构作为电机的冷却系统。通过仿真分析了流速对电机温升的影响,并根据仿真结果确定了混合冷却结构最佳的入口风速以及水速,证明了混合冷却结构的有效性,为轴向磁通永磁电机的冷却系统设计提供了一定的参考。

轴向磁通永磁电机冷却结构设计与温度场分析

为解决轴向磁通永磁电机散热难题,通过降低永磁体涡流损耗并采用水冷方式来限制电机温升。以一台25 kW、3000 r/min轴向磁通永磁电机为研究对象,分析永磁体分块对永磁体涡流的影响,确定永磁体分5段为综合最佳方案。设计两种水冷结构,分别是轴向内外螺旋水道和轴向内外U形水道。通过建立电机温度场分析模型,进行流固耦合的仿真计算,对比两种水冷结构的冷却效果,结果表明,U形结构冷却效果优于螺旋结构。

轴向磁通切换永磁电机研究进展综述

轴向磁通切换永磁电机(ASFPM)结合了轴向磁通永磁电机与磁通切换电机的特征,凭借其轴向长度短、结构紧凑、功率高、转矩密度高、散热方便等优势,在电动汽车、电动飞机、风力发电等领域广泛应用。介绍了ASFPM电机典型拓扑结构,在电机设计与分析方法、齿槽转矩抑制技术、损耗与热性能分析与优化、控制技术、应用分析等方面对国内外研究现状及进展进行综述,并对该类电机当前的应用情况进行整理。基于ASFPM电机的研究现状,对未来的研究方向进行了探讨。

基于磁极错位的轴向磁通永磁电机转矩脉动抑制

针对低速直驱双定子轴向磁通永磁电机转矩脉动问题,基于磁极错位的方法来降低电机的齿槽转矩及转矩脉动。在保持电机结构不变的前提下,将表贴于转子两侧的磁极相互错开一定角度,使轴向组合的两单定子单转子电机齿槽转矩存在一定的相位差,从而实现齿槽转矩及转矩脉动的降低。分析了电机齿槽转矩的产生机理,利用磁极错位后的齿槽转矩解析表达式对电机齿槽转矩及转矩脉动进行优化,并进一步分析了永磁体涡流损耗随不同磁极错位角度的变化情况。通过有限元仿真验证了该方法的正确性。

基于转子永磁分段优化的轴向磁通永磁电机涡流损耗分析与试验

轴向磁通永磁电机永磁体中的涡流损耗将使转子温度升高,致使永磁体产生不可逆退磁风险,影响电机的正常运行。该文推导了轴向磁通永磁电机永磁体涡流损耗的数学模型,分析得到永磁体表面涡流路径长度及永磁体表面积对涡流损耗的影响规律;结合理论分析,在永磁体完全分段的基础上,提出了三种永磁体部分分段的优化新方法;利用有限元软件建立了电机有限元分析模型,对永磁体的电流密度分布、涡流损耗、抗退磁能力、静力学强度等进行了仿真分析与比较,获得了较合适的永磁体部分分段数和永磁体保留尺寸。最后制作了样机,测试了电机效率、永磁体磁性能和永磁体温升情况,验证了所提优化方法的有效性及理论分析的准确性。

轴向磁通永磁电机系统及关键技术分析

本文对轴向磁通永磁电机系统及其关键技术进行了深入分析。首先介绍了轴向磁通永磁电机的结构和工作原理,然后详细阐述了其设计、制造和控制系统中的关键技术。通过对比分析,总结了轴向磁通永磁电机的优缺点,并探讨其应用领域和发展趋势。本文的研究成果对于深入理解轴向磁通永磁电机系统及其关键技术具有一定的指导意义,对于推广和应用该电机系统提供了有益的参考。

软磁复合材料-Si钢组合铁心轴向磁通永磁电机的结构设计与研究

为实现工业机器人伺服电机的小型化,该文提出采用具有高功率密度和高转矩/转动惯量比特点的轴向磁通永磁(axial flux permanent magnet,AFPM)电机应用在工业机器人中。根据软磁复合材料(soft magnetic composite material,SMC)和硅钢材料的性能特点,该文设计了一台SMC-Si钢组合铁心AFPM电机,建立SMC铁心和Si钢铁心AFPM电机模型进行对比研究,分析比较组合铁心AFPM电机与这两种电机之间的性能差异。此外,该文还通过采用单个定子盘旋转一定角度的方法对组合铁心AFPM电机的转矩脉动进行削弱。相比于传统径向磁通永磁(radial-flux permanent magnet,RFPM)电机,SMC-Si钢组合铁心AFPM电机结构更加紧凑,电机轴向长度大幅缩短。通过对比不同定子铁心结构AFPM电机得出,采用SMC-Si钢组合定子铁心结构可以有效提升电机额定电流下的输出转矩和电机过载条件下的效率。最后,该文通过样机实验,验证了组合铁心AFPM电机的理论设计和仿真结果。

轴向磁通非晶合金永磁电机空载铁耗的解析计算方法

非晶合金材料具有出色的低损耗特性,利用非晶合金替代硅钢片制作轴向磁通永磁电机铁心可有效降低电机铁心损耗,但替代后的非晶合金电机的损耗结构也将发生改变。在电机初始设计阶段,快速准确计算出电机的空载铁耗是轴向磁通非晶合金电机设计及优化的关键。该文针对3D时步有限元计算耗时长的问题,改进现有多环等效模型计算方法,推导了气隙磁密、定子铁心损耗和永磁体涡流损耗的解析解,构建了空载铁耗的解析计算模型。利用3D有限元对解析模型计算值进行了验证,结果显示解析计算模型计算误差仅为9.42%。利用该解析模型分析槽口和气隙长度对空载铁耗的影响,结果显示采用减小槽口宽度降低空载铁耗的效果更为明显。

高频非晶合金轴向磁通永磁电机不同冷却方案温度场分析

针对高频非晶合金轴向磁通永磁电机永磁体涡流损耗大、永磁体温升高的问题,对定子连接板上开设水道冷却系统和电机两侧端盖加装冷却水套冷却系统的冷却效果进行了对比分析。对于定子连接板上开设水道冷却系统,计算了不同水道数和不同水速时永磁体温升,给出了水道数选择依据。对电机两侧端盖加装冷却水套冷却系统,分析了冷却水套中有无扰流板以及扰流板形状及其放置位置对冷却效果的影响,并对几种方案水头损失进行了对比分析。计算了不同水速时定子连接板水道冷却系统和无扰流板水套冷却系统永磁体温升和水头损失,指出定子连接板水道冷却系统更适合于非晶合金轴向磁通永磁电机。对一台7 k W、无扰流板水套冷却系统非晶合金轴向磁通永磁样机进行了温升实验,实验结果验证了仿真分析的正确性。

混合铁心横向磁通永磁电机的设计与分析

阐述了横向磁通永磁电机(transverse flux permanent magnet motor,TFPM)的结构特点与软磁复合(soft magnetic composite,SMC)材料的优点,提出硅钢、SMC结合的混合铁心TFPM。为了分析电机转矩及其影响因素,推导了转矩解析公式。基于3D有限元模型,通过静态磁场分析求出了式中永磁体磁链幅值及线圈电感2个变量;通过瞬态磁场分析,得到了电机的空载电动势、空载磁链、一相转矩及其平均值,转矩有限元结果与解析结果一致。样机测得的空载电动势验证了分析的正确性。结果表明,混合铁心TFPM不但结构简单、加工方便,而且转矩密度高、易于模块化。

基于计算流体力学的非晶合金轴向磁通永磁电机冷却系统设计

采用一种新型材料——非晶合金作为轴向磁通永磁(AFPM)电机的定子铁心。研制非晶合金和硅钢片两种材料的定子铁心,对其损耗特性进行对比,实验数据显示非晶合金替代常规硅钢片作为电机铁心,能够降低电机的铁耗,但是同时由于高频率的选择使得电机转子部分等损耗有所增加。为进一步提高非晶合金轴向磁通永磁电机冷却效率,优化电机设计保证电机的安全运行,对该类电机的冷却系统进行设计。研究四种冷却结构并建立相应的三维流体场数学模型和物理模型,基于计算流体力学(CFD)理论基础,通过有限体积法,在相同的计算条件、网格划分前提下,研究四种冷却结构的热特性和流动特性。优选出螺旋型结构并对其进行具体尺寸参数设计,最后对无隔水板和螺旋结构进行温升试验。试验结果表明,螺旋结构的绕组和转子冷却效率高出无隔水板结构33.1%和26.5%,为该类新型材料的永磁电机冷却结构设计及电磁方案优化提供了指导。

轴向磁场磁通切换永磁电机齿槽转矩分析

为了有效削弱轴向磁场磁通切换永磁电机的齿槽转矩,采用能量差分法,建立了该种电机齿槽转矩的解析表达式,针对表达式中的电机结构参数,利用全场域三维有限元法,分析了一台三相12/10极轴向磁场磁通切换永磁电机在不同结构参数下的齿槽转矩,得到当定子齿宽、定子槽口宽与永磁体磁化厚度均占内径圆弧7·5°,转子齿宽占内径圆弧10·5°,且为准扇形齿时,该电机的齿槽转矩最小;在定子轭部铁心不饱和的情况下,齿槽转矩随定子厚度减小而减小,而受转子厚度的影响较小。综合考虑电机不同结构参数对齿槽转矩和感应电势的影响,得到了削弱轴向磁场磁通切换永磁电机齿槽转矩的有效方法,有效地改善了该电机的运行性能。

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。

高频非晶合金轴向磁通永磁电机温度场计算

高频非晶合金轴向磁通永磁电机永磁体涡流损耗分布不均,所以在电机温度场计算时不能简单地给永磁体赋一个平均生热率,需要根据永磁体不同位置的涡流损耗密度赋相应的生热率。本文将永磁体分成多块,利用有限元分别计算每块永磁体上的涡流损耗大小,给出了永磁体的不同位置涡流损耗分布规律。根据涡流损耗分布规律,改进了的永磁体分块原则,提高了电机温升计算效率。最后,利用有限体积法对考虑涡流损耗分布和未考虑涡流损耗分布两种情况下电机的温升分别进行了计算,结果显示,考虑涡流损耗分布计算出的电机温升结果更接近实测值。

定子无铁心轴向磁通永磁同步电机研究进展综述

定子无铁心轴向磁通永磁同步电机(axialflux permanent magnet synchronous motor,AFPMSM)因其结构紧凑、功率密度和转矩密度大、无铁心损耗、效率高等特点受到越来越广泛的关注,在要求空间紧凑和高转矩密度的场合具有广阔的应用前景。介绍定子无铁心AFPMSM的典型拓扑结构,分析此类电机电磁性能的设计分析方法及一系列优化方法,讨论此类电机热学性能分析优化以及力学性能分析方面的研究,总结针对此类电机绕组电感很小的特性提出的控制策略以及弱磁扩速方面的研究,最后整理了此类电机目前的应用情况,并展望了定子无铁心AFPMSM研究领域今后的发展方向。

表贴式轴向磁通永磁电机齿顶漏磁的分析计算

分数槽绕组轴向磁通永磁(AFPM)电机的齿顶漏磁较大。在利用等效磁路计算程序调试电机设计方案时,需要准确计算漏磁系数,而准确计算漏磁系数的前提是准确计算齿顶漏磁系数。根据轴向磁通永磁电机磁通路径的分布特点,针对定子齿和磁极不同的相对位置,给出了不同位置角时的齿顶漏磁解析公式。为了验证解析公式的正确性,以一台电机的设计方案为例,采用解析法和有限元法分别计算漏磁系数,结果表明解析计算结果和有限元计算结果具有较好的一致性。最后给出了齿顶漏磁与电机极数之间的关系,为电机设计和优化提供了参考。

基于效率及温升的轴向磁通永磁电机优化设计

从定子无铁心轴向磁通永磁电机高效率低温升的优化设计目标出发,对拟设计电机进行单变量参数化分析和多维优化设计。通过建立无铁心轴向磁通永磁电机的参数化等效磁网络模型和集总参数等效热网络模型,并使用MATLAB编程计算各组参数下电机的各部分损耗、电机效率及各部分温升变化,实现电机的参数分析和性能计算。文中综合考虑电机效率和温升最优区域在多维设计空间的分布,寻找满足约束条件的最优设计值,并根据优化设计的电机参数设计一台无铁心轴向磁通永磁电机,实测典型工况下电机的性能,与仿真的电机效率和温升结果进行对比,验证了优化设计方法的可行性和有效性。

转子结构对轴向磁场磁通切换永磁电机性能的影响

在介绍轴向磁场磁通切换永磁(AFFSPM)电机结构的基础上,采用解析与仿真相结合对转子齿宽进行优化;基于全场域有限元模型,分析了转子结构参数包括齿宽、齿形和厚度对电机感应电势和定位力矩的影响。结果表明:转子齿宽与转子齿形对电机性能有较大的影响,而转子厚度对电机性能的影响较小。