新型沙漏形隔磁结构的主副齿式永磁游标电机的设计与分析

基于传统交替极双定子分裂齿式永磁游标电机的拓扑结构提出一种新型沙漏形隔磁结构的主副齿式永磁游标电机,旨在进一步提高电机转矩密度和解决永磁体极间漏磁的问题。依据磁场调制原理,首先对定子主齿和副齿的结构参数进行优化设计,主齿的调节作用使低速旋转永磁体磁场和高速旋转电枢磁场进行耦合,副齿对气隙磁场进一步调节产生其他次有效谐波增加电机的同步转矩分量。在永磁体两侧引入沙漏形隔磁结构,该结构不仅抑制极间泄漏,而且大大降低永磁体径向应力和径向形变;并探究永磁体极弧系数对转矩及功率因数的影响,确定优化设计后的模型参数。最后用有限元仿真结果验证了沙漏形隔磁结构的主副齿式永磁游标电机的优越性,相较于传统的分裂齿式永磁游标电机,该电机具有更大的转矩和更小的转矩脉动。

一种交替极永磁游标电机设计与分析

提出了一种使用低成本铁氧体磁体的交替极永磁游标电机(CPPMVM).介绍了该电机拓扑结构,提出了基于特定磁导函数的等效磁场模型来推导主磁密、调制磁密和反电动势.通过解析法和有限元法分析该电机电磁性能、气隙磁密和谐波分布.结果表明:与常规表贴式永磁游标电机(SPMVM)相比,所提出的交替极永磁游标电机机械结构简单、成本低、谐波调制作用有效、转矩密度高、抗退磁能力强.

聚磁式交替极永磁游标电机分析与设计

为了在减少传统聚磁永磁游标电机永磁体用量时,仍能保持较大的转矩密度,提出一种新型聚磁式交替极永磁游标电机。与传统聚磁式永磁游标电机相比,新型拓扑结构电机通过交替极转子设计在减少永磁体用量时仍能保持较好的转矩输出特性。该文首先介绍了聚磁式交替极游标永磁电机的结构特点及工作原理。其次,以输出转矩最大为目标,利用有限元法对所提新结构电机关键参数进行优化分析。最后对比分析了新型聚磁式交替极永磁游标电机与传统聚磁式永磁游标电机的电磁性能,包括气隙磁密、反电势及转矩性能,结果表明在相同的体积下,所提新拓扑电机具有更高的转矩密度及更少的永磁体用量。因此,它在低速大转矩直驱应用场合具有广阔的应用前景。

基于FOCA的永磁游标电机PI参数自整定

针对磁场定向控制中电流内环和转速外环比例积分(PI)控制器参数整定困难且耗时长的问题,基于Matlab/Simulink的磁场定向控制自整定(FOCA)模块搭建了永磁游标电机磁场定向控制双闭环调速系统参数自整定模型。该模块在PI控制器输出端注入正弦扰动信号,根据系统输入输出数据计算频率响应,基于频率响应自动整定PI参数,同时实现指定的目标带宽和相位裕度。最后通过仿真对比分析各个环路整定前后的控制性能,仿真结果表明使用FOCA模块能够快速自动整定PI控制器参数并且拥有良好的控制性能。

基于联合仿真的表贴式永磁游标电机的伺服系统设计

研究了表贴式永磁游标电机的伺服系统,设计电机三环(即电流环、速度环、位置环)结构的伺服控制系统控制器,并分析伺服系统的动、静态性能。利用Maxwell、Simplorer及MATLAB/Simulink软件建立了表贴式永磁游标电机伺服控制系统联合仿真模型,研究了位置环参数对位置跟随系统快速性和准确性的影响。对比分析了电机三环结构伺服控制系统场路耦合仿真与定参数仿真。仿真结果表明,此控制策略可以实现表贴式永磁游标电机精准定位、无超调,且具有良好的快速性和抗干扰性。

基于混合介质网格的表贴式永磁游标电机通用等效磁网络模型

为了更加快速准确地分析表贴式永磁游标电机的电磁特性与参数,提出一种通用等效磁网络模型。该模型的关键在于引入混合介质网格,可将调制齿区域沿周向剖分成相同大小的网格单元,实现对表贴式永磁游标电机调制齿区域的通用建模。同时,此通用等效磁网络模型还确定了定子和气隙的节点连接关系,避免传统等效磁网络模型因瞬态仿真导致的两者节点不规则连接问题,降低仿真误差。此外,考虑到定子极靴存在局部磁饱和现象,文中根据其拓扑结构和磁通密度分布,将定子极靴剖分成3个部分,并细分磁饱和区域,进一步提高模型精度。最后,利用此通用等效磁网络模型计算表贴式永磁游标电机的部分电磁性能,包括气隙磁密,磁链,反电势和转矩,并通过比较计算结果、有限元分析结果以及实验结果的误差,验证所提出模型的有效性和精确性。

分裂齿集中绕组永磁游标电机电磁转矩特性分析

为了研究分裂齿集中绕组永磁游标电机(PMVM)的电磁转矩特性,基于磁场调制原理建立PMVM的磁动势磁导模型,给出永磁体和电枢绕组单独作用下气隙磁密谐波的次数和转速表达式,分析产生平均转矩和转矩脉动的谐波次数。采用麦克斯韦应力张量法计算各主次谐波产生转矩的大小,确定各主次谐波对电磁转矩的影响。通过有限元分析对结果进行了验证。结果表明:PMVM的电磁平均转矩绝大部分由16次谐波产生,占比98.83%,转矩脉动主要由16、34、48次谐波产生,占比52.29%。PMVM电磁平均转矩的来源主要为永磁体产生的气隙磁密基波,因此可改变永磁体的用量和形状增大其产生的气隙磁密基波以提升PMVM电磁转矩性能。

基于高功率因数的游标电机设计思路

为解决游标电机功率因数偏低的问题,提出了一种提高功率因数的电机设计优化思路。首先,使用绕组函数法计算出分数槽集中双层绕组的电感,推导出游标电机的功率因数表达式,分析影响功率因数的主要设计参数;其次,结合有限元法研究各设计参数改变时电机性能的变化规律,进而总结出设计思路;然后,以一台裂齿式游标电机为基准样机,按照所提思路重新设计一台高功率因数的电机,并采用遗传算法对电机主要设计参数进行多目标优化;最后,与基准样机进行性能对比,结果表明所设计电机的功率因数更高,验证了理论分析和所提设计思路的有效性。

基于改进超螺旋滑模观测器的游标电机无传感器控制

针对游标电机的无位置控制,本文通过对磁场进行分析,指出游标电机经过调制作用产生多个工作次谐波,需根据合成反电势,采用矢量控制。同时,由于游标电机转子为多极对数的结构,使其在运行时,对于位置信号的准确性要求更为严苛,较小的位置信号误差便会引起较大的控制角度的差距,如何保证游标电机在无位置传感器控制时的观测精度,对其运行性能起着至关重要的作用。本文以一台外转子分裂齿游标电机为对象,分析其运行原理,建立基于合成反电势的数学模型,并采用基于改进超螺旋滑模观测器的无位置控制策略,保证了游标电机无传感器控制的稳态及动态性能。

新能源农机用双永磁游标电机的模型预测电流控制

模块化双永磁游标电机兼具高转矩密度和低铁耗,适用于低速大转矩的直驱应用领域。针对新能源农机用模块化双永磁游标电机控制系统存在的转矩脉动大、电流谐波多和转速波动大等问题,提出一种基于改进式模型预测电流控制策略。相比于传统模型预测电流控制,提出的控制策略采用双矢量模型预测电流控制,在每个控制周期内可同时选择2个任意电压矢量组合作用,扩大了电压矢量的选择和幅值调节范围,可进行更准确的电流控制。同时,考虑系统延迟,在预测控制中加入电流延迟补偿环节。仿真结果表明,所提的控制策略可有效减小转矩脉动、电流谐波和转速波动,提升系统的控制性能。

容错式永磁游标电机关键参数分析及实验研究

为了提升五相容错式永磁游标(five-phase fault-tolerant permanent-magnet vernier,FT-PMV)电机的输出转矩和设计优化的效率,该文对影响五相FT-PMV电机转矩性能的关键设计参数进行了研究。首先,推导了电机的功率方程,确定了影响电机转矩性能的关键设计参数,并通过解析法计算得到参数的合理取值范围,为电机转矩的优化提供基础。其次,以最大输出转矩为目标,利用遗传算法,对电机的关键设计参数进行了全局优化,设计并制造了一台1.6k W实验样机。最后,对样机开展了正常运行和故障容错运行的实验研究。仿真和实验结果表明样机确实具有高可靠性、高转矩的优点,同时证明了理论分析的有效性。

新型永磁游标电机的设计与研究

针对传统直驱式电机,在低速大转矩输出时成本高且运行风险大的问题,提出一种直驱式低速大转矩永磁游标电机,与传统游标电机相比,结构上采用双定子中间转子形式。内外定子齿均具有磁通调制作用,转子磁极直接面向两侧气隙,磁钢得到了充分利用。文中介绍了该电机工作原理、设计方法,给出了详细的设计参数及结构、装配示意图。对影响电机性能较大的如内外定子齿周向宽度、径向高度及其配比等结构参数进行了优化设计。建立了电机二维模型,通过有限元法对其齿槽转矩、输出转矩、空载反电势、气隙磁密等性能进行了分析,仿真结果验证了理论分析的正确性。

考虑运行工况的模块化双永磁游标电机多工作点优化设计

双永磁游标电机基于双向磁场调制效应原理运行,在转矩密度提高的同时,存在电机损耗较大的问题。采用传统以电机额定点为优化对象的优化方法,仅能提升额定工作点的性能,难以保证电机实际运行工况下多个工作点高效运行的需求。为此,该文提出考虑运行工况的电机多工作点优化方法,设计了低损耗模块化双永磁游标电机。采用K聚类法精确提炼代表工作点及其权重,为了使优化过程更加高效化,采用灵敏度分析法将变量分区定性优化减少设计空间,结合响应面法与具有高收敛性的基于变异算子的多目标差分进化算法确定高敏参数的全局最优解,从而实现运行工况下高效准确的电机参数优化。仿真与实验结果验证了设计方法的有效性。

五相永磁容错型游标电机弱磁特性研究

永磁容错型游标(FTPMV)电机结合了永磁游标电机高转矩密度和永磁容错电机高可靠性的优点,因此成为专家学者研究的热点之一。为了研究此类电机在低速区和高速区的运行性能,对比分析了两种五相电机的结构特性、磁场调制机理和电感特性,并推导了五相电机弱磁情况下的数学模型。其次,基于电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制方法,建立电机驱动系统。在低速区,采用直轴电流为零的控制策略;在高速区,采用一种基于母线电压和反电动势差值判断弱磁时刻的方法重点研究了电机的弱磁特性。参数计算和仿真结果表明,电机工作在额定电流的情况下,相比传统FTPMV电机,新型FTPMV电机有更好的弱磁能力。最后,通过样机的实验数据验证了理论分析的正确性。

电动汽车用永磁游标电机的设计与研究

提出具有低速大转矩特性的电动汽车用转子双边永磁型游标电机,结构上采用双定子、中间转子形式.内、外定子设计有能够完成磁通调制作用的调磁齿,转子磁极直接面向两侧气隙,实现了磁场内、外侧的双重调制,增强了电机转矩的输出能力.阐述了该电机的工作原理、说明了设计方法,给出电机设计参数及结构、装配示意图,以转矩的最大输出为目标,对内、外定子调磁齿周向宽度、径向高度及极弧系数等对电机性能有较大影响的结构参数进行优化研究,建立该电机的二维有限元模型,对该电机的电磁性能进行仿真分析,计算结果验证了理论分析的正确性.

混合永磁游标电机的交叉耦合特性分析

本文针对混合永磁游标电机在空载/负载条件下的交叉耦合效应,分析两种永磁体的作用机理及其工作点的变化规律。首先,基于有限元法对气隙磁密和空载反电势进行计算,结果表明混合永磁交叉耦合效应会造成低矫顽力永磁体发生部分退磁,从而增加电机在线精确调磁的难度。其次通过矫顽力参数对交叉耦合效应的敏感性分析,说明低矫顽力永磁体的矫顽力越高,其抗交叉耦合能力就越强。最后,与单一永磁游标电机进行对比分析,在此基础上研究了混合永磁游标电机不同磁化水平下的气隙磁密分布、反电势和电感等特性参数的变化规律,为此类电机的永磁材料选择和拓扑结构设计及其高效在线调磁控制提供理论依据。

永磁游标电机的研究及其优化

针对双极性表贴式永磁游标(SPMV)电机永磁体利用率低、涡流损耗大等问题,采用单极性转子的电机结构,并在调磁齿槽中内嵌一层极性相同的永磁体,以提高电机性能。使用Ansoft软件对双极性SPMV电机的理论推导的正确性进行验证,并对比分析了双极性SPMV电机和单极性IPMV电机,得出单极性IPMV电机永磁体利用率高、损耗小,但它的转矩下降约12 N·m,比双极性SPMV电机减小约23.1%。为提高转矩,在单极性IPMV电机的调磁齿槽中内嵌永磁体并对嵌入的永磁体厚度进行优化,得出厚度为4 mm时,转矩比双极性SPMV电机和单极性IPMV电机的分别提高约26 N·m和38 N·m,增加了约50%和95%,永磁体涡流损耗比双极性SPMV电机减小约20 W,降低了10%。

基于田口法的永磁游标电机结构优化

提出一种新型结构的永磁游标电机。该结构转子采用切向充磁的曲边梯形永磁体,并将转子轭外侧开槽,能够有效改善气隙磁场;定子内部开槽,能在保证一定机械强度的情况下,降低定子槽处的径向磁阻,改善磁场调制作用,从而提高永磁游标电机的性能。借助有限元法,比较分析永磁体结构参数、槽结构参数对气隙磁场的影响和定子内开槽的参数,得出初始设计参数。为了得到最优的新结构参数,采用田口法对初始参数进行了优化,使电机性能进一步提高。最后,将采用新结构的永磁游标电机和传统聚磁永磁游标电机的性能进行了仿真对比,结果表明:优化后的新结构电机能够增大气隙磁场基波幅值,提高波形的正旋度,改善了电机的输出转矩。

混合永磁游标电机磁链观测器设计与协调控制方法

为了改善传统永磁顶驱钻井系统体积大、能耗高等问题,在顶驱钻井系统中引入混合永磁游标电机(hybrid permanent magnet vernier machine,HPMVM)构成新型直驱式顶驱系统。文章针对该电机磁链观测与驱动协调控制展开研究。首先,在两相旋转坐标下实现了永磁磁链的解耦,设计了一种超螺旋(Super Twisting Algorithm,STA)滑模永磁磁链观测器,实现了永磁磁链的准确观测。然后,建立不同速度区间与低矫顽力永磁体充/去磁状态的映射关系,提出了结合分区控制的最优转矩控制策略。在低速区内,饱和磁化状态使电机获得最优转矩;高速区内为了减少电机连续调节永磁体磁化状态带来的励磁损耗,采用分段调磁控制,并在定子电压、电流限制下,构建Lagrange辅助函数,通过对该函数求取极值获得最优转矩。最后,通过与传统弱磁控制进行仿真对比分析,表明STA滑模磁链观测器能够快速且准确辨识永磁磁链,并在全速域内实现最大转矩的输出,且降低了电机的铜耗,从而提高了整个电机系统的效率。

基于联合仿真的表贴式永磁游标电机性能分析

表贴式永磁游标电机内部电磁参数复杂多变,MATLAB/Simulink不能精确反映不同运行工况下电机的实际电磁性能。将交叉耦合理论应用于表贴式永磁游标电机的磁链、电感和转矩模型的研究中,分析计算了交叉耦合对表贴式永磁游标电机磁链、电感和转矩的影响。基于ANSYS Maxwell、Simplorer及MATLAB/Simulink软件建立了场路联合仿真的电机驱动控制系统模型,测试了电机的驱动性能,并与MATLAB/Simulink定参数仿真结果进行了对比。理论分析和仿真结果表明,因电机内部电磁状态的实时变化,采用联合仿真分析方法的计算结果具有更高的准确性。