基于磁场补偿的定子永磁型磁场调制电机转矩性能提升研究

在定子永磁型磁场调制(stator-permanent-magnet field modulated,S-FMPM)电机的设计基础上,引入磁场补偿设计,以期改善磁场调制效应,为实现电机转矩性能提升提供可能。基于气隙磁场调制理论,建立S-FMPM电机的调制函数,并展现磁场调制过程,确定主要气隙谐波参与电机转矩性能研究。研究过程中,采用转子分区设计形成双气隙电机,使气隙磁场获得一定的补偿效果。接着,探讨双气隙电机的磁势分配规律,并基于此验证磁势利用效果的改善和电机转矩性能的提升;进一步,为改善该电机的磁场补偿效果,定义了体现磁势利用效果的谐波因子和反映转矩补偿效果的转矩补偿因子,分别作为优化目标,并引入分层优化策略对电机进行优化。最后,为了验证电机设计和优化分析的有效性,对电机电磁性能进行评估与分析,制造样机并进行实验,验证电机及其优化设计的合理性和有效性。

磁场调制电机的由来、发展与挑战

得益于磁场调制效应,磁场调制电机具有高转矩密度优势,在风力发电、舰船推进、工业驱动等低速大转矩直驱领域具有广阔应用前景。该文首先介绍磁场调制电机的由来,并梳理该类电机基础理论和分析方法的发展与完善过程;进一步,对磁场调制电机进行分类并介绍其工作原理;同时,归纳磁场调制电机转矩密度、功率因数等关键电磁性能的提升方法。最后,总结磁场调制电机领域取得的主要研究成果,并讨论该类电机所面临的技术挑战和未来发展方向。

基于模态分析的双定子电励磁场调制电机弹性模量调整方法

准确获得电机结构的模态分析结果是研究电磁噪声的前提条件。该文以一台双定子电励磁场调制电机为研究对象,首先,利用有限元软件对影响其模态分析的弹性模量展开研究,探索弹性模量变化对各阶固有频率的相对影响率大小,找到外定子、电枢绕组、机壳和端盖的弹性模量变化对模态分析结果的影响规律,由此明确参数调整的方向性。然后,采用锤击法进行模态实验,并获得外定子、外定子组件以及整机模态实验结果与仿真结果二者误差的大小。最后,根据二者误差大小及参数调整的方向性,选择合适的弹性模量调整值将其误差均调整到4%以内,从而得到精确的模态仿真结果,进而有利于后续该电机电磁噪声的分析。

聚磁式磁场调制电机设计与分析

聚磁式磁场调制电机是同步电机的一种,具有转矩密度高、效率高、噪音低、可靠性高等优点。在低速大扭矩的传动系统中得到广泛的应用。本文以聚磁式磁场调制电机为模型,运用Ansys Maxwell软件建立该电机的仿真模型。进行边界条件设置、网格剖分、材料赋予及激励设置等。求解并分析模型的反电势、静磁场、瞬态场、Map图等性能。为电机的设计与优化提供参考依据。并制作了样机,实验结果验证了该设计方案的可行性。

双定子磁场调制电机及其无位置传感器控制

在磁性齿轮的结构上,将磁性齿轮的内外双层永磁体都替代为交流绕组,中间为磁场调制铁块,形成双定子磁场调制电机(DSFM)。由于该电机励磁磁场和电枢磁场由定子三相绕组产生,无论励磁磁场还是电枢磁场都可以各自灵活地调节幅值、频率,而且励磁磁场和电枢磁场的功能可以灵活地互换。因此,该电机的转速和转矩调节范围可进一步提高。同时电机内部没有永磁体,因此不存在齿槽转矩问题。该文对该电机的结构以及控制理论进行研究,同时实现了该电机基于滑模观测器的无位置传感器控制。最后,利用仿真和样机试验验证了本文DSFM的运行原理和控制理论。

直线磁场调制电机功率因数优化设计

为提高直线磁场调制电机功率因数,通过推导直线磁场调制电机气隙磁通密度、功率因数的解析公式,研究各个结构参数对电机功率因数的影响.确定了永磁体分布、齿靴宽度、调磁块形状和尺寸等参数为主要优化变量.在利用Ansys Maxwell软件对直线磁场调制电机进行参数化有限元仿真的基础上,建立了关于电机平均推力和功率因数的多项式响应面模型.采用Box-Behnken方法对电机进行优化设计,优化后的直线磁场调制电机功率因数从0.497上升到0.720,提高了约44.9%.

直线磁场调制电机推力特性关键参数分析

直线磁场调制电机由于材料成本受行程长度影响较小,适合于长行程应用场合。为获得更好的推力特性,本文从理论研究入手,分析了直线磁场调制电机推力的解析公式,进而确定气隙磁密谐波含量影响推力特性。为了提高气隙磁密的正弦度,电机采用Halbach永磁阵列,相比于传统法向充磁直线磁场调制电机平均推力提高18%,但推力波动率也增大了3.4%。为了尽量降低推力波动,利用有限元法对Halbach永磁体结构、电枢齿靴宽度、调磁块的尺寸和形状等结构参数进行参数化分析与改进设计。最终平均推力为783N,相比于传统法向直线磁场调制电机平均推力提高了44.5%,推力波动率从16.1%降低到8.3%。

一种船舶推进的双定子单转子场调制超导电机

双定子单转子永磁同步电动机存在转矩脉动大、反电势谐波含量丰富的缺点。为了提高电机的电磁性能,提出了一种船舶推进的双定子单转子场调制超导电机。该模型将超导材料代替调磁环中的环氧树脂,且在外定子开辅助槽。利用遗传算法对电机的关键参数进行优化。与传统模型相比,提出模型的输出转矩提高了4.36%,转矩脉动降低了5.12%。

一种新型弧形磁场调制永磁电机的设计与分析

弧形永磁电机广泛应用于特种制造、机械臂、雷达系统、天文望远镜等需要在特定角位移内往复运行的高精度场合,弧形永磁电机的转矩波动与转矩密度往往决定着整个系统的成败。为了在不牺牲转矩密度的同时降低转矩波动,提出一种新型弧形磁场调制永磁电机拓扑结构。针对这种新型结构,首先介绍了其运行原理及优化设计方法,并与传统的弧形永磁电机进行了性能对比。结果表明,文中提出的新型弧形磁场调制电机转矩密度更高、转矩波动更小,同时结构复杂度基本不增加,因此在下一代高精度运行场合中应用前景良好。

开绕组磁场调制永磁直线电机的单位功率因数弱磁控制

磁场调制永磁直线(FMPML)电机因其低成本、高推力密度、高效率等优点,适合于长行程应用等领域。但是,该类电机功率因数较低,增大了电源的无功压力;固定直流母线电压时,调速范围较窄。针对上述问题,提出一种飞跨电容开绕组FMPML电机的单位功率因数弱磁控制策略。通过单位功率因数调制策略,解耦电机运行所需有功功率、无功功率,降低电源逆变器无功压力,使之运行于单位功率因数。结合反馈弱磁控制策略扩展控制系统调速范围。通过仿真与实验验证所提控制策略的有效性。

横向错位磁场调制型无刷双转子电机的工作机理与性能分析

针对传统对转推进电机旋转绕组带来的散热困难、可靠性差、动平衡难以保证等瓶颈问题,提出一种横向错位磁场调制型无刷双转子电机(TDMFM-BDRM)。该电机基于三维磁场调制原理进行工作,定子绕组因沿轴向均布而使定子侧不受周向力作用,使得电机两个转子受到实时等大反向电磁转矩作用,非常适用于对转推进领域。此外,TDMFM-BDRM采用无端部的环形绕组结构,节省了大量空间。该文首先介绍TDMFM-BDRM的拓扑结构并分析其工作机理和运行特性;然后通过有限元仿真分析其三维气隙磁场调制行为和电磁特性;最后对比传统对转推进电机与TDMFM-BDRM的结构特点和电磁性能,结果表明,TDMFM-BDRM具有更强的转矩输出能力和更高的可靠性。

双磁场调制磁齿轮电机磁场调制机理研究

针对双磁场调制磁齿轮电机耦合机理复杂、建模困难的问题,采用有限元法对双磁场调制磁齿轮电机各个端口的电磁特性进行分析,得到内、外转子以及电枢绕组之间的磁场耦合关系,建立基于内、外转子位置的双d-q旋转坐标系。分析双磁场调制磁齿轮电机稳定运行时内外转子的磁场相位关系,并采用叠加定理将双转子磁场模型进行化简。根据双磁场调制磁齿轮电机内部3种不同的磁场调制行为,内、外转子及电枢绕组在不同相位下的磁场耦合关系列写出双磁场调制磁齿轮电机的电磁方程,进一步推导得到反电动势与内外转子位置的变化关系,利用有限元求解双磁场调制磁齿轮电机在内、外转子不同转速及不同磁场相位差下的反电动势特性,与实验结果相比较,验证理论分析的正确性。