模块化永磁直线同步电机考虑制造公差的推力鲁棒性优化

模块化永磁直线同步电机(MPMLSM)具有效率与推力密度高、可靠性和可加工性好等优点,非常适用于长行程运输系统;缺点是批量生产中性能易受到加工公差的影响。针对这一问题,该文提出了一种考虑制造公差的综合多目标鲁棒优化设计方法。首先,基于六西格玛设计方法建立了鲁棒优化模型;其次,采用拉丁超立方采样方法在尺寸公差范围内根据正态分布规律进行抽样,模拟大规模生产时电机尺寸受公差影响可能会出现的各种变化;再次,在尺寸优化范围内均匀抽样构成足够的训练样本,由有限元软件仿真这些抽样方案的推力性能,并基于反向传播神经网络建立电机设计代理模型;然后,应用该代理模型对拉丁超立方采样得到的样本进行电机性能的计算,求解样本整体对应的各优化目标的均值与方差,进而计算多目标优化的适应度;最后,采用非支配排序遗传算法Ⅱ进行全局优化,得到鲁棒优化方案,与不考虑公差的确定性优化方案相比,验证了该方法的有效性。鲁棒优化方案虽然略微增加了电机体积和推力波动,但是其失效概率低,受公差影响小,更加符合产品批量生产过程中的质量要求。

考虑悬浮导向间隙变化的长定子直线同步电机力性能分析

常导高速磁浮列车长定子直线同步电机由于特殊的分离结构,气隙由悬浮与导向系统决定,导致牵引力与悬浮力容易受到悬浮与导向系统性能的影响。研究了一个长定子段下垂、悬浮磁极模块纵向倾斜和横向偏移三种工况对气隙的影响,基于有限元软件建立了2D与3D有限元模型,计算分析了长定子直线同步电机的牵引力和悬浮力,揭示了气隙变化对力的影响规律。分析结果可以为高速磁浮列车的牵引系统设计与控制提供参考。

基于Matlab的气隙磁场教学实践

气隙磁场是电机机电能量转化的媒介,也是电机学理论教学中的重要内容。通常,这部分知识点通过全电流定律来介绍,侧重于定性的分析,没有定量的计算和波形的影响因素分析。基于Matlab的许-克映射(Schwarz-Christoffel)工具箱,编制仿真程序,能够快速计算任意定转子结构下电机的气隙磁密波形,从而能够分析励磁电流、电枢电流、齿槽效应、磁路饱和、气隙长度等对气隙磁密的影响,为电机学类课程的教学提供重要的支持。

无槽圆筒永磁直线同步电机推力波动的解析模型及抑制方法

无槽圆筒型永磁直线同步电机(slot-less tubular permanent magnet linear synchronous machine,STPMLSM)既避免了齿槽结构引起的齿槽力,又解决了初级铁心加工困难的问题,其推力波动主要来源是初级铁心端部效应和三相绕组电感不对称,介于齿槽结构与空心结构之间,推力波动的准确计算是此类电机设计与优化的关键。建立考虑初级端部效应的STPMLSM精确子域解析模型,能够快速计算空载与负载工况下的气隙磁密与推力波动,保证计算结果的准确性和高效性。基于该解析模型,提出初级铁心长度、三相绕组位置及匝数分配的综合优化方法,有效降低STPMLSM的负载推力波动,样机的推力波动从11.04%降到2.78%。最后,有限元模型和样机实验验证精确子域解析法及优化方案的正确性。

有铁心永磁直线电机初级匝间短路故障分析

在有铁心永磁直线电机(permanent magnet linear machines,PMLM)初级匝间短路故障分析中,对初级短路环电流的分析十分重要。该文提出采用磁动势–气隙磁导模型与电枢绕组故障等效模型结合的解析方法,计算任意初级位置发生的匝间短路故障短路环电流。首先根据永磁、电枢磁动势与开槽情况下的气隙磁导函数分别计算通过短路环的永磁、电枢磁链,然后通过矢量合成法得到短路环中的实际磁链以及瞬时短路电流。基于有限元方法证明解析法的正确性并探究不同短路故障匝数、不同短路故障位置对电机性能如短路环电流、相电流、推力的影响。最后制造一台样机验证有限元分析、解析法计算结果的正确性。

高速磁浮列车长定子直线同步电机铁耗分析

常导高速磁浮列车采用长定子直线同步电机(LLSM)驱动,其定动子铁耗与运行速度紧密相关,准确计算铁耗并分析其影响因素对更高运行速度的磁浮列车非常重要,本文基于有限元分析了LLSM的铁耗。根据磁场特性为LLSM建立了三种仿真模型,分别计算没有被动子覆盖区域的定子铁心磁场和被动子覆盖区域端部、中间的定动子铁心磁场,采用快速傅里叶变换得到了磁通密度基波和高次谐波分量;基于通用铁耗分立计算模型计算了各次磁通密度分量产生的铁耗,再根据叠加原理把三个区域磁通密度分量产生的铁耗相加就可以计算得到一段1.2 km长定子下LLSM的铁耗;对比不同速度下的铁耗得到了运行速度对铁耗的影响规律,同时也分析了铁心材料对铁耗的影响。结果表明,长定子铁耗主要由磁通密度的基波和5次、7次谐波产生,而动子铁耗则主要由齿槽效应引起的6次谐波磁通密度产生,两部分铁耗都随着运行速度的提高而快速增大。

基于Kriging模型的永磁电机优化设计

针对空压机用高效电机采用有限元法进行优化耗时长、效率低的问题,提出了一种基于Kriging模型的优化方法,以减少有限元调用次数和提高优化效率。以功率因数和效率为优化目标,同时考虑永磁体用量,对电机的结构参数进行敏感性分析,选择永磁体磁化方向长度、永磁体宽度和轴向铁心长度作为优化变量;基于改进的拉丁超立方抽样和有限元获得样本集,建立Kriging模型代替有限元进行迭代优化,优化过程中有限元调用次数减少了83%,节省了计算成本;通过有限元进行优化前后的对比分析,验证了该优化结果的可行性和正确性。优化后电机的功率因数与效率得到改善,且永磁体用量减少了9.94%,降低了电机的材料成本。

每极分数槽永磁直线电机的槽极数配合研究

每极分数槽永磁直线电机(PM linear motors,PMLMs)采用端部不重叠的集中绕组,具有绕组端部短、铜耗低、推力密度高等优点,在数控机床、半导体加工等领域应用广泛。针对12槽/11极与12槽/10极的两种PMLMs,阐述了每种电机采用单边型或双边型、所有齿绕绕组或交替齿绕绕组的4种可行结构,建立了有限元分析模型,分析了平均推力、推力波动与结构参数之间的关系。此外,还重点分析了双边型结构PMLMs在两侧磁极位置错位时的力性能,提出了基于最小推力波动与推力比值的最佳错位位置。通过详细的对比分析,得到了单边型与双边型每极分数槽PMLMs推力波动与推力比值最小的最佳方案,研究结果为该类电机的优化设计及应用提供了参考依据。

大气隙直线感应电机的力特性分析

大气隙直线感应电机(气隙长度大于10mm)目前已经在地铁、轻轨中得到了很好的应用,在过山车、海盗船等大型游乐设备中也有很好的应用前景,其推力与法向力特性对系统性能很重要。该文介绍了该类电机的结构与设计所用的传统等值电路。通过实验证明,等值电路对计算电流与推力仍然有效,而法向力的计算与纵向边端效应对气隙磁场的影响则需要建立在有限元数值分析方法基础上;在此模型基础上分析了推力、法向力与电机初级电流大小、电流频率、气隙长度之间的关系。结果表明大气隙直线感应电机的法向力与推力之比小于普通直线感应电机,因此法向力基本不影响应用系统。该文的结论为此类电机的设计与应用提供依据。

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。

错位式双边型永磁直线同步电机优化设计

针对12槽/11极双边型永磁直线电机,提出了采用电枢或磁极错位一定距离来削弱推力波动的有效方法,并进行了结构优化设计。针对该优化方案,研究了空载工况和额定工况时的电磁性能和推力性能,并进行实验测量与验证。通过与另外两种极数比槽数多的槽极配合(12槽/13极、12槽/14极)结构相比,不仅验证了错位方法的通用性,而且表明了极数比槽数多的槽极配合结构力性能更好,即12槽/14极结构力性能更优。

高速列车永磁同步牵引电机基于联合仿真模型的单脉冲控制研究（英文）

高速列车节能的一个重要方法是采用永磁同步牵引电机(PMSMs)替代感应牵引电机。相比于感应牵引电机(IMs),永磁同步牵引电机更易受到温升与磁场谐波的影响。实际应用中由于受限于变流器的损耗,开关频率对这两者的影响非常大。结合有限元模型和控制系统,本文建立了联合仿真模型,考虑了磁路非线性,提高了计算精度。在此基础上,仿真计算了单脉冲控制与不同开关频率的SVPWM控制,对比分析了系统的速度、反电动势、转矩和损耗等性能。

永磁直线电动机结构及研究发展综述

永磁直线同步电动机(permanentmagnetlinear synchronousmotors,PMLSMs)集成了永磁电机与直线电机的特性,具有高推力密度、高加速度、高速、高精度、高效率等显著优点,广泛应用于高精度数控设备、光刻机、3C产品制造成套装备、高速物流与无绳电梯等应用场合。首先阐述了PMLSM的工作原理与力特性,其次对结构类型进行分析,包括初级铁心、外形结构、绕组结构与磁极结构,接着从推力波动抑制与高推力密度两方面总结了在电机结构设计上的有效措施,然后介绍了运行平台的系统结构及配件对系统性能的影响,最后总结了PMLSM目前的应用热点,并从这些应用热点展望了未来主要的发展趋势及相应的研究重点。

混合励磁直线同步电机的磁场与推力

介绍了一种混合励磁直线同步电机,它的气隙磁场由磁极上的永磁体和电励磁绕组共同提供,采用有限元方法研究了气隙磁场并计算了电机的推力,实验结果很好地验证了有限元分析的结果,另外还提供了一个与同结构电励磁电机进行推力对比的实验结果。研究表明混合励磁直线同步电机的磁场可调,推力大而且变化灵活,既具有永磁直线同步电机的优点,又具有电励磁直线同步电机的优点。

新型抽油机用盘式永磁电机的磁场与力特性

为了提高传统游梁式抽油机的效率并简化系统结构,提出了用盘式永磁电机直接替代原系统的三相感应电机及减速机构,新系统采用背靠背双盘式永磁电机直接驱动连杆.考虑盘式永磁电机磁场分布的特点,采用三维有限元方法分析了该电机一对极下气隙中的磁通密度,计算了空载电动势、转矩与轴向吸力,其中电机转矩和空载电动势与样机实验值相吻合,证明了三维有限元分析的结果比传统设计方法更准确.研究表明,盘式永磁电机驱动的新型抽油机结构简单,效率高,并能够在低速时提供大转矩,有利于抽油机的起动.

动磁式直线振动电机的特性研究

文中介绍了动磁式直线振动电机的结构,采用有限元方法建立了2D分析模型,在此基础上,计算了电机的气隙磁场和电磁推力,研究了永磁体尺寸对电机推力、吸引力的影响,并讨论了它在恒振幅工作时的线圈电流,相应的实验结果验证了有限元模型的正确性。分析表明在电机工作时气隙磁场也不断地移动和改变,而且在工作行程内电磁推力基本与线圈电流成正比。分析结果将为该类电机的优化设计提供依据。

空心永磁直线同步电机推力波动分析

本文分析了一个U型Halbach空心永磁直线同步电机(IPMLSM)的推力波动。首先推导了dq0坐标系下的推力方程和电感方程,以此分析了电枢绕组互感不对称对推力波动的影响,然后基于有限元仿真得到的三相不对称电流,利用快速傅里叶变换和对称分量法,分析了电流谐波分量和电流不对称性对推力波动的影响。分析表明,电流不对称导致的负序电流是IPMLSM推力波动的主要原因。研究结果为该类电机的优化设计提供了依据。

空心永磁直线电机的优化设计

空心永磁直线电机(PMLSM)具有高速、高加速度、高精度等优点,在多种直线直驱场合获得广泛的应用。本文针对一个应用于垂直运行场合的3线圈空心PMLSM建立了解析模型,计算了空载反电势与推力,并由有限元模型进行了验证,然后在分析了关键结构参数对推力的影响后,采用遗传算法完成了三种不同槽极配合空心PMLSM的优化设计,得到推力密度高且推力波动小的优化方案,研究为该类电机的优化设计提供了参考。

永磁直线同步电机无位置传感器控制研究

为了实现表贴式永磁直线同步电机(SPMLSM)的无位置传感器运行,采用开环转闭环的控制方法。PMLSM在起动定位后开环起动,基于反电动势积分法估算动子角度;逐步降低初级电压幅值减小电流,观测开环电流矢量与动子估算角度的夹角,在合适夹角下平稳切换到闭环状态,有效降低了电流与速度的超调,重点解决了低速域下观测磁链的漂移和平稳切换问题。基于SPMLSM实验平台验证了控制算法的有效性,表明当运行速度为3 Hz时动子位置估算结果的均方根误差为0.065 rad,在该误差内可平滑切换,验证了反电动势积分法能够在低速域下实现SPMLSM的无位置传感器控制。

遗传模拟退火算法在圆筒型直线感应电机优化设计中的应用

本文采用遗传模拟退火算法对圆筒型直线感应电机进行优化设计。该优化算法把模拟退火算法结合进遗传算法中,这样在保证获得较好的全局搜索能力的同时,又加快了遗传算法在峰值附近的收敛,提高了遗传算法的效率。