磁极非对称型表面式永磁同步电机磁场解析计算和特性研究

为了研究磁极非对称型表面式永磁同步电机(SPMSM)的特性,以一台不等磁极8极36槽SPMSM为研究对象,建立磁场的解析模型,对比磁通密度的解析计算结果和有限元计算结果,验证了解析模型的准确性;基于此解析模型,将不等磁极电机的气隙磁场、空载反向电动势、负载输出转矩、电磁力波和转轴不平衡电磁力与等磁极电机进行对比,并基于有限元法对其损耗特性进行分析;最后,对不等磁极电机的振动加速度进行测量,研究其振动特性,进一步验证电磁力波特性分析的有效性。结果表明:该非对称的转子磁极结构可以有效地降低电机的转矩脉动,但会对电机其他方面的性能产生影响。

多电机耦合驱动式仿人机械臂设计与传动特性分析

针对传统仿人机械臂载荷与自重比低的问题,提出一种多电机耦合驱动式仿人机械臂。根据人臂的运动特性,确定串联结构下的仿人机械臂构型,并将机械臂划分为肩关节模块、肘关节模块和腕关节模块。分析单电机驱动单关节的绳索传动特性,推导该模型下电机与关节的扭矩映射关系和转角映射关系。研究各模块中多电机耦合驱动多关节的电机布局和绳索绕线方式,解释各模块中多电机耦合后的工作原理,推导各模块中电机与关节的扭矩映射关系和转角映射关系。并通过实验验证各模块中映射关系的正确性,以及各模块关节的承载能力。结果表明:多电机耦合驱动方式在保证质量的前提下,可以有效提高各关节的承载力,为仿人机械臂的设计提供理论依据。

7自由度仿人机械臂工作空间求解的降密蒙特卡洛法

针对蒙特卡洛法和改进蒙特卡洛法在求解机械臂工作空间时存在精度不够准确和加密点云浪费的问题,提出一种降密蒙特卡洛法.首先,基于蒙特卡洛法中随机点分布不均的特性,对机械臂初始工作空间进行均匀加密,使空间的内部与边界区域分明;然后,采用扩展关节角度和循环加密随机点的方式,只对边界区域进行加密,达到降低工作空间随机点云密度的目的;同时,还研究了该方法中初始点云数量、各轴向分割体素数量、精度阈值、扩展关节角度和循环次数等参数对工作空间精度的影响;最后,通过仿真分析对降密蒙特卡洛法的有效性进行验证.结果表明:相比于蒙特卡洛法,降密蒙特卡洛法在工作空间平均误差率为0.022 42%时,总随机点云数量降幅为93.89%;相比于改进蒙特卡洛法,在循环次数为2次和4次时,降密蒙特卡洛法工作空间的平均误差率分别降低0.138 53%和0.113 29%,总随机点云数量降幅分别为44.83%和64.52%.

一种永磁同步电主轴转矩脉动和电磁力波的抑制方法

针对磁极为平行充磁且两边平行的表面式永磁同步电主轴存在转矩脉动和径向电磁力波的问题,提出一种磁极结构优化方法以抑制转矩脉动和径向电磁力波。基于等效面电流法建立磁极表面半径为任意值的永磁同步电主轴转子气隙磁场的解析模型;综合研究转子气隙磁场对定子开槽电主轴转矩脉动、径向电磁力波的影响;在最小气隙长度不变的前提下,确立优化目标(气隙磁通密度的谐波和幅值),并通过迭代计算的方式得到满足不同优化目标的永磁体磁极结构方案(方案一结构和方案二结构);最后,通过有限元法验证转子气隙磁场解析模型的有效性,并对原结构电主轴、方案一结构电主轴和方案二结构电主轴的转子气隙磁场谐波、转矩脉动、齿槽转矩、平均转矩和径向电磁力波进行对比分析。结果表明:该优化方法可以得到满足不同优化目标的永磁体磁极结构方案,实现原电主轴指定阶次磁通密度谐波、转矩脉动和径向电磁力波的综合抑制。

可控磁路式永磁悬浮系统的鲁棒控制

为了实现磁悬浮系统的低功耗运行,一种可控磁路式永磁悬浮系统被提出,并基于有限元软件分析了该系统的可行性,建立该系统的动力学模型。针对其强耦合、非线性的特点,为了实现该系统的稳定运行,基于LMI的H_∞鲁棒控制理论,建立了鲁棒控制模型,设计状态反馈γ-次优H_∞鲁棒控制器。采用数值仿真与试验相结合的方式分析验证系统的悬浮特性与控制器效果,结果表明:该系统可以实现稳定的低功耗悬浮运行,可以实现对位移信号的跟踪和对外扰力的抑制;解决由于系统模型参数不确定以及外扰等因素引起的系统不稳定问题,保证了系统的鲁棒性。

磁悬浮驱动式无油涡旋压缩机驱动力分析

为了解决无油涡旋压缩机的润滑问题,提出一种磁悬浮驱动式无油涡旋压缩机。基于涡旋压缩机的力学理论,充分考虑到无油涡旋压缩机工作时的实际状况,结合磁悬浮技术,设计出一种可以避免使用轴承和防自转装置的无油涡旋压缩机。通过数值计算软件对磁悬浮驱动式无油涡旋压缩机的动涡盘进行受力计算,详细分析了涡旋齿节距不同情况下动涡盘在不同转角下的受力;利用有限元分析软件对无油涡旋压缩机提供驱动力的E-I型电磁铁、U-I型电磁铁和U-U型电磁铁在不同气隙下的吸引力进行有限元仿真,并做了对比说明;最后把涡旋压缩机的受力与U-I型电磁铁的驱动力进行有效比较。结果表明:该新型涡旋压缩机在理论上是完全可以实现其正常工作,且有效避免了轴承与防自转装置的使用,同时还兼具了磁悬浮技术低磨损、无污染等特点。

永磁同步电机转矩脉动和振动噪声抑制

抑制转矩脉动和振动噪声是设计永磁同步电机的难点之一。通过对永磁同步电机齿槽转矩形成机理进行分析,考虑极弧系数和大小极磁极结构对齿槽转矩的影响。基于等效面电流法对永磁同步电机的气隙磁场进行建模。采用粒子群算法优化了永磁同步电机的极弧系数,利用大小磁极结构配置方式,降低了气隙电磁力谐波对转矩脉动幅值影响较大的阶次,从而实现抑制电机齿槽转矩的目标。将永磁体优化前后的转矩脉动和噪声幅值进行对比表明,该方法可有效地降低永磁同步电机的转矩脉动和振动噪声。

考虑磁致伸缩效应的永磁同步电机磁-机械耦合模型

在永磁同步电机振动噪声的计算过程中,需考虑磁致伸缩效应的影响。建立了考虑磁致伸缩效应的定子铁心磁-机耦合模型,解析计算了电磁力密度及磁致伸缩力密度。数值计算了定子振动位移、振动速度和声压分布。所得结果与定子铁心在电磁力单独作用下的振动噪声响应进行了对比。在考虑磁致伸缩效应时,定子齿径向力密度幅值比电磁力单独作用时增加了13.1%,定子铁心的变形量比电磁力单独作用时变形量增加了13.4%,声压级也明显增加。对比表明,磁致伸缩效应对于电机振动噪声有重要贡献。在低噪声永磁同步电机的研发设计阶段,不能忽略磁致伸缩效应的影响。

永磁同步电主轴齿槽转矩削弱研究

永磁同步电主轴广泛应用在高速数控机床中,但电主轴运行过程中产生的齿槽转矩严重地影响了机床的加工精度和运行平稳性。通过平行充磁等效面电流法对三种削角永磁体的电主轴空载气隙磁场进行建模,进而求出永磁同步电主轴气隙电磁力,并确认了影响齿槽转矩的因素;通过与有限元仿真对照分析,验证了等效面电流法分析计算的有效性。利用麻雀搜索法优化出永磁体最佳削角宽度和削角弧度,优化后的永磁同步电机主轴设计方案有效地减小了齿槽转矩。

一种抑制盘式永磁电机转矩脉动的方法

针对盘式永磁电机气隙磁密和反电动势中含有谐波、存在转矩脉动的问题,提出了一种磁极形状优化方法以降低盘式永磁电机气隙磁密波形和反电动势波形的畸变率、抑制转矩脉动。建立了盘式永磁电机的等效磁网络模型,基于此模型解析计算出电机的空载反电动势,并通过有限元法进行了仿真验证。在确定最小气隙长度前提下,对不同磁极整形方法(即不整形、圆弧削极、偏心圆弧削极)气隙磁密、反电势、转矩脉动这些电磁性能进行了比较,得出了最佳优化方案。结果表明,优化设计后,气隙磁密波形和反电动势波形的畸变率明显减小,转矩脉动得到抑制。

电机材料对永磁同步电机噪声影响的分析

永磁同步电机材料性能对电机振动噪声有较大的影响。针对不同牌号铁心及不同永磁体材料的电磁振动噪声特性进行了研究。对某种批量生产的小型永磁同步电机定子铁心模态频率进行解析计算,并验证了解析结果的准确性;考虑了永磁同步电机电磁-机械耦合问题,利用ANSYS Workbench及Ansoft得出了电磁场分布、气隙磁通密度、电磁力及其谐波、电机定子部分的振动速度以及电机辐射的噪声时频特性。利用MATLAB及Origin对数据进行后处理,确定了对电机振动噪声影响较大的电磁力的主要频率特征。研究结果表明:径向电磁力是电机产生电磁噪声的主要原因;定子铁心弹性模量对电机振动噪声有较大影响;在满足电机使用性能的前提下,合理选择电机永磁体材料有利于减小电机振动噪声。

大容量永磁发电机组定子轻量化设计

为了实现大容量外转子永磁风力发电机组定子轻量化设计目标,针对定子结构特点和运行过程中的载荷工况,对定子刚度和强度进行了系统分析,得到了定子的应力和变形分布,确定了定子的优化区域。在保证定子刚度和强度满足要求的条件下,运用变密度法对其进行初步拓扑优化设计。在此基础上,通过灵敏度分析确定了对定子质量、刚度和强度影响较大的尺寸参数,进行了响应面尺寸优化。优化后定子的最大应力和最大变形均在许可范围内,质量减少了1 199 kg,减重11.25%,实现了轻量化目标。

永磁同步电主轴机电耦联转子动力学分析

对永磁同步电主轴动力学特性进行分析,为提高转子系统的平稳运转提供理论依据。以9.5 kW永磁同步电主轴为例,采用加时间因子t的方法构建转子传递矩阵,利用双重步QR法求解临界转速,解决了根的溢出问题,并与有限元计算结果对照,误差均小于3.2%,验证了解析法的有效性。计算对数衰减率曲线,分析转子系统稳定性,得出三阶反向涡动最易引起转子系统失稳。考虑转子动态偏心工况,将转子表面划分为多个子区域,利用Ansoft提取各区域偏心气隙磁密并求取各区域不平衡磁拉力进行叠加,发现不平衡磁拉力随着偏心距增大而增加。进行机电耦合后,分析出不平衡磁拉力使一阶临界转速降低,几乎不影响二阶临界转速。

基于保角变换的内置式永磁同步电机磁场解析计算

为了快速建立电机几何结构形状和电气参数与电机性能之间的关系,采用保角变换法,同时考虑定子开槽效应和转子凸极率,对内置式永磁同步电机空载气隙磁场进行了解析计算。影响电机性能的关键因素是气隙磁通密度的基波值和谐波含量,而改变磁极的几何参数会对气隙磁通密度的基波值与谐波含量产生影响,以气隙磁密谐波畸变率为目标函数,采用粒子群优化算法对转子永磁体的参数进行了优化。基于二维电磁有限元仿真分析,对一台8极48槽内置式永磁同步电机进行了有限元仿真,将解析计算结果与有限元法的仿真结果进行了对照,结果显示两者的波形吻合很好,验证了解析方法的准确性,为接下来的电机结构优化提供依据。通过粒子群优化算法改善了电机气隙磁密的正弦性,优化后减小了永磁同步电机的齿槽转矩,电机性能得到提高。

内置式永磁同步电机气隙磁密与漏磁解析计算

为了分析转子具有隔磁桥的内置式永磁同步电机的空载气隙磁场,基于改进等效磁网络法进行了气隙磁密与漏磁解析计算。考虑到隔磁桥造成的磁路变化,分别计算了相邻两永磁体磁路等效磁阻、永磁体端部磁路等效磁阻、永磁体自身磁阻与主磁通和漏磁通。针对原有气隙磁阻引入了卡特系数,计算了定子开槽影响的等效气隙长度,进而计算出一个定子齿下的相对气隙磁导函数。用改进等效磁网络法分析了电机空载作用下的气隙磁场,并与有限元法计算结果进行了对比,验证了改进等效磁网络算法的准确性。

磁致伸缩效应对永磁同步电机振动噪声影响分析

在永磁同步电机振动噪声的研究中,人们往往只考虑径向电磁力的影响,忽略定子铁心硅钢片的磁致伸缩效应。首先分析了电机电磁场和机械场耦合问题的数学模型,然后建立了一台8极36槽永磁同步电机二维和三维模型,结合磁致伸缩特性测量曲线,计算了有无磁致伸缩效应情况下电机的径向电磁力,并进行了谐波分析。最后进行了模态分析,并计算了有无定子铁心磁致伸缩效应时电机的振动特性与噪声幅值,确定了磁致伸缩效应对电机振动噪声谐波分布的影响。