轴径向静态偏心故障下外转子永磁发电机电磁转矩特性分析

对外转子永磁发电机轴径向静态偏心故障下的电磁转矩特性进行了理论解析、仿真计算和实验验证。首先,在考虑齿槽效应影响条件下,引入磁导修正系数ε(θ),推导出轴径向静态偏心前后气隙磁密表达式,并考虑绕组分布情况,构建一种新型的永磁发电机轴径向静态偏心故障下相电流数学模型,在此基础上得到轴径向偏心下电磁转矩解析表达式。其次,通过有限元仿真计算得到外转子永磁发电机轴径向静态偏心下的电磁转矩波动特性。最后,在一台外转子永磁发电机上通过故障模拟实验实例印证了解析分析和仿真计算结果。结果表明:相较于正常情况,径向偏心时,电磁转矩以直流、二倍频、四倍频成分为主,随着偏心程度的加剧,电磁转矩的直流、二倍频、四倍频成分幅值将随着增大;轴向偏心时,电磁转矩谐波成分不变,随着偏心程度的加剧,各谐波成分幅值将随着减小。对外转子永磁发电机气隙偏心故障分析的一个重要补充,对此类问题的现场检测和鉴定具有参考价值。

基于径向气隙磁密和定子电流的永磁同步电机均匀退磁故障诊断研究

该文提出一种基于径向气隙磁密和定子电流的永磁同步电机均匀退磁故障诊断方法。首先,建立电机的d轴等效磁路模型,分析均匀退磁故障后径向气隙磁密的变化规律;然后,获取电机的径向气隙磁密和定子电流信号,对各极下径向气隙磁密幅值进行归一化处理,并绘制雷达图,根据雷达图和比较相同定子电流幅值下健康电机和故障电机的各极下径向气隙磁密幅值的平均值,来诊断均匀退磁故障;利用空载各极下径向气隙磁密幅值的平均值计算故障程度。最后,仿真和实验结果均验证所提均匀退磁故障诊断方法的有效性。

气隙偏心对同步发电机定子绕组温升特性的影响

为了分析同步发电机气隙偏心对定子绕组的铜耗及温升的影响规律。首先理论推导了正常情况和偏心下的磁通密度及相应的铜耗,分析了绕组的温升特性;然后建立了CS-5型故障模拟发电机的三维有限元模型,计算得到了发电机在不同负载和不同故障程度下定子绕组的铜耗和温度变化规律;最后在CS-5型故障模拟发电机上对定子绕组温度进行了实测,所得实验结果和仿真数据与理论分析结论基本一致。研究发现:定子绕组直线段温度高于端部温度;定子绕组的铜耗和温度在气隙偏心工况下均高于正常情况,且随着偏心量和负载的增加呈现升高趋势;在静偏心下靠近小气隙一侧的绕组温度高于其他部位。

基于气隙磁密差信号峭度因子的永磁同步电机局部退磁故障诊断

该文提出一种新型基于气隙磁密信号差峭度因子的永磁同步电机局部退磁故障诊断方法。首先,建立永磁同步电机等效磁路模型,根据简化模型分析局部退磁故障后各极主磁路下径向气隙磁密的变化规律。然后,将预存健康电机空载状态下气隙磁密信号与测量的在线状态下气隙磁密信号作差并计算其峭度值,作为故障特征值。取健康电机空载状态下气隙磁密信号与不同工况下气隙磁密信号差峭度值的最大值作为参考值,根据故障特征值与参考值的大小诊断出局部退磁。最后,仿真和实验结果均验证提出的局部退磁故障诊断方法的有效性。

双调制式轴向永磁齿轮电动机气隙磁场与转矩计算

针对轴向永磁齿轮电动机(Axial Magnetic Gear Motor,AMGM)整体尺寸偏大导致的转矩密度偏低(≤70 kN·m/m^(3))等缺陷,提出了一种双调制式轴向永磁齿轮电动机(Dual-modulation Axial Magnetic Gear Motor,DAMGM)。采用高速侧及低速侧两个调磁环对DAMGM低速转子进行调制,且两个调磁环中的非导磁部分均为永磁体,有效提高了低速转子的输出转矩;另外,与现有AMGM相比,将驱动电动机置于DAMGM高速永磁转子内部,减小了整体轴向尺寸,大幅提高了低速转子的转矩密度(150 kN·m/m^(3))。针对现有3D有限元计算时间长、计算机资源浪费严重等问题,给出一种基于圆柱坐标系的DAMGM三维分析方法。根据调磁环的3种边界条件,建立了调制后DAMGM气隙磁场及电磁转矩的数理模型,不仅计算结果准确(与3D有限元相比,平均计算误差≤5%),而且计算时间短(仅为3D有限元的1/10),便于DAMGM不同参数结构的分析、比较与优化。

表贴式高速永磁同步电机失磁故障及磁体选区渗重稀土研究

针对表贴式高速永磁同步电机永磁体在受到高温、强退磁磁场等因素影响易产生局部不可逆失磁故障问题,本文基于有限元分析方法,分别建立了一台24 kW表贴式高速永磁同步电机的二维和三维仿真计算模型,在计及该电机在各类不同的退磁因素作用下,确定了电机磁体发生局部不可逆失磁故障的位置,并预测了磁体的进一步失磁扩散趋势。对比了电机在有无失磁故障情况下的空载气隙磁密和反电动势,并研究磁体不可逆失磁故障对电机运行的影响。由于永磁体易在部分区域发生不可逆失磁,故本文将磁体材料更换为较低牌号,并运用选区渗重稀土技术改善易失磁区域材料特性来提升磁体整体抗失磁能力。在此基础上,探究了更为合理的重稀土渗入区域及渗入梯度,从而保证在不失电机性能的前提下,实现了重稀土元素的极限应用,为表贴式永磁电机磁体选区渗重稀土技术提供了参考。

基于槽极比选择的切向永磁同步电机永磁体涡流损耗抑制措施

为抑制切向永磁同步电机的永磁体涡流损耗,基于麦克斯韦方程和本构方程,对永磁体形状进行近似假设,构建了永磁体涡流损耗的估算模型。使用一种基于卡特系数概念的磁导函数来估算由于定子开槽引起的槽下磁感应强度变化。基于五台槽极比分别为1.05、1.20、1.30、2.40和3.60的电机设计方案对理论分析结论进行了验证。在负载电流和两倍负载电流下,分析永磁体损耗,得到了每台电机的径向气隙磁密曲线及其谐波含量。考虑到增加槽极比对定子铁耗和永磁体涡流损耗的削弱效果,给出了电机槽极比选择策略。研究结果表明,增加槽极比能减弱定子槽下磁感应强度变化,从而抑制气隙磁场中低次谐波含量,减小永磁体涡流损耗,使电机运行更加可靠,但也会引入更多高次谐波,从而增加定子铁耗。

特高压直流GIL运行可靠性设计与研究

特高压直流GIL运行可靠性取决于内绝缘设计的可靠性。此外,导电元件直流电流密度的取值、弹簧触头的定位设计、GIL各元件中的绝缘件与金具连接处的楔形气隙的处理以及母线中支撑件的结构设计细节,都会对产品运行可靠性产生重大影响,不能忽视。对于运行环境十分严酷的UHV DC GIL为保证内绝缘工作可靠性和减少气体维护工作量,文中还提出了高气密性结构设计。为适应-50℃低温运行要求,产品选用了液化温度很低的N_(2)/SF_(6)混合气体,对两种气体的配比,压力特性和绝缘特性进行了讨论与计算。还有产品的局放、气体密度及微水含量的监视系统的可靠性设计,都会对产品运行可靠性产生直接影响。文中对上述问题的研究成果作了介绍,可供高压直流产品设计使用。对其中未解的新技术如基于冷镜露点测试原理、微机电技术制作的智能气体湿度和密度监测装置、高压直流复合绝缘套管伞面局放起始场强提出了研究方案。文中提出的诸多GIL运行可靠性设计要点,对于其他超/特高压直流气体绝缘电器可参考选用。

新型三定子直流无刷电机的设计与特性分析

传统直流无刷电机齿槽分布受限导致气隙磁场波动,会造成转矩输出波动较大,故需要同步匹配设计复杂的驱动控制系统与控制算法。为此,提出一种新型的三定子直流无刷电机拓扑结构。通过等效磁路法计算出三定子直流无刷电机的主要结构尺寸。设计了三定子直流无刷电机的绕线方式和换向逻辑,驱动控制简单。基于Ansoft maxwell仿真软件,建立了电机有限元模型,仿真分析了电机静态磁场分布、气隙面域磁密分布和空载反电动势等。得到了三定子直流无刷电机的转矩特性:其转矩峰值可达8.5 N·m;电感特性:其三相绕组间磁场相互解耦,互感为0,自感平均值为4.5 mH;效率与损耗特性:不计机械损耗的情况下电机理想效率可达92%。研制了试验样机并进行试验验证,有限元分析和试验结果表明:三定子结构电机磁通密度高,输出转矩大,转矩峰值较单定子电机提升了42%;输出转矩波动小,较单定子电机波动降低了30%。在额定转矩为7.5 N·m的情况下,电机转速从启动到500 r/min的响应时间仅为0.8 s;从500~1000 r/min的响应时间仅为1.5 s;从1000~1500 r/min的响应时间仅为2.1 s。

基于强度和磁密的永磁电机转子结构优化

永磁电机转子作为储能飞轮的核心部件,需要具有较高的磁性能同时要满足材料结构强度要求。本文针对此问题,采用了综合评分法来衡量电机转子的电磁特性和力学特性。通过五因素四水平16项组合的优化方案,调整电机转子铁心结构参数,求出了因素主次顺序和最优组合。试验结果表明,在电机气隙磁密的基波幅值不变的情况下,转子最大应力值由原来的407.8 MPa,降低到了325.9 MPa,安全系数达到了1.227倍,满足了电机转子强度的设计要求。本研究提出了一种基于强度和气隙磁密的永磁电机转子结构优化方法,通过综合评分法实现了电机转子的气隙磁密的基波幅值与最大应力的综合指标的最优化。该方法可以解决大功率储能飞轮高速电机转子结构强度问题,提供了理论方法解决方案。

新型Halbach阵列盘式永磁电机的磁场解析

基于印制电路板(PCB)技术的盘式永磁电机(AFPMM)提出一种新型Halbach阵列的转子结构,该阵列结构简单、易于优化。运用矢量磁位法对新型转子产生的空载气隙磁密进行解析推导,获得关于气隙磁场的数学模型。基于该模型,保持永磁体总用量不变,以永磁体极弧系数比和径向长度比作为优化变量,气隙磁密基波幅值和谐波畸变率作为优化目标,确立最优转子结构参数。三维有限元仿真结果表明,解析法所得的气隙磁密波形与有限元法基本一致,验证了所提出解析模型的合理性。与传统Halbach阵列相比,新型Halbach阵列气隙磁密基波幅值提升了10.3%,同时谐波畸变率由19.8%降至4.8%,优化效果明显,可以有效降低高频工况下电机的涡流损耗、提升电机效率。最后制造一台样机进行相关实验测试,验证了解析和仿真分析的正确性,对PCB定子AFPMM的设计具有一定参考价值。

球磨机振动仿真及分析

球磨机作为石油化工企业的关键耗能设备,在国民经济中占据核心地位。其采用的永磁直驱系统显著提升了运行效率,并在节能方面取得显著成效。然而,转子与辊筒的一体设计使得偏心等机械问题复杂且突出,同时定转子间缺乏支撑结构,气隙均匀度难以保证,导致转子偏心风险增加,加剧球磨机振动。聚焦于球磨机永磁同步电机的电磁力研究,通过计算径向气隙磁密和电磁力密度,并仿真不同偏心状态下的振动加速度,探究了抑制偏心和减振的方法。本研究旨在为球磨机的稳定运行提供理论和技术支持,以期降低能耗、提升效率,并减少机械故障。

异步起动永磁同步电机径向电磁力优化分析

异步起动永磁同步电机由于定转子开槽,且转子上有永磁体,气隙磁密谐波含量更高,由气隙磁场产生的径向电磁力谐波较大。现以一台异步起动永磁同步电机为研究对象,通过优化转子磁路结构,改善气隙磁密波形,从而削弱电机的径向电磁力谐波。对比优化前后的电机,优化后电机的径向电磁力谐波得到削弱,电机的空载反电势谐波、齿槽转矩、负载转矩脉动也明显减小,起动转矩波动得到优化。最后通过试验测试了电机的振动加速度和噪声水平,验证了优化设计的合理性和有效性。

10kN推力电动振动台磁路仿真

电动振动台磁路计算是电动振动台设计阶段的重要一环,气隙磁感应强度和台面漏磁是其两个重要性能指标。在设计阶段准确计算出电动振动台气隙磁通密度分布和台面漏磁具有重要意义,有利于缩短研发周期和减少研发成本。本文以10kN推力电动振动台为例,采用有限元法计算其气隙磁通密度分布和台面漏磁,并以实测数据进行对比,结果表明:气隙平均磁通密度仿真结果与实测结果接近,误差仅为1.3%;台面漏磁仿真结果与实测结果误差为29.3%。

基于SVM的双辅助永磁体Halbach阵列潜油永磁同步电机优化设计

气隙磁通密度的谐波和基波幅值直接影响潜油永磁同步电机的性能,为了对潜油永磁同步电机的气隙磁密进行分析和优化,设计一种双辅助永磁体Halbch阵列结构表贴式潜油永磁同步电机并对该结构进行优化。该电机的永磁体采用Halbach充磁方式,其中主磁体采用径向充磁方式,双辅助磁体分别采用不同方向的平行充磁方式;双辅助磁体与主磁体不等厚且不等宽。为了降低计算成本,提高计算效率,采用支持向量机的非线性回归模型对优化目标拟合,通过有限元方法对优化前后的潜油永磁同步电机进行对比。结果表明,双辅助永磁体Halbach结构能有效降低气隙磁通密度的谐波,且可以提高其基波幅值。

气隙磁密3次谐波对电机振动噪声的影响

针对电机的电磁振动噪声问题,发现了提高电机气隙磁密的正弦性不一定能够降低电机的振动噪声。鉴于此,分析了引起电机振动和噪声的主要力波阶次和频率,并探究了气隙磁密3次谐波与电机振动噪声的具体函数关系。为了分析引起电机振动和噪声的主要力波阶次和频率,在利用解析法的基础上排出力波表,确定了主要噪声源。为了探究气隙磁密3次谐波对电机振动噪声的影响,建立了气隙磁密及径向力波的数学模型,并通过遗传算法求解了电机气隙磁密3次谐波的最佳幅值。分析结果显示,提高气隙磁密正弦性不一定能够降低电机振动噪声,气隙磁密3次谐波在一定范围内存在最优值使得电机振动噪声最小。分析结果为低噪声电机的设计提供了参考依据。

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。

裂齿式永磁游标电动机性能分析与比较

针对永磁游标电动机(permanent magnet vernier motor, PMVM)转矩密度大和功率密度高的特点,将其与传统永磁同步电动机(permanent magnet synchronous motor, PMSM)的性能进行比较研究.给出了6槽32极裂齿式PMVM的结构及工作原理,采用有限元仿真软件JMAG对其永磁磁场和电枢反应磁场的气隙磁密、空载感应电势、转矩、损耗等进行了分析,并与两台具有相同直径、轴长、定子齿数的PMSM进行了定量比较.结果表明:相比于6槽32极和6槽4极PMSM,6槽32极裂齿式PMVM平均转矩分别增加约45.0%和76.2%,转矩脉动减小约90.5%和95.0%,这揭示了PMVM转矩密度大、转矩脉动小的优点.然而,由于PMVM气隙中含有大量不同极对数、不同旋转速度的谐波磁场,导致其铁耗和永磁体涡流损耗较大.

表贴式永磁游标电机电磁特性和实验验证

为验证表贴式永磁游标电机高转矩密度的基本原理,基于表贴式永磁游标电机基本方程的分析,研究了电机关键参数对转矩的影响。设计了电机参数,给出了结构示意图,根据定子槽数和极对数,分析了槽电动势星形图,并给出了绕组连接图。基于二维有限元模型深入分析了电机的电磁特性,包括空载磁链、空载电动势、两种励磁源单独作用时的气隙磁密、齿槽转矩和电磁转矩。制作了永磁游标电机实验样机,对其空载反电势进行了测试。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和二维有限元模型的准确性,为永磁游标电机的精确控制提供了有力支撑。

电磁式平衡头动环自锁特性分析与实验研究

针对电磁式平衡头动环结构整体设计过程中存在的自锁磁场与自锁力矩问题,对电磁式平衡头动环自锁特性进行了有限元仿真分析与实验研究。首先,根据磁路自锁原理,建立了由磁性齿盘、永磁体、配重盘3个零件构成的三维模型;然后,利用Ansoft-Maxwell平台,通过控制单一变量的方式,分析了永磁体对数对气隙磁密和自锁力矩大小的影响,研究了气隙对自锁力矩的影响;最后,基于扭矩传感器及LabVIEW软、硬件搭建了实验平台,通过增减垫片数量的方式,进行了自锁力矩气隙实验。研究结果表明:永磁体对数从8对增加到18对时,有效工作区最小磁通密度增加了103%;有限元分析结果与实验结果的差值在15%以内,且实验数值与有限元分析数值整体趋势一致,自锁力矩随气隙的增大逐渐减小;该实验结果证实了仿真结果的可靠性,为电磁平衡装置的整体分析与优化提供了依据。