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。

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。

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。

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。

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%。

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。

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.

基于试验验证的永磁同步电机电磁噪声优化方法探究

为解决电动汽车永磁同步电机电磁噪声问题,基于其电磁噪声产生机理,提出通过试验验证手段降低电磁径向力的方法来优化其电磁噪声,分别从结构硬件和控制策略两方面提出了从转子分段斜极优化、结构刚度优化耦合共振改善、电流谐波注入和气隙磁通密度改善等验证对比方式进行优化改善,并针对每种优化方式结合实际开发案例进行说明。结果表明,每种方式均有至少3 dB(A)的电磁噪声改善,进一步论证了通过试验手段优化电磁径向力来改善电磁噪声的效果与优势。

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。

轴向磁通永磁同步电机快速等效磁路分析

轴向磁通永磁同步电机具有轴向长度短、结构紧凑、体积小、转矩密度高等特点。然而其磁场为三维磁场,模型过于复杂,难以直接运用经典解析法进行快速求解与计算。为快速完成轴向磁通永磁同步电机的前期估算,文中提出一种简化等效磁路模型来快速计算轴向磁通永磁同步电机的基本性能。该磁路模型通过合理的等效,将三维轴向磁通永磁同步电机模型转化为多层二维等效模型,进而运用等效磁路法和叠加法实现电机性能的计算。最后,以10极12槽双定子单转子轴向磁通永磁同步电机为例,运用文中所述模型计算其气隙磁密,永磁磁链和空载反电动势并对不同分层数的电机模型进行了有限元的仿真。结果表明,本文等效磁路模型的计算精度与三维有限元法相近,且耗时极短,更有利于该类电机的工程初算。

飞轮储能用永磁同步电机气隙磁通密度波形优化

为了优化气隙磁通密度波形的幅值与正弦畸变率2个关键指标,提出了一种基于Kriging模型与差分进化算法(differential evolution algorithm,DEA)相结合的多目标优化方法。首先,通过对飞轮储能用永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor for flywheel energy storage,FPMSM)有限元模型进行拉丁超立方体采样(Latin hypercube sampling,LHS),取得样本数据,并引入Kriging算法建立对应的替代模型;其次,利用DEA对影响气隙磁通密度波形的关键结构参数进行全局优化,给出Pareto最优解;最后,对Pareto最优解集的3种优化方案与原始方案进行对比分析和有限元验证。结果表明,所提FPMSM气隙磁通密度波形多目标优化方法能够使气隙磁通密度波形在幅值提高的同时,正弦畸变率显著降低。

无铁心轴向磁通永磁电机的磁场解析计算

轴向磁通永磁电机磁场呈三维结构且磁路复杂,采用有限元法求解电机的气隙磁场将会耗费大量的建模及仿真时间,针对该问题,采用解析法对电机的空载磁场进行计算,通过将电机沿径向分成多个截面,使三维的轴向磁通电机等效为多个二维直线电机的组合体,在直角坐标系中求解拉普拉斯方程,得到矢量磁位,代入边界条件对磁场进行求解。计算电枢反应磁场时,采用多层电流片法进行求解,与有限元仿真结果对比,验证了解析法的可行性,提高了无铁心轴向磁通永磁电机磁场计算和电机参数设计的速度。

永磁同步轮毂电机设计与电磁特性分析

为进一步探究轮毂电机的电磁特性,使汽车获得更高的输出转矩,针对具体车型轮毂电机进行设计与研究。根据某型车的动力性能要求对轮毂电机的尺寸参数进行计算与设计,并对轮毂电机进行三维建模。利用Maxwell建立电机的数学模型,并通过槽满率和磁场强度的分布规律验证模型可靠性。通过仿真分析所设计的永磁同步电机在空载和负载2种工况下的气隙磁通密度和反电动势,对比分析不同槽口宽度对电磁转矩的影响。结果表明:所设计的电机在额定工况下的最大转矩为123.918 N⋅m,最小转矩为115.9696 N⋅m,可以满足该型车的设计使用要求;当电机槽口宽度为5 mm时,可以获得最稳定的输出转矩和最符合该车的动力性能。研究结果为优化汽车轮毂电机的电磁特性和提升整车动力性提供了参考。

极间隔断Halbach型磁钢的永磁同步电机多目标优化设计

以降低加工难度与优化气隙磁通密度为目标,设计了表贴式极间隔断Halbach型磁钢的永磁同步电机,系统分析了极间隔断Halbach型磁钢参数对气隙磁通密度波形的影响。针对该类磁钢的参数,即磁钢极角和充磁夹角对基波幅值和正弦性畸变率都有影响的特点,提出了对磁钢参数进行多目标优化的方法,设计了以获得基波幅值极大值与正弦性畸变率极小值为多目标的混合全局优化算法,在此基础上,提出了最佳极间隔断Halbach型磁钢参数的选择方法。仿真与实验验证了优化结果选择方法的正确性,进一步验证了极间隔断Halbach型磁钢性能的优越性。

不同充磁方式的对转永磁电机气隙磁场性能研究

针对磁钢不同充磁方式对电机磁场性能影响不同,在对比分析径向充磁、平行充磁和Halbach磁体磁化强度分布的基础上,提出一种计算内永磁体转子和外永磁体转子对转电机气隙磁密的解析算法。该算法计算结果与有限元分析结果接近且趋势相同,是一种在电机设计前期预报气隙磁场分布的有效方法。利用解析和有限元相结合的方法研究了充磁方式对2种转子结构对转永磁电机气隙磁场的影响。结果表明:外永磁体转子对转电机选择径向充磁能获得趋近方波的气隙磁密和较高的磁密峰值,适合无刷直流电机;内永磁体转子对转电机选择平行充磁既可提高气隙磁密的正弦分布程度,又能得到较高气隙峰值;Halbach磁体的电机气隙磁密正弦分布程度高,谐波含量小,适用于永磁同步电机。

永磁同步电机偏心磁极优化设计

以优化气隙磁通密度为目标,设计了表贴式偏心磁极永磁同步电机.在解析法研究偏心磁极气隙磁通密度的基础上,分析了偏心距对气隙磁感应强度波形、电机性能指标的影响,推导永磁体平行或径向充磁时,极弧范围内各点气隙磁感应强度与偏心距关系的表达式,提出一种新颖的通过解析表达式优化设计最优偏心距的方法.利用有限元方法对其验证,证明理论解算方法的正确性和有效性.通过一台180 kW样机永磁体的实际优化设计,结果表明,理论解算出的最优偏心距与有限元分析所得的一致.

3次谐波电流注入对五相感应电机系统运行性能影响分析

五相感应电机系统采用集中整距绕组结构并由非正弦供电,可以通过注入谐波改善电机的气隙磁场,从而提高电机的输出功率。本文在3次谐波注入控制策略研究基础上,从母线电压利用率、系统功率因数、效率及输出转矩等性能指标出发,深入研究了3次谐波注入对系统的运行性能影响。最后,搭建了系统实验平台,对实验室一台5.5k W五相集中整距绕组感应电机进行了相关实验。结果表明,在五相集中整距绕组感应电机系统中,通过注入按照一定规律变化的3次谐波,可以有效改善电机系统的运行性能。

发电机气隙偏心时定子并联支路的环流特性分析

为了有效监测和诊断发电机主要的机械故障之一的气隙偏心故障,在分析发电机正常情况及气隙偏心故障时定子绕组并联支路环流特性的基础上,提出了一种基于环流特性的气隙偏心故障诊断方法。通过分析汽轮发电机在正常运行和气隙偏心故障时的气隙磁势、磁导、磁密,推导得到了发电机定子绕组各并联支路感应电势瞬时值和电势差的瞬时值表达式,然后结合静偏心、动偏心、动静复合偏心3种偏心故障下的气隙情况,具体分析了偏心故障下的定子并联支路环流的谐波成分特性及其与对应故障参数的变化关系,从而得到了定子绕组并联支路环流特性即故障使环流基频成分突出,环流值随偏心程度的加重而增大。实测SDF-9型故障模拟发电机气隙偏心故障时环流信号与理论分析结果基本符合。

切向结构永磁同步电机辅助磁极的优化

为了减少切向结构永磁同步电机转轴侧永磁体的漏磁,提高气隙磁密,在切向结构永磁同步电机中合理引入辅助永磁体。辅助永磁体相对于切向永磁体的位置有3种,其中以模型b,c较为合理,永磁材料用量适中,对气隙磁通的贡献大。随着辅助磁极永磁体厚度的增加,气隙磁密增加,当永磁体厚度增加到一定值时气隙磁密开始减小(模型b)或几乎恒定(模型c),即辅助永磁体存在一个合理的厚度,该厚度与电机的极对数有关。