The time and space characteristics of magnetomotive force in the cascaded linear induction motor

To choose a reasonable mode of three-phase winding for the improvement of the operating efficiency of cascaded linear induction motor, the time and space characteristics of magnetomotive force were investigated. The ideal model of the cascaded linear induction motor was built, in which the B and C-phase windings are respectively separated from the A-phase winding by a distance of d and e slots pitch and not overlapped. By changing the values of d and e from 1 to 5, we can obtain 20 different modes of three-phase winding with the different combinations of d and e. Then, the air-gap magnetomotive forces of A-, B-, and C-phase windings were calculated by the magnetomotive force theory. According to the transient superposition of magnetomotive forces of A-, B-, and C-phase windings, the theoretical and simulated synthetic fundamental magnetomotive forces under 20 different arrangement modes were obtained. The results show that the synthetic magnetomotive force with d = 2 and e = 4 is close to forward sinusoidal traveling wave and the synthetic magnetomotive force with d = 4 and e = 2 is close to backward sinusoidal traveling wave, and their amplitudes and wave velocities are approximately constant and equal. In both cases, the motor could work normally with ahigh efficiency, but under other 18 arrangement modes （d= 1, e=2; d= 1, e=3; d= 1, e=4;...）, the synthetic magnetomotive force presents obvious pulse vibration and moves with variable velocity, which means that the motor did not work normally and had high energy loss.

新型同步调相机匝间短路故障机理分析

随着新型同步调相机大规模投入运行,调相机的安全问题逐渐凸显。绕组匝间短路故障是调相机1种典型故障,对调相机长期运行和电网稳定都有严重影响。该文从两种故障发生后对气隙磁场磁动势的影响出发,建立转子总电流、定子绕组相电流、支路电流及电磁转矩的统一数学表征,从幅值、相位、谐波含量等多方面对两种故障进行深入的对比分析,揭示新型同步调相机绕组匝间短路故障机理。该文基于已投入使用的TTS-300-2型新型同步调相机,开发有限元软件的仿真程序,搭建调相机模拟机的实验平台。理论分析结果分别得到了仿真与实验结果的验证。

新型同步调相机转子匝间短路故障定位方法

转子绕组匝间短路故障是新型同步调相机的一种典型故障,对调相机长期运行和电网稳定都有严重影响。为保障新型同步调相机高可靠稳定运行,文中提出一种转子绕组匝间短路故障在线诊断与定位的方法。从故障导致的气隙磁场磁动势畸变出发,推导出定子同相两支路将出现偶次谐波环流现象,并通过对支路环流进行傅里叶分解,提取谐波中的明显特征量。对该特征量进行分析,得出其大小仅与故障所在转子上的空间位置有关,而与故障匝数无关的结论,最后通过查表的方式来实现故障诊断与定位。文中基于已规模投入使用的TTS-300-2型同步调相机开发有限元软件的仿真模型,并搭建基于新型调相机的模拟机实验平台进行实验。仿真与实验结果验证了利用支路环流谐波进行转子匝间短路故障定位的有效性。

Design of a hybrid magnetomotive force electromechanical valve actuator

We propose a novel axis-symmetric modified hybrid permanent magnet(PM)/electromagnet(EM) magnetomotive force actuator for a variable valve timing camless engine. The design provides a large magnetic force with low energy consumption, low coil inductance, PM demagnetization isolation, and improved transient response. Simulation and experimental results confirm forces of about 200 N(in the presence of coil current) at the equilibrium position and 500 N(in the absence of coil current) at the armature seat. We compared our proposed design with a double solenoid valve actuator(DSVA). The finite element method(FEM) designs of the DSVA and our proposed valve actuator were validated by experiments performed on manufactured prototypes.

Magnetomotive Force Harmonic Reduction Techniques for Fractional-Slot Non-Overlapping Winding Configurations in Permanent-Magnet Synchronous Machines

Compared to conventional distributed winding configurations,the fractional-slot non-overlapping(concentrated)windings exhibit advantages such as short end-winding length,high copper packing factor(particularly with segmented stator structure),low cogging torque,good field weakening capability owing to relatively large d-axis inductance,and better fault tolerant capability due to low mutual inductance.However,one of the key problems of employing concentrated windings in Permanent-magnet Synchronous Machines(PMSMs)is the high eddy-current losses in rotor magnets and/or rotor iron due to the presence of a large number of lower and higher order space harmonics in the stator Magneto-Motive Force(MMF).These MMF harmonics also result in other undesirable effects,such as acoustic noise and vibrations,and localized core saturation which tend to reduce reluctance torque.This paper reviews the current state-of-the-art of the MMF harmonic reduction techniques for concentrated winding configurations in PMSMs,including winding split and shift,delta-star connected windings,multiple 3-phase windings,multilayer windings,uneven turn numbers,and stator flux barriers.Their concepts,advantages and disadvantages are presented and assessed.

电励磁双凸极无刷直流发电机热网络建模与热特性研究

电励磁双凸极无刷直流发电机具有调压方便、可靠性高的优点,在航空电源领域得到应用,但励磁绕组的引入会带来额外的励磁损耗,进而影响电机的温升。建立准确快速的电励磁双凸极电机温度场模型,并进行热特性研究对其安全稳定运行非常关键。该文对比分析集中励磁与分布励磁双凸极电机的结构特点与损耗分布特性。针对集中励磁双凸极电机的非均匀槽特点,考虑异型槽之间的热耦合作用,建立热网络分析模型。建立有限元分析模型验证了热网络模型的正确性,并对比分析不同转速与负载下集中励磁与分布励磁双凸极电机的热特性。搭建水冷集中励磁双凸极电机实验平台,并完成电磁与温升实验。实验结果与仿真结果一致,表明水冷条件下集中励磁双凸极电机相比于分布励磁双凸极电机具有更高的效率与更低的温升。

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。

基于分数槽集中绕组的多层绕组低次谐波抑制方法

分数槽集中绕组极槽配合相近,但高幅值的低次谐波磁动势限制了其在风力发电系统中的应用。多层绕组的结构通过改变各线圈组的数量与空间分布,从而改变各次谐波的绕组系数来抑制谐波。文章分析了奇数槽与偶数槽两种不同情况下,四层绕组结构中加倍绕组所移动的槽数,推导了其与双层绕组绕组系数间的关系式。在适用的极槽配合下,利用六层绕组结构来消除主要的次谐波,分析了各层绕组排布的规律、扇区的偏移角度与不同匝数时各次谐波的绕组系数。最后,利用有限元软件建立一个不同绕组结构的分数槽感应电机模型。仿真结果表明,多层绕组的结构可以有效抑制高幅值的低次谐波,提升电机的运行性能。

复杂运行工况下变压器直流偏磁的抑制

为了抑制复杂工况下变压器的直流偏磁,提出了考虑抑制措施的变压器绕组直流电流分布计算模型以及变压器直流偏磁风险的磁动势评估模型。通过实例对各种抑制措施的效果进行了交叉对比。结果表明:绕组的等效直流磁动势是变压器直流偏磁风险的决定性因素。在复杂运行工况下,不合理地使用抑制措施会令变压器直流偏磁危害加剧。电流注入法可以令自耦变串联绕组和公共绕组通过反向的直流电流,实现了等效磁动势的相互抵消,可以有效抑制复杂运行方式下500 k V变压器的直流偏磁危害。

永磁同步电机分数槽集中绕组磁动势

对单元电机的单个线圈、线圈组、相绕组和三相绕组的磁动势进行了分析。当定子槽数为奇数时,除3的整倍数之外其他极对数的磁动势都存在,其中与基波绕组系数相同、转向相反、幅值最大的谐波极对数仅与基波相差1对极。当定子槽数为偶数时,除偶数和3的整倍数之外其他极对数的磁动势都存在,其中与基波绕组系数相同、转向相反、幅值最大的谐波极对数仅与基波相差2或者4对极。电机内部还存在幅值较大的次谐波以及绕组系数与基波相同的高次谐波,它们会对电机造成不良影响。电机高速运行时,这些谐波磁动势产生的磁场会在永磁体内感应出涡流,产生损耗,造成永磁体温升增加,甚至去磁。

发电电动机静止变频器起动低频运行阶段的谐波特性

磁动势与电磁转矩谐波特性的准确计算是对发电电动机起动运行性能进行分析的前提。在发电电动机静止变频器起动低频运行物理过程分析的基础上,建立了此运行阶段电流计算的精确模型,通过实例对电流谐波特性进行了定量计算;然后以此模型推导出了计及时间谐波影响的定子磁动势表达式,分析了不同时间谐波对定子基波磁动势的影响。最后,在计及转子凸极效应影响的情况下,推导出了低频运行过程中电磁转矩解析计算公式,样机电磁转矩的有限元计算结果验证了解析公式推导的正确性。计算结果表明:5次、7次时间谐波对定子磁动势影响最大,而11次、13次与29次、31次影响近似;6次谐波转矩幅值达到恒定分量的44.94%,12次谐波转矩幅值超过恒定转矩分量的30%。

异步起动永磁同步电动机起动过程中永磁体退磁研究

异步起动永磁同步电动机起动过程中,定转子电流产生的强退磁磁场可能导致永磁体发生不可逆退磁。该文采用二维有限元法,深入研究了W形转子结构异步起动永磁同步电动机起动过程中永磁体的退磁特点,分析了定转子基波磁动势对永磁体工作点的影响,以及永磁体最大退磁点出现的规律。结果表明:电机以不同负载条件及转子初始位置起动时,每个起动过程中永磁体退磁最明显的时刻可能出现在任意转速;随着负载转矩和转动惯量的增大,永磁体退磁最明显时刻的电机转速接近同步速的概率增大,永磁体遇到最严重退磁磁场的概率也将增大。电机正常起动过程中,很可能在永磁体边角位置发生不可逆退磁,位置比较固定且区域面积很小,不会对电机性能产生显著的影响。

转子绕组短路故障时发电机转子不平衡电磁力分析

转子绕组短路是发电机常见的电气故障之一,将导致转子振动,危及电机和系统的安全。为了深入分析转子绕组短路故障引起转子振动的成因,提出了一种转子绕组短路故障时转子不平衡电磁力的磁动势叠加计算方法,同时改进了现有的等效磁通计算方法。然后以某火力发电厂QFR—400—2—20型发电机转子绕组短路故障为工程背景,分别利用等效磁通计算方法和磁动势叠加计算方法分析计算了不平衡电磁力,指出由于等效磁通计算方法没有考虑短路位置对不平衡电磁力的影响,当靠近转子横轴的槽绕组短路时,计算得到的不平衡电磁力大于利用磁动势叠加计算方法计算得到的不平衡电磁力。

电励磁爪极发电机气隙磁场解析模型

为了对电励磁爪极发电机的性能进行快速计算和分析,提出一种新的气隙磁场解析计算模型.利用傅里叶级数分解推导空载气隙磁动势、电枢反应磁动势和气隙磁导,基于磁势和磁导得到空载气隙磁场和电枢反应磁场,同时引入修正系数考虑转子极爪形状和定子开槽的影响.通过有限元方法和试验结果验证了该解析模型的准确性.该模型建立了爪极电机的气隙磁场与电机参数之间的关系,适合在爪极发电机的初始设计阶段对其气隙磁场进行快速计算和性能优化.

64kW双正弦结构无刷双馈发电机的设计与测试

将正弦结构引入到基于齿谐波原理的无刷双馈电机转子绕组的设计中来,这一绕组设计方式克服了传统无刷双馈电机的导体利用率低、谐波磁动势含量大的缺陷。该文对转子绕组双正弦结构的无刷双馈电机的绕组设计原理、方法以及谐波磁动势计算进行了详细的分析,并以一台64 kW样机为例说明双正弦转子结构的设计方法。围绕样机在功率绕组带恒定负载时电机的各有功功率曲线和电机的效率、电机温升、恒定转速下功率绕组带载时输出电压的波形,以及无刷双馈发电系统的动态特性进行样机试验。试验结果表明,采用双正弦方法设计的绕线式无刷发电机具有优良的性能。

两相无槽圆筒型永磁同步直线电机电感计算与分析

在电机行程范围内,两相无槽圆筒型永磁同步直线电机的电感会受到电机绕组断开与耦合长度变化的影响,使其变化复杂,无传感控制算法难以实现。因此,需要对该电机电感进行精确的建模。该文基于轴向磁动势函数与轴向比磁导函数分别推导得到该电机在全耦合状态下和全行程范围内电感解析模型。在此基础上,利用有限元数值计算法对电感模型进行参数计算与验证分析,并总结电机全耦合状态下电感的特征,给出耦合长度变化对于电感直流分量与2次谐波幅值的影响规律。最后,对比了样机电感的实验测量值与模型计算值。结果表明,两者之间误差仅为0.04mH,证明了电感模型的正确性。

同步发电机励磁绕组匝间短路时的电磁转矩(英文)

同步发电机的励磁绕组匝间短路故障会引起机械振动,而研究故障时的电磁转矩是分析机械振动特性的基础。文中首先基于多回路数学模型计算了短路故障后的电磁转矩,计算中全面考虑了定、转子绕组产生的各种次数、转速、转向的空间磁场之间的相互作用;对一台12kW、3对极隐极同步发电机样机进行了仿真计算及实验的比对验证;从分析故障后定、转子电流的谐波特征及其产生的磁场入手对电磁转矩特征进行了理论分析。文中深入分析了励磁绕组匝间短路故障对电磁转矩的影响机理,为利用机械振动特征进行故障监测提供了依据。

稀土永磁无刷直流电动机绕组嵌放对磁势的影响

应用于航空航天领域的稀土永磁无刷直流电动机采用多重电枢绕组技术以提高可靠性。采用隔槽嵌放的双绕组电机系统成本高,结构复杂。该文给出双绕组的一种同槽嵌放方式,对双绕组稀土永磁无刷直流电动机在单绕组工作和双绕组工作时,同槽和隔槽嵌放方式的磁势进行了理论分析,结果表明,在磁路饱和的情况下,单绕组工作时同槽嵌放电枢磁势的去磁作用小,而双绕组工作时,隔槽嵌放的电枢磁势去磁作用小;同槽嵌放更适用于冷备份余度模式,隔槽嵌放则宜于热备份余度模式。对电枢磁场、空载磁场、负载磁场和机械特性进行了有限元仿真计算,并对隔槽嵌放样机的机械特性进行了测试,仿真和测试结果验证了理论分析的正确性。

基于空间矢量法的多相电机绕组磁动势的分析

多相电机的绕组通常可以看作是由几个空间上互差一定角度的多套对称三相绕组组成的,因此以三相绕组为基本分析单元,在很大程度上可简化多相电机绕组磁动势的分析。通过分析互差任意角度的两套三相绕组各自合成的某次磁动势的解析表达式,得到了二者相位差的通用表达式。以此为基础,利用磁动势的矢量合成关系,给出了一种新的思路来分析多相电机的磁动势——空间矢量法。并以十二相电机为算例,验证了空间矢量法直观、简捷的优点。空间矢量法的运用很好地解决了多相电机绕组磁动势计算分析复杂的问题,还可以方便地设计多相电机的绕组分布,以达到消除某次谐波磁动势的目的。

基于非对称绕组函数法永磁同步电机偏心电感参数的研究

针对永磁电机偏心电感计算问题,通过引入绕组谐波磁动势畸变系数,对传统基于基波磁动势绕组函数进行改进与推导,提出一种非对称绕组函数法计算分析永磁电机偏心电感的方法。该方法将气隙半径函数、磁隙逆函数、绕组匝函数与谐波磁动势畸变系数计及到永磁电机偏心电感计算中,推导出基于非对称绕组函数法永磁电机偏心电感计算的数学模型,得到偏心电感与偏心率和转子位置之间的变化规律,实现了对偏心电感更为准确的分析计算。通过有限元仿真与该方法计算结果对比,验证了基于非对称绕组函数法分析计算永磁电机偏心电感的准确性,为永磁电机偏心运行时电感参数的分析计算方法提供基础与参考。