Visualization and Quantitative Evaluation of Eddy Current Loss in Bar-Wound Type Permanent Magnet Synchronous Motor for Mild-Hybrid Vehicles

This paper describes the conductor eddy current loss that occurs in a permanent magnet type synchronous motor with a distributed winding stator using a rectangular copper wire designed for mild hybrid system applications for small vehicles.Compared with the conventional round wire inserter method,the space factor can be improved and the coil-end length can be shortened by applying a so-called hairpin windings using a pre-formed into hairpin shape of bar conductor,and as a result,DC current resistance of the armature winding can be reduced.However,since the conductor cross-sectional area tends to increases,the conductor eddy current loss generated by the space harmonics linkage becomes too large to ignore.In order to study the reduction of the conductor eddy current loss,it is important to visualize the spatial leakage flux distribution which causes loss and finely analyze how the magnetic path is formed.Therefore,analysis of the conductor eddy current loss distribution generated in the bar-wound conductor is performed using the CAE model that faithfully reproduces the coil-end shape of the actual machine.Furthermore,it was qualitatively clarified what ratio of conductor eddy current loss at various driving points.Finally,the results of preliminary study on reduction of conductor eddy current loss are reported.

双层复合护套高速永磁电机转子涡流损耗解析模型

在表贴式高速永磁电机中,双层复合护套可以有效抑制转子涡流损耗。目前,针对双层复合护套转子涡流损耗的研究主要采用有限元法,但该方法存在耗时、对薄护套网格剖分较困难等问题,因此该文基于精确子域法提出了一种考虑定子开槽、涡流反作用的双层复合护套高速永磁电机转子涡流损耗通用解析模型。该模型同时考虑了永磁磁场励磁和电枢磁场励磁,可以计算负载磁场作用下的双层复合护套转子涡流损耗。此外,该模型还可进一步拓展至多层复合护套转子涡流损耗计算。通过该解析模型研究了双层复合护套不同护套厚度配比、不同护套材料对转子涡流损耗的影响。最后,将解析计算结果与有限元及C型铁心实验结果进行对比,验证了该解析模型的有效性。

Modeling of bearingless permanent magnet synchronous motor based on mechanical to electrical coordinates transformation

A bearingless permanent magnet synchronous motor(BPMSM)has two sets of stator windings,torque windings and suspension force windings.By analyzing the flux linkage intersection between the two sets of windings,a method of transforming mechanical coordinates to electrical coordinates is put forward.According to this method,flux linkage equations and voltage equations of the two stator windings are derived.The electromagnetic torque equation of the BPMSM is derived based on the analysis of the role of Lorentz force in the BPMSM.After analyzing the mathematical formula of various sort radial forces in the BPMSM,a complete function of radial suspension forces for the BPMSM is obtained.Finally,an experimental system control diagram and some test results are discussed.This mathematical model provides a theoretical foundation for BPMSM simulation study,experiment waveform analysis and structure design.

转子温度空间分布差异诱发永磁电机局部失磁特性研究

永磁材料磁特性受工作温度影响较大,高工作温度下存在的不可逆失磁现象是永磁电机高可靠性设计的主要瓶颈。针对内置式磁路结构的高功率密度永磁电机用钕铁硼永磁材料的不可逆失磁问题,基于电机全域空间损耗、温度分布的差异,该文提出一种永磁体局部失磁分析模型与特性计算方法。通过磁体虚拟分块法建立基于温度、退磁率等变量的永磁材料磁特性分析模型,利用电磁场和温度场双向耦合的三维多物理场计算方法,得到电机转子永磁体损耗、温度和局部失磁的空间分布特性。最后,通过对一台115 kW、8极永磁电机样机转子永磁体温度和转子表面磁场的实验测试,验证了分析模型与计算方法的准确性,为永磁电机局部失磁问题研究及精细化防失磁设计提供依据。

基于Ansoft Maxwell的盘式永磁电机齿槽转矩的优化设计

齿槽转矩最小化是高性能永磁盘式电机设计所追求的目标之一。围绕盘式电机齿槽转矩优化问题,阐述了几种实用且有效的盘式电机齿槽转矩优化方法,并利用三维数值有限元分析软件Ansoft Maxwell模拟计算各优化策略下盘式电机的齿槽转矩。仿真结果表明辅助凸部与辅助凹槽及导磁槽楔结构的增加能大大减小齿槽转矩。

高速高功率密度无轴承永磁薄片电机设计与优化

传统无轴承电机在高速和高功率密度之间难以取得平衡,为此围绕高速高功率密度无轴承永磁薄片电机,对其拓扑结构、绕组形式、主要尺寸等方面进行优化设计,在保证转速和功率密度的基础上有效地提升悬浮性能。通过对运行工况的分析,得出电机拓扑结构需具备的基本特点,提出一种采用环形集成绕组的表贴式无轴承永磁薄片电机。在兼顾转矩和悬浮力输出性能、机械防护可靠性的基础上,对电机的电磁气隙长度和永磁体参数等主要尺寸进行优化设计。针对电机饱和、绕组端部伸出等不利因素,分别采取了超前角弱磁、定子略长的性能提升策略,有效地避免了悬浮力的大幅度跌落。搭建20 000 r/min的无轴承永磁薄片电机有限元仿真模型并制造实物样机。通过对电磁转矩和主、被动悬浮力的分析,证明了本文设计的无轴承永磁薄片电机兼具良好的转矩与悬浮力输出性能,单位幅值电流产生的电磁转矩、主动悬浮力分别为0.166 N·m、4.4 N,电机输出功率10 kW、功率密度5.2 kW/kg。

E型分块定子永磁同步电机热分析及优化

分块定子永磁同步电机作为一种新型电机拓扑结构,具有高容错性、高转矩密度等特点,同时存在电机损耗大的问题,威胁到电机性能的稳固性。以E型分块定子永磁同步电机为研究对象,分析电机损耗机制,研究不同运行工况下电机损耗变化规律;采用磁热双向耦合法对电机进行热分析,并基于热分析结果采用响应面优化方法对电机进行多目标优化设计。优化后,电机平均输出转矩提升了14.15%,涡流损耗降低了55.99%,平均温升降低了12.62%。最后通过实验验证了双向磁热耦合法的准确性及优化设计的有效性。

内置式起发一体机的设计与优化

随着飞行器技术的不断进步,飞行器内部的电路结构向着小型化和高功率化发展。起发一体机将飞行器的起动、发电结合为一体,不仅可以减小飞行器的体积,还可以为飞行器提供起动转矩和电源支持。对起发一体机的研究现状进行了综述,以内置式永磁同步电机作为起发一体机,对转子结构进行了对比选型。选取了“一+V”型转子,经过优化的电机性能最终符合了设计要求。

水冷永磁防爆电机十字形肋片的优化设计

为了研究不同水冷结构对水冷永磁电机散热性能的影响,以一台水冷永磁电机为研究对象,优化十字形肋片结构对轴向“Z”字形水路,通过分析加入水道中的十字形肋片的结构参数,确定横肋的高度和数量两个影响参数,采用Workbench对电机进行三维建模,获得不同横肋高度和数量下的电机各部温度分布。结果表明,对比分析电机各部分温升,得到最优冷却结构的横肋数量为3时冷却效果最佳,定子、绕组、转子和永磁体的最高温度分别下降15.32、15.41、11.24和11.24℃。

基于灰狼算法的无轴承永磁同步电机多目标优化

为了降低无轴承永磁同步电机的悬浮脉动并提高电机的转矩,使其性能更加优越,提出了基于解析-灰狼算法对电机进行多目标优化设计。通过对比解析法和有限元法的计算结果,验证了解析法计算的准确性。将电机的气隙宽度、槽口宽度、极弧系数和永磁体厚度4个变量作为优化参数对电机进行多目标优化。对比优化前后的结果,电机的悬浮力脉动和转矩得到了明显的改善,验证了该算法的可行性。

新型材料结构无轴承永磁电机输出特性影响分析

针对目前大部分无轴承永磁电机的转子材料和结构性能较差导致电机输出特性不优的问题,本文提出了一种新型的无轴承永磁电机转子材料与转子组合。一方面,研究不同材料(铁氧体、铝镍钴、稀土钕铁硼)对转矩密度、功率密度、效率等方面的影响,确定出能使电机性能最优的材料。另一方面,设计了一种新型的永磁转子结构,并采用ANSYS对包括永磁转子结构在内的三种结构进行电磁有限元分析。结果表明,本文设计的新型材料、结构可以显著提高无轴承永磁电机的悬浮性能,新型Halbach阵列转子结构性能最优,且进一步提高了工作效率和永磁体利用率,这为无轴承永磁电机的结构优化和性能提升提供了空间。

无轴承永磁同步电主轴的模糊滑模位移控制

为满足无轴承永磁同步电主轴高性能转子位移控制要求,结合遗传算法寻优快及模糊控制能柔化控制信号的优点,设计一种将滑模等效控制、模糊控制和遗传算法有机结合的电主轴转子位移控制策略,在滑模控制中引入模糊切换增益,并通过遗传算法对模糊滑模控制器参数进行优化,从而获得最佳控制效果。结果表明:模糊滑模控制降低了系统在传统滑模控制下的抖振,遗传算法优化后模糊滑模控制下的不同轴向稳态转子振动峰峰值较优化前分别减小了53%和27.5%。

基于多空气槽新V型转子超高效NVRPM优化设计

依据指标优化设计一款额定功率22 kW、额定转速3000 r/min的压缩机用内置新V型转子永磁同步电机(NVRPM)。由于V型结构永磁电机较多的永磁体块数造成转子极间漏磁增大,以及气隙磁场含有较大的谐波分量易导致损耗增加、效率降低,在初始V型转子上进行3处结构的优化设计:转子面上添加多空气槽;余弦型非均匀气隙;转子分段斜极式。通过有限元仿真NVRPM的电磁特性,并且计算最佳斜极角、分析非均匀气隙中余弦函数的幅值,证明优化后新电机能够减少损耗22.6%、削弱齿槽转矩98.2%、降低转矩波动11.7%。另外,试制实验样机并测试效率高达96.32%且运行区域宽广高效。因此NVRPM的优化设计具有实践性,适合压缩机生产使用。

并轴式双转子永磁同步电机齿槽转矩分析

为有效分析和削弱并轴式双转子永磁同步电机的齿槽转矩,首先给出并轴式双转子永磁同步电机并接区气隙尺寸确定的一般原则,其次在计及并接区特殊结构参数的情况下给出各部分等效磁导的计算公式,进而建立并轴式双转子永磁同步电机等效磁网络模型,并通过能量差分法建立该电机齿槽转矩的解析表达式,然后以一台双8极54槽并轴式双转子永磁同步电机为例,建立其2D有限元计算模型,综合分析电机并接区气隙、永磁体、槽口宽度等不同结构的尺寸参数对齿槽转矩的影响,得到削弱并轴式双转子永磁同步电机齿槽转矩的有效方法,最后使用田口法以电机齿槽转矩为优化目标,以并接区气隙尺寸、永磁体尺寸、定子槽口宽度等不同参数作为优化变量进行优化分析,有效提高电机的性能。

基于频域拟合的无轴承永磁薄片电机径向悬浮力建模分析

在无轴承永磁薄片电机系统中,永磁转子因失去轴承支承容易发生偏心位移,为控制转子在几何中心稳定悬浮,径向悬浮力精确建模是无轴承系统高性能可靠运行的关键基础。针对大气隙无轴承永磁薄片电机因转子偏心程度大而引起的径向悬浮力模型非线性误差问题,该文提出一种基于频域拟合的径向悬浮力精确建模方法,将非线性分量转化为相应函数补偿至径向悬浮力模型中,从而提高了模型精确度。首先,对推导一般径向悬浮力模型过程中出现的多个误差因素及其影响进行系统分析;在此基础上,提出频域拟合方法重构径向悬浮力模型,并分析其非线性特性;最后,将解析模型与有限元仿真所得到的可控径向悬浮力、偏心磁拉力进行深入对比分析,验证了该解析模型的正确性与精确性。

基于改进粒子群算法的无轴承永磁同步电机多目标优化设计

为了提升内置式无轴承永磁同步电机的转矩性能和悬浮性能,提出一种基于响应面法和粒子群优化算法的内置式无轴承永磁同步电机多目标优化设计方法。首先,介绍内置式无轴承永磁同步电机的悬浮力产生原理。其次,阐明所采用的响应面法和多目标粒子群优化算法的原理。再次,根据所提出的多目标优化设计方法,按照灵敏度分析、响应面法建模和多目标粒子群优化的步骤对内置式无轴承永磁同步电机进行优化设计,并对优化后电机和初始电机的转矩和悬浮性能进行对比分析。最后,制作优化后的样机,并构建实验平台对样机性能进行测试。

基于正负序分离的无轴承永磁同步电机位置传感器容错控制

无轴承永磁同步电机(Bearingless permanent magnet synchronous motor,BPMSM)凭借无接触、无磨损的优异性能在工业生产中获得广泛应用,对旋转和悬浮的精确控制是保证其稳定运行的关键,需实时获取高精度的转子位置信息以实现切向力矩和径向悬浮力的解耦。为保证位置传感器故障情况下BPMSM稳定运行,文中提出一种基于正负序量分离的BPMSM传感器容错控制方案。首先,结合BPMSM数学模型,分析传感器故障对电机转矩和悬浮系统的影响。在此基础上,提出一种基于过零点检测的故障诊断函数,实时监测传感器信号故障。其次,引入旋转坐标系分析传感器信号中正序分量和负序分量的特征,分离出正序分量并提取其中的转子位置信息,构建位置检测容错系统完成故障信号到容错策略的切换,实现BPMSM在传感器故障情况下的稳定运行。最后,基于一台BPMSM实验样机对所提方案的有效性进行了充分的仿真与实验验证。

基于新型电力系统的储能技术研究

为了解决高负荷用电时引发的电力系统的功率失衡和不稳定等问题,设计了一种永磁电机式机械弹性储能系统。首先采用永磁同步电动机和永磁同步发电机来实现储能与发电;然后利用VSbES方法,包括功率控制和输出电压的控制,实现对电力储能的控制,进而在电力储能系统调节作用下促进电力系统的稳定;最后设计了电力储能调频系统,提高了新型电力系统的储能能力。试验结果表明,研究的系统存储容量较大,系统的稳定性最高可达98%,具有突出的技术效果。

基于扩充虚拟矢量的永磁同步电动机模型预测直接转矩控制

针对传统模型预测直接转矩控制策略存在的计算效率低、电压跳变过高、稳态特性较差等问题,提出一种改进模型预测直接转矩控制策略。为提升电动机的稳态特性,基于最近三矢量原则构建36个虚拟电压矢量,并结合无差拍原理调节虚拟电压矢量中冗余矢量的作用时间;为防止逆变器输出线电压跳变过高以对电动机产生不良影响,仅选取电压跳变不超过Udc/2的电压矢量作为备选电压矢量。同时,结合模型通过无差拍原理预测出参考电压矢量,选取与参考电压矢量位于同一扇区的电压矢量作为最终备选矢量集。实验结果证明了在额定工况下改进控制策略较传统控制策略的电磁转矩、定子磁链幅值误差和电流谐波畸变率分别减少了37.42%、32.00%和44.52%,程序执行时间减少了约11.52%。

转子结构优化的内置V型永磁电机齿槽转矩研究

为了降低内置V型永磁电机的齿槽转矩,提出在提高齿槽转矩对称性的基础上结合改进非均匀气隙的方法降低齿槽转矩。首先,研究齿槽转矩对称性产生原理,通过优化转子参数Rib和HRib使对称系数由40%提高到93.3%,但齿槽转矩峰值也由1.30 N·m增加到1.54 N·m;在提高对称性的基础上,对传统非均匀气隙进行改进,齿槽转矩峰值可大幅降低。通过仿真分析得到,仅提高齿槽转矩对称性,传统非均匀气隙齿槽转矩峰值由1.54 N·m降低到1.05 N·m,仅仅降低了31.8%,改进非均匀气隙后齿槽转矩峰值降低到0.25 N·m,降低了86%,说明改进非均匀气隙能更好的结合对称性降低齿槽转矩;最后分析优化后空载气隙磁密和空载反电势谐波畸变率基本保持不变,说明优化后不会恶化电机其他性能。