梯形Halbach交替极无铁心永磁同步直线电机特性分析与优化设计

针对无铁心永磁同步直线电机(PMLSM)存在推力波动问题以及磁极结构对永磁体利用率的影响,从结构方面着手,提出一种梯形Halbach交替极磁极结构的无铁心永磁同步直线电机,对Halbach阵列进行优化设计。首先通过有限元法对比在Halbach交替极、双层Halbach磁极与梯形Halbach交替极3种磁极结构中PMLSM的电磁性能,分别对气隙磁场谐波成分、空载反电动势、电磁推力以及推力体积比进行计算与对比。其次,采用等效磁化强度法定性分析磁极结构对电机出力性能的影响,并引入Kriging模型,结合多目标优化算法对关键参数进行优化以提高电机平均推力和推力体积比,降低推力波动,得到3个优化目标的Pareto前沿。最后,通过仿真分析验证设计方法的有效性以及电机性能的改善。结果表明:梯形Halbach交替极磁极结构永磁体利用率更高,具有实用价值;梯形Halbach交替极PMLSM能够有效抑制推力波动并保持在7%左右,适用于高精确度加工设备。

基于磁链相移原理的不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机设计与分析

传统永磁辅助同步磁阻电机(PMaSynRM)无法充分利用永磁转矩和磁阻转矩,该文提出一种新型不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机(ACP-PMaSynRM)。基于永磁磁链相移原理,将交替极永磁阵列、不对称磁极和磁障相结合,实现永磁转矩和磁阻转矩的最大值在相同电流相位下叠加,不但提高了永磁转矩和磁阻转矩的利用率,增强了电机输出转矩能力,而且减少了永磁体用量。采用有限元法对比分析了传统和新型ACP-PMaSynRM的电磁性能,验证了所提电机拓扑的可行性。最后,制造了一台48槽14极样机并对其进行了实验验证。

一种交替极永磁游标电机设计与分析

提出了一种使用低成本铁氧体磁体的交替极永磁游标电机(CPPMVM).介绍了该电机拓扑结构,提出了基于特定磁导函数的等效磁场模型来推导主磁密、调制磁密和反电动势.通过解析法和有限元法分析该电机电磁性能、气隙磁密和谐波分布.结果表明:与常规表贴式永磁游标电机(SPMVM)相比,所提出的交替极永磁游标电机机械结构简单、成本低、谐波调制作用有效、转矩密度高、抗退磁能力强.

聚磁式交替极永磁游标电机分析与设计

为了在减少传统聚磁永磁游标电机永磁体用量时,仍能保持较大的转矩密度,提出一种新型聚磁式交替极永磁游标电机。与传统聚磁式永磁游标电机相比,新型拓扑结构电机通过交替极转子设计在减少永磁体用量时仍能保持较好的转矩输出特性。该文首先介绍了聚磁式交替极游标永磁电机的结构特点及工作原理。其次,以输出转矩最大为目标,利用有限元法对所提新结构电机关键参数进行优化分析。最后对比分析了新型聚磁式交替极永磁游标电机与传统聚磁式永磁游标电机的电磁性能,包括气隙磁密、反电势及转矩性能,结果表明在相同的体积下,所提新拓扑电机具有更高的转矩密度及更少的永磁体用量。因此,它在低速大转矩直驱应用场合具有广阔的应用前景。

V型交替极永磁同步电机气隙磁场调制效应研究

与传统V型永磁(V-shaped permanent magnet,VPM)结构相邻N和S极永磁体形成一对极磁场不同,V型交替极永磁(V-shaped consequent-pole permanent magnet,VCPM)结构永磁体与相邻铁心形成一对极磁场。为进一步探究VPM和VCPM电机磁场分布的不同带来的转矩性能差异,首先通过麦克斯韦应力张量法确认,并量化分析VPM和VCPM电机气隙磁密各次谐波转矩贡献,揭示两种电机主谐波与调制谐波转矩贡献的差异性,进而阐明VCPM电机转矩提升的根本原因在于其显著增加的调制谐波贡献的转矩分量。然后,研究关键结构参数对VCPM电机气隙磁场调制效应的影响规律。最后,加工一台VCPM样机并开展试验研究,验证理论分析和有限元仿真结果的可靠性。

新型双层半插入式交替极永磁电机的解析建模

为了提高永磁电机的电磁转矩,提出一种新型双层半插入式交替极永磁电机模型。内层为交替极磁极,外层为表贴式永磁体,内外层永磁均为径向磁化。采用二维子域模型法,将求解域划分为定子槽、定子槽口、气隙、外层永磁和内层永磁共5个子域。根据拉普拉斯和泊松方程,通过分离变量法获得各子域矢量磁位的通解,再根据边界条件并求解矩阵方程,获得各子域矢量磁位的直流分量和谐波系数。以一台8极9槽新型电机为例,计算了电机的气隙磁密、空载感应电动势和电磁转矩,结果表明,在永磁用量相同的前提下,与传统的表面插入式电机相比,新型电机具有更高的电磁转矩。最后,用有限元法验证了解析模型的正确性。

新型双定子交替极永磁电机宽调速电流控制研究

传统永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)因恒定永磁励磁而扩速困难;新型双定子交替极永磁(dual-stator consequent-pole permanent magnet,DSCPPM)电机,兼具双定子及混合励磁电机优势而更适合高转矩宽调速应用。此外,电流解耦控制器及电流分配策略是实现电机宽调速控制的关键。因此,该文提出一种适合DSCPPM的内模电流控制器,通过滤波带宽的单参数设计,实现复杂电机模型电流解耦控制及动态调节,显著降低多电流控制器参数整定难度。同时,该文提出一种宽调速电流分配策略,其将电机全速域分为恒转矩区、弱磁一区以及弱磁二区,分别以最大转矩电流比、最短路径以及最优弱磁电流为目标对电流轨迹进行优化,来实现电机宽调速运行。最后,通过样机实验结果验证所提控制策略的有效性。

混合励磁交替极永磁电机多谐波调磁技术研究

高磁能永磁材料是电机实现高转矩/功率密度的前提条件,但其高矫顽力等特性导致电机弱磁困难,限制其在航空航天等高速场合的应用。针对此问题,该文提出一种混合励磁交替极永磁游标电机(hybrid excited consequent pole permanent magnet vernier machine,HE-CPPMVM)。该电机的转子采用CPPM结构,定子齿上同时绕有集中电枢绕组和直流励磁绕组。无励磁电流时,旋转的永磁场经定子齿的调制后与电枢反应谐波相互作用实现机电能量转换;施加励磁电流时,定子励磁绕组通电后可产生静止励磁磁场,经CPPM转子凸极铁芯调制后与电枢反应谐波相互作用可灵活调节电机磁场。该文介绍该电机的结构特征,建立交替极永磁场、励磁磁场和定转子磁导模型,阐述工作谐波特性,揭示其多谐波工作调磁原理。加工原理样机并进行测试,验证调磁原理的有效性。

表嵌式交替极永磁电机拓扑演化及气隙磁场调制效应研究

与传统表贴式永磁(SPM)电机相比,交替极永磁(CPM)电机部分磁极被转子铁心极替代,因此具有相对较高的永磁体利用率,且具有与SPM相媲美的转矩输出能力。该文对CPM电机拓扑演化规律进行分析,总结CPM电机不同永磁结构下的磁极特征。在此基础上,量化分析不同永磁结构下CPM电机气隙磁通密度调制谐波的转矩贡献,揭示不同永磁结构对CPM电机气隙磁场调制效应的影响规律。制作了一台CPM样机并进行了样机试验,验证了理论分析与仿真的可靠性。

船用混合励磁交替极永磁游标直线电机研究

提出并设计一种应用于舰船低速直驱系统的混合励磁交替极永磁游标直线电机。阐述了该电机的结构设计和理论分析,以提高电机输出性能为目标,利用二维有限元法对极弧系数和Halbach永磁体阵列尺寸等关键技术参数进行优化,分析了电机的电磁性能,验证了电机结构设计的合理性,最后将该电机与交替极、隐极和混合励磁隐极3种次级结构的电机进行了比较。结果表明,与混合励磁隐极结构相比,设置在电枢齿间的Halbach永磁体阵列能显著提升交替极电机的输出性能,该电机在磁钢利用率、输出推力、推力波动等方面拥有更优越的性能表现,综合性能较优,在舰船武器升降平台、直线驱动往复水泵等低速大推力场合拥有广阔的应用前景。

基于不等匝绕组的交替极永磁电机转矩脉动抑制技术

交替极电机的永磁体被凸极铁心替换会形成不对称的空载气隙磁密,导致气隙磁密偶次谐波,进一步在相反电动势中感应出偶次谐波,增加电磁转矩脉动。当交替极永磁电机的极槽配合符合Ns=k(2P±1)(k是正整数,Ns和P分别是定子槽数和转子极对数)时,相反电势中会存在偶次谐波。为此,提出不等匝绕组技术消除交替极永磁电机的低次反电势偶次谐波,抑制电磁转矩脉动。首先推导了消除2次和4次反电势谐波的最优比例,然后以27槽30极电机为例,采用2维有限元方法对比分析了交替极和传统永磁电机的反电势和转矩特性,结果表明,采用不等匝绕组的交替极电机转矩脉动仅为1.2%,与传统电机相比下降了7.84个百分点,最后加工了不等匝绕组27槽30极交替极永磁电机对对理论和有限元分析进行了验证。

3对极无轴承交替极薄片电机的理论与实现

无轴承交替极永磁电机因其悬浮与旋转本质上完全解耦,其控制系统得以极大简化,但其前提条件是电机极对数必须≥4。极对数过大限制了其应用范围,特别是在高速场合。为减少极对数,该文研究了一种3对极无轴承交替极永磁电机。通过磁路分析发现,3对极电机中存在一固有的悬浮力脉动,且该悬浮力脉动无法完全消除。分析该脉动的数学模型发现,通过适当增加永磁体厚度、减小气隙的方法,可以将悬浮力脉动控制在可接受的范围内,采用有限元仿真对该结论进行了验证。通过实验,实现了3对极原理样机的稳定悬浮,证明了3对极无轴承交替极永磁电机的可行性。

Halbach交替极永磁同步直线电机特性分析

提出一种Halbach交替极永磁同步直线电机(HCP-PMLSM),利用有限元法对隐极、交替极和Halbach交替极三种次级结构永磁同步直线电机的空载电动势、电磁推力、磁阻力及推力波动等电磁特性进行计算与对比,并优化了HCP-PMLSM的磁极尺寸,以进一步提高其推力。针对HCP-PMLSM推力波动偏大的问题,提出一种次级双边错齿结构HCP-PMLSM对推力波动进行抑制,并分析了HCP-PMLSM的自感、反电动势、推力和推力波动等电磁特性。最后,制作了双边错齿结构HCP-PMLSM样机,并进行了实验,实验结果验证了理论分析的正确性。

交替极无轴承永磁电机的悬浮力脉动分析

Cosequent-Pole无轴承永磁电机的悬浮力与转子转角本质上是无关的,其控制系统因此得以简化,但考虑到谐波因素时,其引起的悬浮力脉动对于系统的悬浮性能产生了不利影响。该文推导了计及谐波的悬浮力统一公式,并以有限元分析对其进行了验证,指出了不同极对数时,产生的悬浮力脉动的情况及原因,并提出了抑制悬浮力脉动的方法,为交替极无轴承永磁电机的设计和优化提供了理论指导。

新型交替极无轴承永磁电机的原理与实现

传统永磁型无轴承电机悬浮力和转矩控制存在耦合,该文对一种新型交替极转子结构的无轴承永磁电机的磁悬浮原理进行了深入分析和数学建模,指出该类型电机所具有的独特的悬浮控制和转矩控制解耦的特点,并构建了无轴承交替极永磁电机的实时控制系统。实验结果表明实现了该新型无轴承永磁电机的动、静态稳定悬浮,验证了悬浮与转矩控制解耦的特性。

基于摄动法的交替极永磁电机偏心磁场解析计算

应用摄动法求解交替极永磁电机偏心磁场问题,求解区域分为气隙和永磁体两部分,建立了这两部分的摄动方程,并给出了求解域的边界条件和方程的通解,利用边界条件确定了通解的待定系数,得到了偏心情况下交替极永磁电机气隙区域的磁场分布和偏心力。最后应用有限元进行了计算,结果表明该方法对于解决交替极永磁电机偏心磁场问题的正确性。

双交替极横向磁通直线电机的基础研究

提出一种新型双交替极横向磁通直线电机。该结构集成了两种交替极横向磁通电机拓扑,位于初级和次级的永磁体产生的磁通以相同的方向与绕组相交链,通过共用部分铁心和绕组,充分利用了电机内部空间,提高了材料利用率,增大了电机推力密度。通过分析电机内磁场分布,建立电机磁网络拓扑,并计算绕组磁链,推导电机电磁力表达式。通过有限元对理论分析进行验证,得到电机磁链、反电势及电磁推力分布波形。研制一台实验样机,测量样机的反电势,验证新结构电机的原理与性能。

无轴承交替极永磁电机磁极形状优化设计

为了优化无轴承交替极永磁电机性能,从转子结构入手分析交替极转子结构及绕组形式对空载反电势、齿槽转矩等空载特性的影响,提出一种转子磁极离心的磁极形状优化设计方法。通过对比磁极优化前后空载和负载性能发现磁极形状优化对抑制反电势谐波、减小齿槽转、降低转矩脉动等具有积极意义,但同时也导致平均转矩和平均悬浮力的损失。为弥补平均转矩和悬浮力损失,提出采用适当增加转子外径、减小气隙长度的设计方法。最后利用有限元分析对比结构优化前后的基本电磁特性,电机转矩常数由0.155 N·m/A升至0.181 N·m/A,转矩脉动由30.4%降为12.1%;额定悬浮力由14.6 N升至23 N,悬浮力脉动由8%降为7.8%,最大径向耦合由7%升至7.7%。

交替极永磁无轴承电机的直接悬浮力控制

通过借鉴永磁同步电机直接转矩控制(PMSM-DTC)的思想,将直接转矩控制的理论和方法应用到永磁型无轴承电机磁悬浮力的控制上去,提出了一种新颖的基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法的直接悬浮力控制算法,并在一台交替极无轴承永磁电机上进行了实验验证,结果表明该控制思想的正确性和有效性。

无轴承交替极永磁电机集中式悬浮绕组结构及其优化设计方法

在一台12槽8极无轴承交替极永磁电机上研究了集中式悬浮绕组结构对电机悬浮性能的影响,研究并提出能够提高悬浮性能的绕组结构及优化方法。首先,分析两相和三相传统集中式绕组径向存在较强耦合关系的原因。其次,研究一种带辅助线圈的三相改进集中式绕组结构,并提出一种带辅助线圈的两相改进集中式绕组结构以验证两相绕组经优化改进作为悬浮绕组的可能性。然后,为优化改进集中式悬浮绕组结构,研究了基于悬浮力解析的绕组优化法。但该方法优化过程复杂,从简化绕组优化设计过程角度,提出基于悬浮磁动势总谐波畸变最小的绕组优化法。最后,将两种绕组优化法用于两相和三相改进集中式悬浮绕组的优化中,理论和有限元分析结果表明本文所提优化方法的有效性。