用于弱磁扩速运行的三相6/5极永磁开关磁链电机的分析与优化设计

介绍了三相6/5极永磁开关磁链电机的结构特点和运行原理,并在弱磁扩速原理的基础上说明了直轴电感在电机弱磁扩速中的作用,通过有限元分析研究了不同转子齿高、齿宽对电机直轴电感和弱磁能力等性能的影响。结果表明,该电机的磁链和反电势波形接近正弦,适用于永磁无刷交流电动机的控制方式;电机可通过定转子齿宽搭配来设计相对较大的直轴电感。在上述分析的基础上,对一台电机进行了优化设计,制作了样机,并进行了实验验证。

永磁开关磁链直线电机若干优化设计方法

永磁开关磁链直线电机除具有常规永磁直线电机的优点外,还具有显著的成本优势,因此具有很好的应用前景。本文在简要说明该类电机的基本结构与原理之后,指出通过合理调整初级与次级铁心的外形尺寸来减小反电动势谐波含量与电机推力波动,采用磁桥结构提高弱磁控制能力和初级铁心机械强度,借鉴旋转电机齿槽力矩的抑制方法来削弱推力波动的齿槽效应成分,并提出辅助齿结构来有效削弱推力波动的端部效应成分,最后还给出了一种模块化结构形式来提高电机的容错性以及边端线圈与内部线圈的对称性。

永磁开关磁链电机弱磁运行的结构与性能

在弱磁扩速原理的基础上说明了直轴电感对永磁电机弱磁性能的影响,研究了三相永磁开关磁链电机不同结构下的弱磁扩速能力,并提出了相应的结构设计思路.通过定性的磁路分析和定量的电磁场有限元计算研究了不同转子齿高、齿宽对电机直轴电感和弱磁能力等性能的影响,并对6/5极和12/10极2种结构电机的运行性能和弱磁能力进行了对比分析.研究表明,在逆变器容量确定的前提下永磁开关磁链电机可以通过定转子齿宽优化来设计较好的运行性能和较大的直轴电感,提高弱磁能力;6/5极和12/10极结构电机都具有良好的扩速能力,但前者较优.通过实验还验证了6/5极结构电机的弱磁扩速能力.

新型永磁开关磁链电机

分析设计两种具有结构简单、转矩密度高等优点的新型三相永磁开关磁链电机,并利用二维有限元软件分析电机几何形状对反电动势波形、齿槽定位转矩和径向不平衡力等因素的影响,并以此为基础进行优化设计。

一种新型多齿开关磁链直线电机的关键问题

提出一种省永磁、高推力性能的新型多齿开关磁链直线电机;推导分析直线电机端部开断引起的电磁推力与定位力特点,比较3种端部辅助齿形状对推力特性的影响,结果表明与内部齿相同的端部辅助齿可使直线电机得到较好性能;与旋转电机同样电枢高度及齿槽宽度的直线电机电密偏高,故增高电枢使槽面积增大到2.5倍,之后分析FSPM直线电机非饱和时推力表达式及饱和对电磁性能的影响,永磁优化分析表明21 mm高度永磁体可以使本设计电机达到最大推力,最后示出了不同轭部高度、不同气隙时,最佳永磁体高度的选择规律。

U型永磁开关磁链直线电机特性分析及优化

针对长行程无绳提升系统提出一种U型永磁开关磁链直线电机(UPM-FSLM)的拓扑结构,通过改变永磁体的位置排列、初级槽型与次级齿形,提高推力密度与功率因数,降低推力波动。首先介绍了UPM-FSLM的基本参数尺寸设计和工作机理。然后建立有限元仿真模型,分析静态磁场分布、反电动势、电磁推力、推力波动、效率及功率因数等电磁特性并与传统永磁开关磁链直线电机(PMFSLM)电磁性能进行对比研究。最后有限元仿真结果表明:相较于PMFSLM,UPM-FSLM具有高推力密度、低推力波动、高结构强度以及高电磁兼容性能等优势,更适合用于长行程的无绳提升系统。

混合励磁开关磁链电机转子极数对调磁性能的影响

为了研究混合励磁开关磁链电机(hybrid excited switched flux permanent magnet,HESFPM,motors)的调磁特性,探讨影响HESFPM电机调磁性能的主要因素,解决具有宽调磁能力的HESFPM电机优化设计问题,文章通过分析不同定/转子极数和绕组结构的混合励磁开关磁链电机的拓扑结构、工作原理,比较了不同定/转子极数的混合励磁开关磁链电机的电磁性能和调磁性能。采用磁路分析方法和有限元计算方法,比较研究了不同电流密度、不同直流励磁绕组与电枢绕组槽面积对HESFPM电机电磁性能和调磁能力的影响。分析结果表明,对于采用相同定子结构的HESFPM电机,转子极数为N_s+2 (N_s为定子极数)的12槽HESFPM电机具有比转子极数为N_s-2的HESFPM电机具有更高的电磁转矩和更宽的调磁能力。最后,通过对一台12/10 HESFPM实验样机的测试进行验证。

永磁开关磁链直线电机退磁故障特性分析

相较传统直线电机,永磁开关磁链直线电机(Permanent Magnet Flux-Switching Linear Motor,PMFSLM)永磁体与绕组集成程度更高、推力波动更大,在运行过程中更易受到温度与机械作用影响,导致永磁体产生退磁问题。针对PMFSLM永磁体的退磁问题,通过建立有限元模型,分析了永磁体不同退磁状态对电机的影响,得到不同退磁状态下电机永磁磁场、气隙磁密、空载反电动势、推力、磁链等特征参数,通过对比分析得到一些易受退磁影响且变化明显的特征量,为PMFSLM的故障诊断奠定理论基础。

横向磁通开关磁链永磁直线电机的拓扑结构研究

横向磁通开关磁链永磁直线电机的磁通路径与电枢绕组中的电流在空间上相互垂直,实现了电负荷与磁负荷的解耦,从而使其力密度得到提高.针对横向磁通开关磁链永磁直线电机,本文阐述了横向磁通永磁直线电机的磁路结构和工作原理,提出了几种拓扑结构.通过有限元数值计算分析并对比了不同拓扑结构电机的气隙磁场分布、绕组磁链、反电势等特性曲线,为确定最佳拓扑结构奠定了基础.

新型多齿开关磁链永磁记忆电机分段线性磁滞模型研究

为了研究多齿开关磁链永磁记忆电机在线调磁特性,提出一种可快速计算该电机磁链及空载反电动势的分段线性磁滞模型。根据该多齿开关磁链永磁记忆电机的磁路模型及工作原理,通过在多齿开关磁链永磁电机定子中放置具有高剩磁、低矫顽力(low coercive force,LCF)的永磁体,在线改变励磁绕组中脉冲电流的大小和方向改变LCF永磁体的磁化状态,从而实现永磁磁链的在线调节。使用所提出的分段线性磁滞模型,分析多齿开关磁链永磁电机在线调磁特性过程中,比较了使用不同分段次数(四段、五段、六段和无穷段)的磁滞模型下LCF永磁体工作点的计算精度。最后,通过有限元分析和实验表明:使用所提出的分段线性磁滞模型可以快速准确地得到多齿开关磁链永磁记忆电机的调磁特性。

永磁直线开关磁链电机温度场分析

为分析电机各个部件在运行时的温升状况,合理选择冷却方式,确保电机稳定运行时各个部件工作在正常温升范围内,计算了等效导热系数、气隙等效导热系数、表面散热系数,建立了PMFSLM有限元模型,分析了该类电机运行过程中的温升特点。研究结果表明:PMFSLM速度越低,温度越高;电机温度稳定时,电枢绕组的温度最高,同时出现自轴线中心位置向两端温度逐渐降低的现象,对于该类电机,长期运行时应采用风冷或水冷等措施以降低温升。

两种驱动方式下永磁直线开关磁链电机的研究

永磁开关磁链电机数学模型可以等效为永磁无刷电机,普遍采用方波驱动方式。在有限元基础上分析6/7极直线式磁链电机反电势波形,采用方波和正弦波驱动方式,比较两种方式下的电流、电压、平均推力大小及波动系数,计算不同方式下电机铜耗、铁耗以及永磁铁涡流损耗。仿真表明:在同一速度下,两相导通方波方式下的推力小于正弦波驱动方式下的力,同时总损耗也小于正弦波驱动方式下损耗,可以在不同应用场合中选择不同驱动方式。

基于次级错齿的C型铁心双边直线永磁开关磁链电机

直线永磁开关磁链电机(LFSPM)适合长次级直线驱动场合,这是由于永磁体和电枢绕组都在短初级,而长次级结构简单可靠性高。很多应用场合都要求电机具有高推力,但往往也需要低的推力脉动。为此,对1台双边C型铁心的直线永磁开关磁链电机(DSLFSPM-C)进行研究和改进。利用有限元软件先对电机进行推力优化,然后为了在不影响平均推力的情况下有效地减小推力脉动,分别利用次级错齿和端部永磁体两种结构对电机进行了改进。分析结果表明,改进后的DSLFSPM-C具有相对较低的法向力、高的推力输出以及较低的推力脉动。

一种新型九相模块化混合励磁开关磁链直线电机

提出一种新型九相模块化混合励磁开关磁链直线电机(modular-hybrid excited flux switching linear machine,M-HEFSLM),在详细介绍电机的拓扑结构及运行原理基础上,优化了槽/极配合,并深入分析了最佳槽/极配合九相M-HEFSLM的电磁性能,分析结果由3D有限元进行了验证。通过与三相结构的对比,表明该九相M-HEFSLM性能优于三相结构,尤其表现在推力密度与缺相故障时的容错性能上。为了便于电机的安装与拆卸,提出了一种减小空载法向力的方法。可以看出,所提新型九相M-HEFSLM具有推力密度高、容错性能好、磁场可调、结构简单等优点,应用前景良好。

定子混合励磁开关磁链电机调磁能力优化及比较

通过对两种12/10混合励磁开关磁链(HESFPM)电机的比较,研究了不同定子结构混合励磁电机的调磁性能。第一种混合励磁开关磁链电机(HESFPM-1)选择直流励磁绕组来代替部分永磁体,而第二种电机(HESFPM-2)将直流励磁绕组放置在传统的开关磁链电机的定子轭部。HESFPM-2电机的直流励磁绕组槽面积更大,该电机具有更好的弱磁和增磁能力。在电机设计中,HESFPM-2电机的槽面积比具有较宽的范围,因此电机设计更加灵活。比较了两种混合励磁开关磁链电机在不同永磁体长度、宽度以及定子齿宽下,电机的转矩和调磁性能。通过有限元分析和实验样机对HESFPM-2电机的调磁性能进行了验证,结果表明,有限元仿真结果与实验结果有较好的一致性。

混合励磁开关磁链电机转子齿开槽对齿槽转矩的影响研究

针对混合励磁双凸极电机齿槽转矩较高,引起较大的振动和噪声的问题,对在12/10混合励磁开关磁链(HESFPM)电机转子齿顶开设辅助槽的方法进行了研究。介绍了12/10 HESFPM电机的拓扑结构和工作原理,结合12/10 HESFPM电机齿槽转矩的解析表达式,解释了转子齿顶开辅助槽降低齿槽转矩的原因;应用有限元分析方法,研究了辅助槽槽数、槽型、间距、尺寸和励磁电流对齿槽转矩的影响;在对辅助槽结构优化的基础上,比较了应用不同辅助槽结构时12/10 HESFPM电机的齿槽转矩,得到了可以最大程度削弱齿槽转矩的辅助槽结构;最后,研究了辅助槽对空载反电动势和平均转矩的影响。研究结果表明:当每个转子齿顶有2个矩形辅助槽时,12/10 HESFPM电机的齿槽转矩降低了92.32%,而平均转矩仅降低了10.3%。

基于闭环电压反馈的混合励磁电机弱磁控制

为了实现新型混合励磁电机的高速运行,文章提出了一种便于实现的基于相电压反馈的弱磁控制策略。通过电机相电压反馈值和逆变器最大输出电压之间的差值来判断电机弱磁区域的边界。控制算法将电机运行区域分为低速、高速I区和II区3个区域,并给出了在高速区d轴电流、q轴电流和直流励磁电流的具体控制方法,通过对混合励磁电机电枢电流和直流励磁电流的共同调节,实现了混合励磁电机在高转速区域的稳定运行。仿真和实验结果验证了该方法的有效性。

偏心分块转子电机转矩脉动抑制研究

提出一种基于偏心极弧的分块转子结构混合励磁分块转子开关磁链(HESRFSPM)电机。通过比较气隙面积不变条件下的气隙磁密空间谐波幅值,偏心极弧的分块转子结构可以减少2次、4次、10次径向气隙磁密空间谐波幅值。因此,在平均输出转矩不变的条件下,该结构可抑制HESRFSPM电机转矩脉动,降低齿槽转矩。分析了偏心距对HESRFSPM电机齿槽转矩、反电动势谐波以及谐波转矩的影响,得到抑制转矩脉动效果最佳的偏心转子极弧结构,并制作了样机。最后,通过样机实验验证表明,在平均输出转矩不变的条件下,基于偏心极弧的HESRFSPM电机转矩脉动在弱磁、永磁和增磁运行状态下分别降低了5.14%,2.89%,1.42%。