基于时步有限元法的永磁无刷直流电机特性仿真

采用时步有限元法对永磁无刷直流电机进行建模并进行仿真。由于在仿真计算过程中考虑到了铁心饱和、电枢反应、涡流、转子位置以及非正弦供电带来的谐波影响等传统方法不能充分考虑的问题,使得仿真结果与实际计算结果非常吻合,从而验证了时步有限元法在电机特性仿真中更具有优越性。

基于时步有限元法的多相无刷直流电动机特性仿真

提出一种适用于多相永磁无刷直流电动机的场路耦合运动时步有限元分析方法,给出了控制电路与电磁场方程耦合的时步有限元单元分析方法,采用插值运动边界法解决转子运动问题,并且应用上述模型对一台多相无刷直流电动机进行了仿真分析。仿真结果和实测波形吻合,实验结果验证了计算方法的正确性。

瞬态运动电磁问题的时步有限元方法研究

从处理瞬态运动电磁问题的基本方法出发,对已有的研究方法进行了总结。通过引入流体动力学中的概念,将处理电磁运动问题方法分为欧拉描述和拉格朗日描述,推导了两者之间的关系。给出了两种描述下的涡流场控制方程,指出了速度项对涡流项的影响。验证了拉格朗日描述下,转子运动后对其刚度矩阵的影响。由于欧拉描述和拉格朗日描述存在各自的缺点,采用欧拉描述和拉格朗日描述相结合的时步有限元法来处理含运动导体的涡流问题。以一台三相异步感应电机为例,分析其空载起动过程。通过计算得到定子三相电流、电磁转矩、电机转速随时间的变化关系,很好地验证了该方法在处理此类运动问题的有效性。

自起动稀土永磁电机断相运行时步有限元分析

为了研究自起动稀土永磁电动机断相后的运行特性,建立了断相运行的场—路—运动直接耦合时步有限元模型。以一台22 kW永磁电机为例,分析了其在30%和50%额定负载下断相前后的定子电流、转矩波动及损耗情况。计算结果表明,在负载转矩保持不变的条件下,断相后定子电流接近断相前的2倍,转矩发生大幅度波动,而总损耗分别增加32%和84%。因此,从减小损耗与转矩波动两方面考虑,自起动稀土永磁电机即使轻载工况下也应尽量避免断相运行。实测数据验证了计算结果的正确性。

永磁电机动态退磁的时步有限元计算

针对永磁电机瞬态运行时可能出现永磁(PM)材料不可逆退磁的问题,提出了一种利用PM实际磁化曲线建立其非线性退磁模型的永磁电机瞬态运行仿真的时步有限元方法.在电机磁场方程的求解中,给出了适用于各向异性材料的任何单元类型和任何单元个数的雅克比矩阵表示方法,并推导了以空间矢量矩阵表示的牛顿-拉斐逊公式和能实现非线性迭代计算的时步有限元公式.利用该时步有限元方法对一台永磁电机一相突然短路的动态过程进行了仿真计算,计算结果正确显示了PM材料的动态退磁过程.

求解时步有限元系统方程的改进非线性算法

针对在利用向后欧拉法求解时步有限元系统方程的非线性迭代中存在的数值误差使有限元后处理物理量的结果中出现很大噪声尖峰的问题,提出了一种能控制离散变量数值误差和后处理物理量噪声尖峰的改进算法。首先对电磁设备瞬态运行时步有限元系统方程的矩阵形式进行变形处理,推导了系统方程的新系数矩阵和非线性迭代的递归公式,以及非线性迭代误差估计的计算公式。然后,将改进的算法用于仿真计算一台感应电动机瞬态运行的反电动势和涡流损耗,对两种算法计算结果的对比分析,显示改进算法能显著地消除反电动势和涡流损耗中的噪声尖峰信号。

基于分布式发电的单相双凸极直流发电机原理和时步有限元分析

分布式发电(DG)是指在公共电力系统中的关键部位或在用电负载处使用小型发电机(组)供电的模式,合理发展分布式供电有利于节约能源和保护环境。文章提出单相双凸极直流发电机作为小型清洁能源分布式直流电源系统的主发电机,其结构简单、功率重量比高、转速高,可以起到简化系统、降低成本、提高可靠性的作用。首先介绍了该型电机的原理和构成方法,然后运用时步有限元法对发电机进行电磁计算,分析、比较了电励磁、永磁单相4极/6极(定子极数/转子极数)双凸极直流发电机和三相电励磁6极/4极双凸极直流发电机的外特性和功率曲线,以及电励磁单相4极/6极双凸极直流发电机的3种发电方式的外特性和功率曲线,最后分析并仿真验证了减小输出电压脉动的方法。

复合磁路三相定子混合励磁双凸极直流发电机及其时步有限元分析

复合磁路三相定子混合励磁双凸极直流发电机的励磁线包和永磁体在与转轴正交的同一剖面上,电励磁磁通和永磁磁通复用电机磁路具有励磁功率小、励磁调节范围可按要求设计、可以实现单输出或双路输出的特点。文章介绍了该型电机的典型结构,使用时步有限元法分析其工作模态,基于场分析结果提取电感特性,计算比较空载特性、外特性,仿真计算了双路输出的开环调整率。分析结果表明,该电机既能作为独立供电系统的无刷直流发电机,又能并网发电,特别适于航空和其他野外作业场合高速发电机用,并实现起动/发电一体化,应用前景广泛。

基于定子电流法的绕线转子无刷双馈发电机偏心故障研究

绕线转子无刷双馈电机在船舶轴带发电以及风力发电等领域中具有良好的应用前景。转子偏心是一种常见的机械故障,威胁着现代化工业体系的稳定运转,因此实现其状态检测和故障诊断非常关键。由于无刷双馈电机具有特殊的定、转子绕组结构以及复杂的气隙磁场,因此传统的故障检测方法无法直接用于该类电机。该文通过定子电流法提取了功率绕组电流的特征频率分量作为故障指标,实现对静偏心、动偏心以及混合偏心的无创诊断。建立故障电机的时步有限元模型,并通过详细的故障机理分析,得出不同类型的偏心故障可能导致的特征频率信号。最后,以一台2/4对极无刷双馈电机为例,并通过有限元仿真、样机试验验证解析法的结论,为绕线转子无刷双馈电机偏心故障的精准检测提供了理论依据。

新型外转子磁齿轮复合电机的设计与研究

提出一种新型外转子磁齿轮复合电机,该电机将磁齿轮和无刷直流电机进行整合,电机的外转子和磁齿轮的内转子共同构成复合电机的内转子,实现了低速大转矩的直接驱动方式,同时充分利用了磁齿轮的内部空间,从而提高了整个传动系统的效率。采用时步有限元法对复合电机的磁场进行分析,充分考虑了谐波磁场的相互耦合问题,并得出复合电机的相关动态特性。这些特性揭示了复合电机非常适合与低速大转矩的直接驱动场合,但是不适合于对舒适度和位置精度要求较高的场合。制造了一台1200W原型机,并对原型机进行试验,验证了电磁理论分析结果的正确性。

自起动永磁同步电机起动过程退磁磁场的计算与分析

自起动永磁电机起动过程中的退磁磁场可能导致永磁体的不可逆退磁。为分析退磁磁场产生的原因,建立了计及饱和、涡流等多种因素影响的自起动永磁同步电机起动过程退磁磁场的时步有限元模型,并分项计算了永磁体作用、鼠笼异步电机效应及变频永磁发电机效应的影响。计算结果表明,重载起动时,从低速开始,永磁体内就出现波动变化的退磁磁场,并在接近同步速时退磁效应最明显;而空载起动时,退磁磁场仅波动一次,并在0.5倍同步速附近出现较强的退磁效应。由理论分析可知,在转速较低时,永磁体就存在退磁效应,其磁密呈波动变化的根本原因在于鼠笼异步电机效应与变频发电机效应的共同作用。算例计算结果验证了理论分析的正确性。最后通过实验验证了所提有限元计算方法的有效性。

时间谐波对永磁同步电机损耗的影响规律

为了减小永磁同步电机中由电流时间谐波引起的损耗,以一台4.2k W、8极表面式永磁电机为例,采用时步有限元法,分析了空载变频器供电时电机各部位附加损耗的分布规律;研究了不同变频器参数(包括调制比a和开关频率fc)、气隙长度δ和转子磁路结构(包括内置式和表面式)时电机各部位附加损耗的变化规律;最后,对三台样机进行实验,以验证不同变频器参数对附加损耗的影响规律。结果显示:变频器供电时,附加损耗主要集中在永磁体上,定子铁心其次,转子铁心比重最小;fc<3k Hz时,每增加1k Hz,附加损耗平均降低20.7%,fc>3k Hz时,每增加1k Hz,附加损耗平均降低6.5%;a每增加0.1,附加损耗平均降低18.7%;δ每增加0.1mm,附加损耗平均降低5.4%;内置式结构转子铁心附加损耗比重比表面式大,而永磁体附加损耗比重较小。

自起动永磁同步电机起动过程电枢反应退磁分析

为了研究自起动永磁同步电机起动过程中电枢反应引起的永磁体退磁,采用场-路-运动耦合的时步有限元法,分析了自起动永磁同步电机起动过程中,电枢同步旋转磁场和转子永磁磁场的相对空间位置角δ与电枢电流幅值对永磁体工作点磁密的影响,得到了不同负载条件下的电枢反应退磁特点。结果表明:当相对位置角δ=π时,电枢磁场对永磁磁场的去磁作用较大,永磁体平均工作点磁密较低,且负载系数越大,永磁体经历δ=π时刻的次数越多,永磁体磁密多次出现较低点,永磁体退磁几率变大;起动过程中随着转速升高,电枢电流幅值减小,在接近同步速的δ=π时刻,永磁体磁密出现最低点,电枢反应退磁较严重。

400Hz高速磁力泵永磁联轴器磁场特性分析

鉴于包含运动边界磁场难处理的问题,为精确获得内外磁转子同步旋转隔离套静止其中时的磁场特性,应用Maxwell软件基于时步有限元法对400Hz高速磁力泵永磁联轴器进行了二维有限元瞬态计算。分析了稳态转速下的磁场分布特性,得到了不同转速及磁转角下的磁力线和涡流密度分布,给出了转矩和涡流损耗随转速、磁转角变化的关系。结果表明,内外轴式永磁联轴器输出转矩基本恒定,当转速为7800r/min,磁转角为7.5°时的波动幅值仅为平均值的0.81%;转矩不随转速变化,而随磁转角基本呈正弦变化。涡流损耗随转速增大而增大,随磁转角增大而减小;磁转角7.5°时,n=7800r/min涡流损耗为n=750r/min涡流损耗的108倍。由于隔离套涡流损耗产生的附加磁场的作用,内外磁转子气隙不同半径处的磁感应强度有所差别;相同磁转角下,R=38.1mm处周向磁密幅值均大于R=36.55mm处,且其周向磁密向磁转子转动方向偏移,而R=37.4mm处的周向磁密向磁转子转动的反向偏移。

基于田口法的永磁发电机气隙磁通密度优化

为了减小气隙磁场中谐波含量过高对永磁发电机性能造成的不利影响,结合Taguchi方法和时步有限元法对内置"V"型转子磁路结构的永磁电机进行优化设计。首先,以永磁电机的4个结构参数为优化变量,2种电机特性为约束条件,对采用非均匀气隙结构的永磁电机的转子结构进行多目标多变量优化,得到了最优空载下非均匀气隙磁通密度波形时的转子结构;然后通过对比优化前后的气隙磁通密度谐波含量,验证Taguchi方法优化结果的优越性和正确性;最后,运用时步有限元方法计算得到了考虑定子斜槽的电动势波形,进一步验证了该文气隙磁通密度优化的有效性。

利用不均匀气隙优化自起动永磁电机的气隙磁密波形

为了减小空载气隙磁场中谐波磁场对电机性能的影响,对内置"V"型转子磁路结构自起动永磁同步电动机的转子磁极形状进行了优化。采用不均匀气隙结构,以有限元为工具并利用遗传算法对空载气隙磁密波形进行了优化,使其中的谐波含量较小,得出了转子磁极的最优偏心距。在此基础上采用时步有限元方法,在考虑定子开槽、斜槽结构并计及饱和的情况下,对优化前后电机的电动势波形进行了分析对比,并通过试验验证了所采用的时步有限元计算程序的有效性。有限元计算结果表明,通过优化偏心的不均匀气隙设计,电机的空载气隙磁密和电动势波形得到了明显改善。

直流电机换向火花的数值分析

本文根据直流电机换向理论 ,给出了一种分析直流电机换向火花的方法。这种方法的基础是电机换向过程暂态电磁场的时步有限元法计算 ,其重点是采用磁场迭代法计算出实际的附加换向电流。通过直流电机火花因数的计算 。

超高压发电机短路特性和参数计算

超高压发电机是一种不需要升压变压器可直接与电网相连的结构全新的发电机。本文采用场路耦合时步有限元方法对超高压发电机的对称和非对称空载短路瞬态过程进行仿真分析。给出超高压发电机三相短路和两相短路时电枢电流的最大值。根据IEEE-115-2002标准,由空载三相和两相突然短路的电枢电流曲线计算了瞬变电抗、超瞬变电抗和时间常数及负序电抗。

异步起动永磁电机最大去磁工作点计算新方法及抗退磁新结构

异步起动永磁同步电机(LSPMSM)最大去磁工作点发生在起动过程中,采用传统磁路分析法未考虑电机内瞬态磁场分布情况。提出最大去磁工作点计算新方法,可准确计及饱和、集肤效应等多种非线性因素。该方法一方面基于场-路-运动耦合时步有限元模型仿真实际起动状况,确定起动过程中最容易发生去磁的永磁体局部单元位置,并将该单元作为考核单元,揭示瞬态退磁磁场与转速之间的关系;另一方面通过给定转子转速的时步有限元模型计算堵转到同步速一系列转速下稳态运行时的退磁磁场,最终得到同步速退磁磁场作用下永磁体考核单元位置的工作点,即为LSPMSM设计校核用的最大去磁工作点。在此基础上,针对一台22 k W样机进行抗退磁能力分析,并提出一种有效提高电机抗退磁能力的复合材料转子新结构。最后通过设计磁场实时测量系统得到某台实验电机起动过程中永磁体工作点,验证了所提方法的有效性。

基于JMAG的开关磁阻电动机场路直接耦合分析

介绍了电磁场有限元分析软件JMAG的基本原理和功能特点。基于JMAG软件强大的耦合分析功能和二维瞬态场分析功能,对开关磁阻电机进行基于二维瞬态场的直接场路耦合时步有限元分析。该方法考虑电动机磁场饱和以及若干相同时激励时相间互感所带来的影响,提高了仿真精度。通过仿真和实验的对比,证明了该方法的正确性。