充磁导致的超高速永磁同步电机不平衡磁拉力

转子永磁体充磁角度偏差导致的不平衡磁拉力对微型燃气轮机发电系统用超高速永磁同步电机的安全稳定运行有很大的影响.采用有限元数值分析方法,分别在不考虑转子偏心和考虑转子偏心的情况下,对由充磁角度偏差导致的超高速永磁同步电机不平衡磁拉力进行了计算和分析;将不平衡磁拉力的计算结果作为载荷,获得了超高速永磁同步电机空气轴承-转子系统的固有频率及振动特性.研究结果表明:转子系统在740Hz附近发生共振,共振幅值随着转子磁芯充磁偏差角度的增大而增大;要保证转子系统安全可靠的工作,需要将磁芯的充磁角度偏差限制在5°以内.

一种基于电流源逆变驱动的超高速永磁同步电机改进型控制策略

针对传统电流源逆变器(current source inverter,CSI)超高速电机驱动系统存在的控制对象阶次高、电流调节器设计困难问题,提出基于混合型两级式CSI的改进型控制策略。其基本思想为:前级引入宽禁带(wide band gap,WBG)器件高频调节定子电流幅值;后级采用普通硅器件调节定子电流相位。在此基础上,为实现最大转矩电流比控制,提出单电流传感器锁相环(phase-locked loop,PLL)方案,通过对转子位置信号与相电流锁相实现电流相位自动校正。混合型CSI前后级通过该改进控制策略进行协同控制,从而实现闭环系统降阶。同时考虑到混合型CSI在超高基频运行条件下控制延迟的实际问题,进一步完善电流控制环路模型,并与CSI传统拓扑及其控制策略下的电流环稳定性及动态性能进行深入分析与对比。最后研制一套混合型CSI驱动平台,并以一台(550000r/min)/110W的超高速永磁同步电机(ultra-high-speed permanent magnet synchronous motor,UHSPMSM)为对象进行仿真及实验验证,结果表明混合型驱动拓扑及改进型策略具备更高的稳定裕度与动态性能。

基于特征模型的超高速永磁同步电机矢量控制设计

超高速永磁同步电机因其具有转速高、功率密度大等优点,被广泛应用于工业、国防、能源等领域。但是本身的物理模型存在较多非线性因素,很难对其建立起精确模型。针对常规建模方式所建模型过于复杂的问题,采用特征建模的思想,对超高速磁同步电机矢量控制系统进行特征建模,仿真结果表明特征模型是有效的。

基于软磁复合材料的超高速永磁同步电机电磁设计分析

软磁复合(SMC)材料因其材料特性及微观结构特点,具有涡流损耗系数低、各向同性等优点,适用于超高速永磁同步电机(PMSM)设计,可以有效降低电机铁耗。以1台额定转速4000 r/min、额定频率533.33 Hz的PMSM为例,从电磁特性、铁耗分析计算等角度对SMC材料及硅钢片进行对比分析及有限元仿真计算,通过样机试验验证SMC材料分析结果的有效性。利用该分析方法,以1台采用SMC材料的120000 r/min的超高速PMSM为例,对比分析不同极槽配合对电磁性能的影响,对SMC材料应用于超高速PMSM提供一定的指导。

超高速永磁同步电机振动噪声分析

超高速永磁同步电机(PMSM)具有转速高、径向力波阶数低等特点,但定子易共振引发较大噪声。以1台超高速PMSM为例,依据电机实际尺寸,建立了电机电磁场模型和定子结构的3D模态模型。采用有限元法对该电机的径向电磁力进行仿真,分析了引起电机振动的主要电磁力谐波次数,确认了电机电磁噪声的主要来源。最后,通过ANSYS声场的声压级云图研究了超高速PMSM的电磁噪声特性。

超高速永磁同步电机转子护套设计分析及优化

超高速永磁同步电机(PMSM)转速较高,永磁体抗拉强度相对较小,需要在转子永磁体外设置护套并通过过盈配合使永磁体上产生径向压应力,抵消转子高速旋转时所产生的离心力,对永磁体进行保护。提出了一种超高速PMSM转子不导磁合金护套厚度及过盈量计算分析方法。以1台120000 r/min超高速PMSM为例,运用有限元法进行温度场及转子静力学耦合仿真分析,对数值法进行验证,并通过优化设计,使电机转子在满足结构强度要求的情况下,合理计算护套的厚度及过盈量,有效降低转子护套的厚度,从而减小转子铁耗,为超高速电机转子设计提供参考。

基于多物理场的超高速永磁电机冷却系统设计及分析

为了解决超高速永磁电机转子散热困难的问题,提出一种有效提高转子散热能力的散热结构。首先,采用计算流体动力学(CFD)仿真方法计算一台15 kW、15000 r/min水冷高速永磁电机的温升,将计算值与试验测得的数值进行对比,证明了CFD仿真方法的有效性。其次,通过孤立翼型法针对一台10 kW、100000 r/min表贴式超高速永磁电机设计了同轴轴流风扇,采用流体场与温度场耦合的方法仿真分析了风扇叶片数量和叶片安装角对电机温升的影响,从而得到风扇叶片的最优参数,抑制转子温升的同时降低风扇的风摩损耗。最后,通过仿真分析对比自扇冷却与强迫风冷的冷却效果,结果显示风量相当的情况下自扇冷却的永磁体温升相对于强迫风冷降低了13.8 K左右。经过应力场分析,风扇符合安全运行要求。