The Multi-Objective Optimization of AFPM Generators with Double-Sided Internal Stator Structures for Vertical Axis Wind Turbines

The axial flux permanent magnet(AFPM)generator with double-sided internal stator structure is highly suitable for vertical axis wind turbines due to its high power density.The performance of the AFPM generator with double-sided internal stator structure can be improved by the reasonable design of electromagnetic parameters.To further improve the overall performance of the AFPM generator with double-sided internal stator structure,multivariable(coil widthω_(c),permanent magnet thickness h,pole arc coefficient α_(p) and working air gap l_(g))and multi-objective(generator efficiencyη,total harmonic distortion of the voltage THD and induced electromotive force amplitude EMF)functional relationships are innovatively established.Orthogonal analysis,mean analysis and variance analysis are performed on the influence parameters by combining the Taguchi method and response surface methodology to study the influence degrees of each influence parameter on the optimization objectives to determine the most appropriate electromagnetic parameters.The optimization results are verified by 3D finite element analysis.The optimized APFM generator with double-sided internal stator structure exhibits superior economy,stronger magnetic density,higher efficiency and improved power quality.

永磁轴承结构综述

与传统轴承相比,永磁轴承具有无摩擦磨损、高转速等优点,其低损耗和无环境污染等特点也十分契合“低碳环保”的时代主题,因此在一些高速和精度较高的场合下得到广泛应用。首先,根据支承方式,对径向、轴向以及堆叠结构永磁轴承的结构形式进行了介绍,通过永磁环产生的吸力或斥力分析了各类永磁轴承的工作原理;其次,介绍了磁路法、有限元法等永磁轴承磁力计算方法并详细阐述了等效磁荷法的求解过程;然后,对永磁轴承实际应用中结构参数的选择进行了讨论并介绍了永磁轴承在储能飞轮、风力发电机、人工心脏泵以及其他机械领域的应用现状;最后,从实际应用、生产制造等方面对永磁轴承的发展进行展望。

磁场-结构场双向耦合作用对变压器绕组轴向振动过程的影响

变压器绕组振动过程中电磁力与绕组位移之间存在双向耦合作用。该文首先分别给出了考虑磁场-结构场双向耦合作用和单向耦合作用的轴向振动计算模型。其次,结合变压器绕组轴向失稳事故给出了轴向振动过程中影响绕组失稳的特征参量,并以这些振动参量的变化为基础建立了双向耦合作用的评价指标。最后,针对某典型110 kV变压器,计算获得了考虑有无双向耦合作用时变压器绕组轴向振动过程,并获得了各线饼振动参量最大值的变化曲线。结果表明,由于磁场-结构场的双向耦合作用,线饼振动强度变大1.1~1.55倍,中部线饼电磁力最大值变大3.5倍。同时,中部线饼电磁力最大值的出现时间不是在第1个峰值处,而是后移至第2个峰或第3个峰。因此,考虑磁场与结构场双向耦合作用可全面有效分析绕组振动动态过程,避免薄弱点漏判。所得研究成果可为变压器抗短路能力动态评估提供参考。

轴向磁轴承电磁参数的计算

介绍了电磁主动控制型磁浮轴承的原理和结构，对其中的轴向磁轴承的结构和电磁参数设计方法进行了分析，给出了计算实例。

基于磁——结构耦合场的变压器绕组形变分析

在短路电流作用下,变压器绕组受到电磁力发生形变,严重时会直接造成变压器损坏,影响系统安全运行。文中以有限元方法为研究基础,利用有限元软件建立变压器磁—结构耦合模型,实现变压器电磁场和结构场的仿真,进行绕组形变分析,对比现场频响分析法、短路阻抗法及绕组电容量法试验结果,验证了仿真模型的正确性,为变压器绕组形变检测与分析提供一种可靠的方法。

轴向磁通飞轮电机印刷电路板定子绕组设计

针对卫星姿态控制用反作用飞轮小型化的要求,设计了采用印刷电路板(PCB)定子绕组形式的轴向磁通反作用飞轮系统,并研究了PCB定子绕组的布线形式。根据系统设计方案和工艺的要求,采用理论分析与有限元仿真相结合的方法,研究了螺旋形绕组的反向转矩产生机理,对比分析了螺旋形和波形PCB定子绕组对飞轮驱动电机性能的影响,并分别对采用两种形式定子绕组的飞轮样机进行了地面性能测试。试验结果表明,飞轮工作在额定转速5 000r/min时,采用波形定子绕组比采用螺旋形定子绕组时的电机功耗降低了26.2%,电磁效率降低了0.8%。试验结果验证了理论分析与仿真结果的正确性,为PCB定子绕组型轴向磁通永磁电机的工程化应用提供了参考。

轴向绕组磁路结构磁流变液阻尼器设计

给出轴向绕组磁路结构磁流变阻尼器的设计方法,通过判定线圈横截面积与线圈槽横截面积相等,将阻尼器结构设计与磁路设计联系起来,设计出结构合理紧凑的阻尼器。然后采用ANSYS软件对磁路结构进行电磁场有限元分析,分析表明阻尼器结构设计满足要求,轴向绕组磁路结构改善了阻尼间隙通道磁场分布。

轴向绕组磁流变液阻尼器的磁场特性分析

运用ANSYS有限元分析软件,针对轴向绕组结构的磁流变液阻尼器,建立电磁场有限元计算模型,分析阻尼间隙通道的磁场特性,并建立径向线圈磁路结构的电磁场有限元模型,分析径向结构的阻尼间隙通道的磁场分布特性,对比有限元理论分析得出轴向绕组结构能在阻尼间隙通道产生近似平行平板磁场特性的均匀磁场。然后对轴向绕组结构在阻尼间隙通道产生的磁场进行测试,试验得出轴向绕组结构的阻尼器间隙通道磁场特性优良,更有利于磁流变效应;试验结果与理论分析基本一致,有限元分析方法为轴向绕组阻尼器的理论研究提供了方法参考。

汽轮发电机定子绕组并联结构对电感计算的影响

大型汽轮发电机定子绕组通常为双层短距分布,并联支路数常大于1,基于这一事实,以并联支路数为2的300 MW汽轮发电机为对象,给出了相绕组及其两并联支路绕组的自感计算方法和有限元计算结果。以四方铁心上两个线圈并联为例,研究了相绕组的自感和其两并联支路线圈自感间的关系,并从磁路计算角度和电路角度两个方面对其进行了证明,指出有2条支路并联而成的相绕组的自感等于其中任一条支路的自感,而且有2条支路并联相绕组与其他绕组之间的互感之间也有相同的关系。

短路电动力作用下变压器低压绕组变形研究

电力变压器短路时会产生巨大的短路电动力,当短路电动力过大时会导致变压器绕组变形。为研究三相三绕组变压器短路时的电动力分布和绕组变形情况,本文以一台50MV·A/110kV的三相三绕组变压器为例,计算变压器发生短路时的短路电流,将该短路电流作为激励,通过有限元软件计算绕组的短路电动力,采用磁-结构耦合的方式计算在最大短路电动力作用下的绕组变形和应力分布。结果表明,短路时低压绕组受到向内压缩的辐向电动力和向中间压缩的轴向电动力,绕组中间部分受到的短路电动力大于两端,导致绕组中部的变形程度大于两端。研究结果对研究变压器绕组变形具有一定实际意义。

PCB定子无铁心盘式电机分布式绕组的对比分析

针对印制电路板(PCB)定子绕组的特点,以PCB定子无铁心盘式电机的输出功率最大化作为目标,设计一种应用于PCB定子无铁心盘式电机的分布式绕组,并将这种绕组与传统的螺旋形绕组进行对比分析。首先建立PCB定子盘式电机的三维解析模型,给出所设计的分布式PCB绕组的结构及特点,推导出电机的反电动势及绕组损耗等解析式。然后采用有限元法对应用两种绕组的PCB定子无铁心盘式电机进行仿真分析,对比采用两种绕组对PCB定子无铁心盘式电机多方面的性能影响。结果表明分布式绕组的应用使PCB定子电机获得更高的输出功率,同时减小了电机的绕组损耗,也为PCB定子无铁心盘式电机的设计提供一定的参考依据和实际工程价值。

PCB盘式风力发电机分布式绕组优化

本文针对小型风力发电系统的印制电路板(PCB)盘式永磁发电机,以提高发电机的输出特性为目标,基于传统PCB分布式绕组型式提出了不等宽分布式PCB绕组,并进行了优化设计。首先建立了PCB绕组盘式电机的电动势和绕组损耗等数学模型,并采用有限元法对优化前后两种绕组型式发电机的绕组电阻、绕组损耗、温升及输出特性进行了计算和对比。分析结果表明,采用优化后不等宽分布式PCB绕组的发电机输出特性得到了明显提升;同时绕组电阻、绕组损耗及温升也相应降低。最后,本文制造了一台采用不等宽分布式PCB绕组的盘式风力发电机并搭建了实验平台,通过样机实验验证了有限元分析模型的正确性及不等宽分布式PCB绕组在盘式发电机中应用的优势。

定子永磁–轴向旋转变压器的奇数极设计方法研究

新型定子永磁–变磁阻式旋转变压器在继承传统变磁阻式旋转变压器简单坚固转子结构的同时,可突破高频激励带来的限制。该文利用轴向磁场技术扩展定子永磁–变磁阻式旋转变压器的范畴,设计一种轴向无槽结构的奇数极旋转变压器,其结构紧凑,且叶形转子使传感器附加惯性减小,更适合高速应用场合。针对中高速和全速度2种应用场景,该文给出2种印刷电路板绕组设计方案,并基于磁场调制理论展开分析。通过有限元仿真和样机实验进行分析、比较,验证了所提方案的正确性。

变压器短路阻抗在线监测的场路耦合法仿真及试验

目前变压器短路阻抗在线监测的研究主要基于电路等效的理论推导,所采用电路模型仿真无法模拟变压器发生绕组变形时磁场的变化。为了给变压器短路阻抗在线监测装置的开发提供更加精细的仿真与实际运行数据支持,设计了绕组可轴向活动的单相双绕组油浸式变压器。根据变压器的实际参数对其进行"磁场-电路"耦合法仿真,研究计算变压器正常运行与绕组发生轴向位移情况下短路阻抗的大小,并开展相应的试验对仿真结果进行验证。得到的试验结果与仿真结果一致,表明该仿真方法能够正确仿真变压器在线运行情况;并且结果显示,当绕组发生轴向位移时短路阻抗增加。

端部出线变压器调压绕组布置方式分析

本文中作者介绍了端部出线变压器调压绕组两种布置方式,并在漏磁场、轴向短路力、工艺性和经济性方面进行了对比分析。

基于偏置/控制磁场比例约束的单边混合型轴向磁轴承设计

立式电机通常利用混合型轴向磁悬浮轴承对轴向进行卸载和悬浮控制,由于混合型轴向磁轴承中永磁体与控制绕组的结构分布影响其悬浮控制性能,因此需要从偏置和控制磁场的角度对其进行结构设计。分析了一种用于立式电机的新型单边混合型轴向磁悬浮轴承的结构和工作原理,并从电磁场理论计算出发,借鉴电机设计方法,提出了一种以偏置磁场与控制磁场的磁场比为约束条件,动静态承载荷、悬浮刚度为目标进行参数设计。最后通过Maxwell有限元仿真验证了参数设计方法的合理性与有效性。

高效率轴向磁场永磁同步发电机节能技术研究

提出了一种高效率轴向磁场永磁同步发电机结构。分析了其运行原理,并进行了电磁设计与仿真计算。对磁极形状进行了优化设计,得到了正弦度高的相反电势和负载相电流波形,并从多方面研究轴向磁场永磁同步发电机的节能技术,着重研究了减小电机铁心损耗技术,提高了电机的效率。并设计制造了样机,试验结果验证了文中提出的节能技术正确可行。