Direct Torque and Adaptive Flux Sensorless Control of Novel Transverse Flux Permanent Magnet Motors

横向磁通永磁电机在开环无刷直流驱动模式下不可避免存在转矩脉动,但可以通过采用直接转矩控制加以改善。首先分析无刷直流驱动中＂花瓣＂状定子磁链轨迹的形成机理,然后针对传统转矩和磁链双闭环直接转矩控制中的定子磁链给定难的问题,提出了无位置传感器磁链自适应直接转矩控制方案。该方案仅利用定子磁链位置和转矩滞环比较器决定电压矢量,并配合换相补偿以修正定、转子磁链夹角与最佳提前换相角之间的偏差以兼顾高转矩电流比和低转矩脉动。仿真和实验结果证实了该方案的有效性和可行性。

Analysis of Torque Ripple of Permanent Magnet Brushless DC Motor

Torque tripple has significant effect on performance of permanent magnet brushless DC motor. This paper presents a mathematical model built for such a motor, the analysis of torque tripple for a brushless DC motor with sinusoidal flux distribution, which is verified by torque tripple experiments run with a test motor, and equations developed for torque tripple resulting from different sator current errors.

Six-step Voltage Control of PM Brushless AC Motors under High Speed Flux-weakening Operation for EV/HEV Applications

The torque-speed characteristics of brushless motor having an interior permanent magnet rotor and a sinusoidal back-emf waveform are compared experimentally when it is operated in brushless AC(BLAC) mode and brushless DC (BLDC) modes with both 2-phase,120° conduction(BLDC-120) and 3-phase,180° conduction(BLDC-180).Particular emphasis is on high-speed,six-step voltage controlled,flux-weakening operation.It is shown that for EV/HEV applications,even for interior PM brushless motors which have sinusoidal back-emf waveforms,in order to achieve maximum torque per ampere capability over wide operation speed range,it is advantageous to employ a hybrid operation mode-BLAC operation in the constant torque region and six-step voltage control(BLDC-180 operation,together with current phase control) in the flux-weakening region.

横向磁通永磁直线电机电磁振动特性分析

横向磁通永磁直线电机的电负荷与磁负荷相互解耦,且各相之间相互解耦,易于实现模块化和多相化,因此在石油开采领域有着良好的应用前景。首先,该文基于磁场调制原理,对横向磁通永磁直线电机的径向电磁力波进行了推导计算,得出对径向电磁力波影响最大的因素为轴向气隙磁通密度分量与径向气隙磁通密度分量,在此基础上对径向电磁力波的时空特性与频谱特性进行仿真计算,得出电枢磁通密度对电机径向电磁力波的频谱特性的影响;然后,考虑到电机实际运行中可能出现的次级偏心问题,揭示偏心度的大小对径向电磁力波幅值的影响,并对比不同偏心度下的电机径向磁拉力与轴向磁拉力,定量分析偏心度对不平衡磁拉力的影响;最后,为避免共振,利用有限元软件对电机的初级进行了模态分析与谐响应分析,结果表明低速状态下横向磁通永磁直线电机的额定运行频率较低,不会引起初级的共振,适合用作往复式潜油电泵的驱动电机。

连续不等齿距削弱横向磁通永磁电机齿槽转矩方法

横向磁通永磁电机的齿槽转矩大,引起的转矩脉动显著,对电机的控制精度产生不利影响。提出一种连续不等齿距法来削弱横向磁通永磁电机的齿槽转矩。该方法将定子齿沿圆周方向分组,每组定子齿数相等,同组内相邻的齿距呈等差数列,导致同组内每个齿的齿槽转矩产生相位偏移,进而削弱齿槽转矩。结合能量法,推导了横向磁通永磁电机齿槽转矩数学表达式,揭示连续不等齿距法削弱齿槽转矩的原理,通过有限元方法验证,连续不等齿距法可以显著削弱横向磁通永磁电机的齿槽转矩。

基于粒子群算法的传感器设计与磁悬浮应用

基于磁悬浮控制系统亟待一种体积更小、成本更低的位移传感器,研究了以电涡流传感器为原理的横向磁通传感器。基于该传感器的工作原理分析,采用粒子群算法设计了传感器的激励线圈与感应线圈参数,简化了横向磁通传感器的设计过程。所研制出的位移传感器灵敏度为7.2 V/mm,线性度为1.7%,可检测范围为±0.5 mm。将该传感器应用在一台磁悬浮永磁同步电机系统中,在电机转速20000 r/min时,高速磁悬浮转子仍保持稳定运行,且无论在稳态还是动态工况下,本文研制的横向磁通传感器均能满足磁悬浮电机位移检测和悬浮控制的要求,达到同类产品的控制效果。

一种新型横向磁通永磁电动机的仿真研究

新能源汽车在我国当前的迅猛发展对其驱动电机技术提出了更高的功率与转矩密度要求。文章在分析了现有横向磁通电机和定子永磁型电机的基础上,提出了一种新型的横向磁通永磁电动机的仿真设计,该电机的永磁体和电枢绕组均在定子上,而转子由若干个简单的C型铁芯对称构成。基于电机的结构分析了该电机的工作原理,推导了电机功率与主要尺寸之间关系式,进而得到了功率和转矩密度表达式,并以1kW样机为例,利用有限元法仿真分析了该电机的永磁磁场分布、磁链变化规律和反电动势波形,分析表明绕组匝链的磁通呈现出双极性变化和反电动势波形近似为正弦,为下一步的优化设计和实际样机制造奠定基础。

双定子盘式横向磁通永磁同步电机的原理分析与转矩脉动抑制

小型化是推动伺服电机技术进步的重要研究方向。通过研究提出具有转矩密度高、空间设计灵活优势的双定子盘盘式横向磁通永磁同步电机,实现电机设计的高度集成化,减小电机驱动系统体积。设计一台额定功率5.4 kW、额定转速3 000 r/min的双定子盘盘式横向磁通永磁同步电机,分析电机的主要电磁性能。为减小电机转矩脉动,提出齿极设计参数优化以及不对称定子盘结构两种手段,进一步研究不对称定子盘结构对电机转子结构强度的影响。实验验证了该电机的可行性以及主要性能参数。

多层绕组盘式横向磁通电机及建模分析

针对低速大转矩用盘式横向磁通电机中存在的C型定子结构不稳定,电机尺寸过大和生产效率低,U型定子和E型定子槽满率低、转矩密度小等问题,提出一种将绕组绕制在U型定子铁心两端的多层绕组盘式横向磁通电机拓扑结构。介绍了电机的结构和原理,并建立该电机基于磁阻的三维等效磁网络模型。在考虑永磁体空间漏磁的情况下,对主磁通进行计算并推导了空载磁链、空载反电动势和主要尺寸的关系。通过与双层绕组盘式横向磁通电机齿槽转矩、转矩密度和功率因数三维有限元结果的对比研究,分析所提出电机结构的优越性和有效性。试制出一台样机并进行空载反电动势的实验测试,通过仿真和实验测试的结果对比,验证该建模分析方法的准确性。性。

稀土永磁电机正进入大发展的新时期

稀土永磁电机作为节能减排、绿色能源及信息化等领域的发展焦点已成为众人研究的对象.针对永磁风力发电机、超高效永磁同步电动机、交流永磁伺服电动机和特种永磁电机等已研究电机进行介绍和分析,列出各自的特点及适用场合,给出其与传统电机的性能对比结果.由于用户对电机性能的要求日益增高,电机结构日益新颖多样,因此,增加了设计及研究的复杂性.通过多耦合系统、多学科知识的整合,永磁电机的性能得到了进一步的优化,并且将会得到更大的发展.

混合铁心横向磁通永磁电机的设计与分析

阐述了横向磁通永磁电机(transverse flux permanent magnet motor,TFPM)的结构特点与软磁复合(soft magnetic composite,SMC)材料的优点,提出硅钢、SMC结合的混合铁心TFPM。为了分析电机转矩及其影响因素,推导了转矩解析公式。基于3D有限元模型,通过静态磁场分析求出了式中永磁体磁链幅值及线圈电感2个变量;通过瞬态磁场分析,得到了电机的空载电动势、空载磁链、一相转矩及其平均值,转矩有限元结果与解析结果一致。样机测得的空载电动势验证了分析的正确性。结果表明,混合铁心TFPM不但结构简单、加工方便,而且转矩密度高、易于模块化。

横向磁通永磁直线电机损耗的研究

针对三维磁场下的横向磁通永磁直线电机定子铁心损耗和永磁体涡流损耗展开研究,首先给出了电机空载时的三维磁场分布图及各点的磁密波形变化规律,分析在匀速运动下速度大小、负载电流大小以及电流超前与滞后控制方式对电机定子铁心损耗的影响;其次给出了横向磁通永磁直线电机三维涡流场的数学模型,通过有限元数值计算分析空载、负载两种情况下涡流损耗随速度的变化规律;最后搭建了电机铁心损耗实验平台,通过样机空载实验与数值计算结果对比,验证铁心损耗数值计算的合理性。

永磁无刷直流电机消除逆变环流的弱磁性能研究

分析了造成永磁无刷直流电机弱磁运行区间过窄的一个关键因素——逆变电路环流;提出了一种新型驱动拓扑电路,此新型电路结构在传统三相逆变桥的基础上,在每个半桥臂下方反向串联一个相同的功率器件,同步控制其通断,达到消除逆变环流的效果。通过与传统逆变电路拓扑的对比,分析了此新型电路拓扑消除环流的原理,并对传统驱动拓扑电路和新型驱动拓扑电路进行了对比实验研究。结果表明,此拓扑电路消除了环流,进而消除了弱磁区间环流引起的负转矩。实验中永磁无刷直流电机的弱磁调速比从传统电路的1.22增大到2.58,有效地扩展了永磁无刷直流电机的弱磁调速范围。

一种车用双极性横向磁通永磁电动机

针对当前横向磁通永磁电机绕组磁链单极性影响电机出力进一步提高的问题,提出一种实现磁链双极性的横向磁通永磁电动机。该电机采用外转子型,电枢绕组和永磁体都位于定子上,磁通路径分析表明绕组匝链的磁通为双极性。基于电动机的基本结构和工作原理,依据电机设计理论推导出了电动机功率与尺寸之间关系式,采用有限元计算分析了电机主要尺寸对永磁磁链的影响。以此为依据确定了一台三相600 W样机的尺寸,利用有限元法对静态特性和瞬态特性进行了仿真计算,包括空载时电机磁场分布和绕组反电势,为了验证理论分析的正确性,最后对制作的600 W样机进行了实验验证,实验结果与理论分析具有很好的一致性。

轮缘驱动式姿控飞轮电机设计

为了提高小卫星用姿控飞轮的转动惯量/质量比,实现飞轮调姿系统的轻量化,设计了一种飞轮用永磁无刷直流电机.根据电机磁路,推导了磁钢尺寸与最大磁能积的关系;采用有限元法分析了磁路参数对飞轮性能的影响;针对飞轮电机大气隙、大径长比的结构特点,给出了气隙磁通密度的计算方法;建立了绕组参数与电机额定数据间的关系;仿真分析了电机性能.通过对一台最高转速为6 000r/min、角动量为5Nms的飞轮电机样机进行实验验证,得出最大设计误差为6.5%,证明了设计方法的正确性.

双向交链横向磁通平板型永磁直线同步电机的设计与分析

提出了一种双向交链横向磁通平板型永磁直线同步电机,它比传统横向磁通永磁电机具有更高的初级空间利用率,能够充分利用次级永磁体,提高电机的空载感应电动势。文章介绍了这种电机的结构和原理,给出了电磁设计方法,同时采用三维有限元方法优化了电机的结构尺寸。研制了一台实验样机,并进行了空载感应电动势、静态推力的测试实验,理论计算与实验结果基本吻合,验证了理论分析的有效性和电机设计的合理性。

横向磁通永磁电机的三维电磁场分析

横向磁通永磁电机转矩密度远高于普通结构电机,但结构较复杂,内部磁场呈三维分布.为弄清横向磁通电机内部磁场的分布及优化设计规律,需采用三维有限元的分析方法.通过采用ANSYS软件进行分析,并用ANSYS的APDL语言进行二次开发编程,对一种三相分布在同一个圆周上的永磁体内置式横向磁通永磁电机进行了三维电磁场分析,对该电机不符合周期条件的三维电磁场求解区域在工程设计允许范围内进行了简化处理,在电磁场分析计算的基础上,给出了电机参数计算方法,并给出了在此基础上的数学模型,对横向磁通永磁电机的空载及负载电磁场进行了计算,给出了空载反电动势和电抗的计算方法,最后,通过与样机测试结果的对照研究,验证和完善分析方法.

横向磁场永磁直线电机连续往复运行时温度场计算与分析

根据横向磁场永磁直线电机在直线运动系统中的具体应用,对连续往复运行工况下电机的温升特性进行了研究。在综合考虑电机结构和运行状态特殊性的基础上,首先,建立横向磁场永磁直线电机包含机壳端盖在内且计及电枢绕组三维结构的温度场计算模型;其次,应用传热学理论,在考虑电机热源、工作状态和电机各部分热交换等因素的前提下,给出电机中材料的热传导系数、比热容以及各个表面散热系数的确定方法,同时,给出动子表面的散热系数、气隙间动子外表面和定子内表面的散热系数随速度的变化规律;最后,计算电机在连续往复运行工况下的瞬态温度场,并通过样机实验对温度场的计算结果进行了验证。

新型横向磁通永磁电机三维磁路分析

应用磁通管理论对一种新型横向磁通永磁电机定子铁心进行了漏磁阻计算,并针对该电机转子无铁磁材料的特点,提出一种转子永磁体空间磁阻计算方法。应用上述方法,分别对该电机一对极空载磁场和电枢反应磁场进行了3D磁路建模。分别采用磁路分析模型和3D有限元分析对多组结构参数进行了计算对比,并应用样机实验数据对所提模型进行了验证。以上结果均证实了该模型的正确性。

新型小功率平板式TFPM设计研究

针对传统横向磁场永磁电机(TFPM)制造工艺要求高、转矩脉动大的缺点,笔者提出了一种新型小功率四相平板式TFPM结构。采用SolidWorks软件为该结构电机建立了三维模型,对其"力-位移"特性进行了研究,在Ansys环境下进行电磁场有限元分析,设计出一台样机,并完成了初步测试。实验结果表明,新型TFPM简化了拓扑结构,降低了工艺要求,较好地抑制了转矩脉动,整个系统工作稳定。这种新型TFPM具有较高的实用性与创新性。