混合励磁式电涡流制退机电磁场与阻力特性分析

电涡流制退机具有无液体泄漏、无需密封、阻力稳定的优势。与目前应用较多的永磁式电涡流制退机相比,混合励磁式电涡流制退机采用线圈替代了一部分永磁体,对阻力特性的调节效果更好。对比了混合励磁式电涡流制退机2种可能的结构形式,然后根据磁路分析与初步计算选择出具有更好阻力性能的结构。针对该结构,利用等效磁路法计算气隙磁场,采用子域模型考虑感生涡流影响,建立了求解混合励磁式电涡流制退机阻力值的等效子域模型。根据某口径火炮反后坐要求,确定了制退机的主要尺寸参数,完成了混合励磁式电涡流制退机结构参数的前期设计,并通过数值计算对解析计算结果进行了验证。接着,针对某口径火炮发射时的工况建立仿真模型,以炮膛合力曲线和复进机力的后坐行程函数曲线作为条件输入,分析强冲击载荷下混合励磁式电涡流制退机的电磁阻尼力、后坐位移和后坐速度规律。最后,分析了不同气隙宽度与内筒的电导率对电磁阻尼力的影响,结果表明气隙宽度越小电磁阻尼力越大,同时过大的内筒电导率会导致电磁阻尼力呈现“马鞍”型。本文研究可为混合励磁式电涡流制退机的工程化应用提供理论基础。

轮辐式游标永磁电机分析与多目标优化设计

为了削弱磁位波动效应对轮辐式游标永磁电机转矩性能的影响,首先研究磁位波动效应产生机理,基于等效磁路模型推导出空载气隙磁密的解析模型,分析其对气隙磁场调制效果的抑制作用,并利用有限元法验证了转子磁动势和气隙磁密解析模型的准确性。其次,提出了一种基于参数灵敏度分层的多目标优化设计方法,通过综合灵敏度分析法对设计变量空间进行分层降维,根据灵敏度层次选用针对性的优化设计方法,构建出具有高精度的电机性能代理模型。以此为基础,运用多目标遗传优化算法对电机转矩密度、齿槽转矩和转矩波动等进行综合优化设计。最终确定优选设计方案,并通过有限元法验算优化设计的有效性,结果显示,优化后齿槽转矩由28.5 mN·m降至10.3 mN·m,转矩波动由4.9%降至1.6%,平均转矩由0.68 N·m提升至0.83 N·m,电机的输出转矩性能与品质均得到有效提升。

开槽盘式涡流耦合器调速理论分析

针对开槽盘式涡流耦合器调速特性,运用安培定律推导出感应涡流产生的感应磁场的表达式;将感应磁场引入等效磁路模型,结合基尔霍夫定律推导出电磁转矩的计算公式;并将电磁转矩公式分别与恒转矩负载和二次方率负载表达式联立,得到相应负载工况下的调速关系理论公式。运用三维有限元仿真和实验对所提出的调速理论模型进行验证,结果证明,所提出的理论模型在气隙长度较小的情况下具有较好的准确性。

新型交流调磁型永磁同步电机基本机理及运行特性

以提升永磁同步电机广速域运行性能为目标,提出一种新型交流调磁型永磁同步电机(AC flux-regulation permannent magnet synchronous motor,ACFR-PMSM),相较于传统永磁同步电机,所提电机拥有独立的轴向定子及轴向交流绕组,且转子上设计有凸出的轴向导磁极。该电机的数学模型、等效磁路模型和三维有限元模型分别被建立,并通过对比计算证明了所搭建模型的准确性。另外,通过对该电机等效磁路模型的分析,归纳了电磁性能与径向定子裂比、电机轴径比、永磁体参数的关系,进而完成了该电机关键尺寸参数的优选设计。采用三维有限元分析进行了所设计电机与传统永磁电机的电磁性能对标,结果表明,ACFR-PMSM拥有更优秀的磁场调节能力、更低的永磁体退磁风险及更宽的恒功率运行范围。最后,制造了一台ACFR-PMSM样机并搭建了测试平台,经验证,所制造样机的实测结果与有限元仿真结果的吻合度良好。样机的性能测试结果展现了ACFRPMSM在诸如电动汽车驱动、航空起动/发电系统、新能源发电等需要进行高效磁场调节及高性能宽速域运行领域的广阔应用前景。

定子连体双轴永磁电机稳态特性分析

为了探究定子连体双轴永磁电机在运行时所呈现的特性,从电磁力和稳态电压矢量关系两方面对连体电机进行分析。介绍定子连体双轴永磁电机的主要结构及工作原理,在此基础上采用等效磁荷法对连体电机两侧磁极的相互作用力进行计算,揭示连体电机两单体磁极相互作用的特性。根据电机等效电路绘制的电压矢量图对连体电机的稳态特性进行分析,提出连体电机的稳定控制区域。为了通过整体的定子电压和电流来控制连体电机,建立连体电机的统一模型并给出了连体电机的统一电压方程。以一台0.5 kW的定子连体双轴永磁电机样机为对象进行验证,仿真与实验结果证明了分析结果的正确性。

有铁心永磁直线电机初级匝间短路故障分析

在有铁心永磁直线电机(permanent magnet linear machines,PMLM)初级匝间短路故障分析中,对初级短路环电流的分析十分重要。该文提出采用磁动势–气隙磁导模型与电枢绕组故障等效模型结合的解析方法,计算任意初级位置发生的匝间短路故障短路环电流。首先根据永磁、电枢磁动势与开槽情况下的气隙磁导函数分别计算通过短路环的永磁、电枢磁链,然后通过矢量合成法得到短路环中的实际磁链以及瞬时短路电流。基于有限元方法证明解析法的正确性并探究不同短路故障匝数、不同短路故障位置对电机性能如短路环电流、相电流、推力的影响。最后制造一台样机验证有限元分析、解析法计算结果的正确性。

基于非线性材料的高速磁浮电磁铁建模与分析

为更加精确、快速地分析高速磁浮悬浮电磁铁的电磁力特性,实现与控制、动力学模型的良好匹配,提出一种基于非线性材料的高速磁浮悬浮电磁铁电磁力建模方法.首先,在搭建电磁铁等效磁路(equivalent magnetic circuit,EMC)模型时,考虑了导磁材料自身的非线性,导磁材料的磁阻计算以内部磁通为基础,推导以电压及间隙为输入,电流及电磁力为输出的电磁铁解析模型,计算电磁力-间隙-电流特性,并与传统EMC模型进行对比分析;其次,搭建电磁铁有限元(finite element method,FEM)模型,对非线性EMC模型的结果进行验证;最后,采用地面试验台对悬浮电磁铁进行电磁力测试,验证EMC及FEM模型的准确性.研究结果表明:与传统电磁力模型相比,本文EMC模型计算的电磁力在大电流区间会出现饱和现象,更接近实际情况,适用范围更广;磁间隙12.5 mm,电流50 A工况下,EMC与FME计算的电磁力偏差仅为4.5%,且与试验结果具有非常高的一致性;高精度的非线性电磁力模型为悬浮系统动态特性联合分析及参数优化奠定了基础.

永磁直驱风电场故障等值建模方法

新能源场站故障建模与分析方法是风电、光伏集中并网地区的故障特性和保护研究的基础,然而目前广泛采用的单机等值模型无法准确反映场站短路电流特征。基于永磁风机的故障特征对等值前后的dq轴电流进行归算,得到了等值产生的短路电流误差与机组电气量边界的解析关系,并根据所需等值精度给出了建立多机等值模型的分群边界,实现永磁风电场的多机建模。以典型实际场站拓扑为例搭建了仿真模型,仿真结果表明该模型与详细模型的故障电流特征基本一致,其精度与单机等值模型相比有较大提升,验证了所提出的分群判据的合理性。

抽能型高压并联电抗器磁路等效模型及匝间保护方法

抽能型高压并联电抗器(简称“抽能高抗”)是一种既可以为长距离线路提供无功补偿又可以为开关站提供站内用电的新型并联电抗器。铁心上布置的若干气隙在使抽能高抗获得良好线性伏安特性的同时导致了主电抗绕组与抽能绕组间的弱磁耦合。针对抽能高抗这种特殊结构,采用空心变压器模型只能满足抽能高抗端口特性的要求,难以表达抽能高抗实体结构中具体的电磁耦合关系,该文在分析其电磁耦合特性的基础上,提出基于磁路分解的抽能高抗等效建模方法,通过构建抽能高抗的三段磁路等效模型来模拟抽能高抗在额定运行工况及区外故障发生时的电气特性。在所提模型的基础上,针对抽能绕组匝间故障保护灵敏度不足的问题,进一步研究并提出了基于零序电流比值及相位差异的抽能绕组匝间保护新方法,该方法无需引入电压量且无需整定,能够有效识别主电抗绕组和抽能绕组匝间故障并具有较高的灵敏度。最后通过动模试验和仿真试验对比,验证了所提抽能高抗等效模型的准确性及匝间保护方法的有效性。

MCR-WPT系统传输特性研究及优化

无线电能传输系统的拓扑结构和参数特性是影响系统性能的主要因素。针对系统各参数变化对传输效率产生的影响以及传输效率低的问题,采用改进粒子群优化算法对系统进行效率优化。利用电路耦合理论,建立两种拓扑结构的系统等效电路模型,使用Matlab对系统的功率和效率特性进行数值分析。引入改进粒子群优化算法对传输效率进行优化,并借助Multisim搭建了磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)系统来进行仿真验证。仿真结果表明,MCR-WPT系统的最高传输效率分别可达到94.7%和93.3%,证明了该算法的有效性,可为实际应用提供一定的参考价值。

磁耦合谐振式无线电能传输系统串并式模型研究

磁耦合谐振式无线电能传输系统具有传输效率高、距离远、功率大的特点。针对串并式模型(Series-Parallel Model,SP)进行分析,从等效电路的角度研究系统传输效率及输出功率与线圈距离、工作频率、负载电阻之间的关系,得到效率及功率的表达式。通过Matlab仿真,发现在只改变系统频率的情况下最佳效率工作频率与最大功率工作频率重合,且输出功率对频率的变化更为敏感。设计制作了一套串并式结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统,通过实验验证了前述分析的正确性。

磁耦合谐振式无线电能传输系统谐振方式分析

磁耦合谐振式无线电能传输系统在实际设计中具有传输效率高,结构简单,实用性强等特点。从等效电路的角度研究了单发射-单接收谐振模式中串联-串联式、串联-并联式、并联-串联式和并联-并联式4种谐振模型下系统传输效率。经过数值仿真,得出了每种谐振模型下系统传输效率和输出功率与系统振荡频率、传输距离及带负载能力之间的变化关系,发现每种谐振模型各有其适用工况,总结出了在设计中如何根据实际情况选择适当的谐振方式来达到最佳的传输效果:当所设计的系统供电对象为小负载且仅需较小的传输距离时,采用串联-串联谐振模型能够达到较好的传输效果;当需要具有较远的传输距离和较强的带负载能力时,应采用串联-并联谐振模型;当无法实现较高的系统谐振频率时,应采用并联-并联谐振模型。最后根据4种谐振模型,实际设计制作了4套磁耦合谐振式无线电能传输系统,验证了上述分析的正确性。

开关磁阻电机稳态特性的等效磁网络模型分析方法──Ⅰ . 数学模型

本文利用开关磁阻电机的等效磁网络模型，推导出了电机绕组满足的以绕组磁链为状态变量的微分方程，建立了电机稳态运行分析的数学模型。本文成功地将非线性磁参数法的思想从单相电流系统推广到了多相电流系统，对开关磁阻电机的理论研究具有重要的意义。

混合励磁磁通切换电机等效磁路模型

混合励磁磁通切换电机(flux-switching hybrid excitationmachine,FSHM)是一种新型定子励磁型交流无刷电机,具有磁链双极性、结构简单、功率密度高、运行可靠等优点。改变电励磁绕组电流的大小和方向,实现了对永磁气隙磁场的有效调节与控制,而引入导磁磁桥可提升气隙磁场调节范围。以建立电枢绕组磁链最大位置的等效磁路模型为切入点,推导了峰值磁通表达式,探索了磁桥段相对磁导率的估算方法,结合有限元仿真分析了磁桥厚度变化与磁桥式FSHM初始气隙磁密、磁桥磁密、气隙磁场调节能力、磁力线路径转移等特性的关系。样机的有限元仿真及实验结果与等效磁路模型预测趋势基本一致,验证了建模方法与理论分析的正确性,可用于指导磁通切换电机的设计与性能分析。

基于ANSOFT15.0等效磁路理论应用仿真与实验

通过电磁铁设计实例,借助ANSOFT15.0软件的可视化功能,将复杂的磁路理论问题进行了简化,印证原理性逻辑描述,降低了学生理解的难度。实验证明,磁路的仿真模型、理论计算以及实际测量三者的结果具有一致性,证明了ANSOFT15.0仿真平台实验方法的有效性,为相关课程实验教学提供了一条新的思路。

永磁偏置径向磁轴承的原理分析与参数设计

为克服现有永磁偏置径向磁轴承的缺陷,研究了一种磁悬浮高速电动机用永磁偏置径向磁轴承,利用等效磁路法分析其结构及工作原理,得出了径向悬浮力的数学模型,并对数学模型进行了线性化处理,得出了其径向力-位移系数和力-电流系数。给出了磁极面积、控制绕组、定转子结构等主要参数的设计方法,并制作了实验样机,对样机进行了三维有限元仿真分析和动静态悬浮实验。理论研究和实验结果表明,该型磁轴承转子磁滞损耗小,结构紧凑,控制简单,悬浮性能良好,给出的参数设计方法合理。

永磁球形电机定子绕组的永磁体模型及磁场分析

采用等效磁网络法分析了永磁球形电机定子磁场.在永磁体的体电流模型基础上,推导了电流密度与永磁体磁化强度的关系,得到了定子绕组的永磁体模型.在此基础上,在柱坐标下对分析模型进行剖分,并将不同磁场边界条件表达为磁阻单元对应节点或支路的不同状态,建立了永磁球形电机定子绕组磁场的二维等效磁网络模型.推导了各单元磁阻及磁动势的表达式,并利用平均磁能法求得了磁通密度在空间的分布.结果表明,定子绕组近场和远场具有不同的分布特征,远场时磁通密度小且变化相对平缓.通过与有限元法的析结果比较可知,相对误差均在6%左右,证明了所提方法具有较好的计算精度.

永磁接触器等效磁路模型研究

针对永磁接触器线圈通入正反向励磁电流时永磁体内磁通分布不均匀,永磁体内部工作点不同的问题,提出按永磁体磁路截面磁通密度不同,沿充磁方向对永磁体进行分块等效的方法。以一单线圈单稳态永磁接触器为例,通过仿真分析在不同励磁电流情况下其磁通的分布,建立该接触器的等效磁路模型。将求解获得的动铁心在不同工作条件下的吸力计算值与实测值进行比较,结果表明吸力计算误差在10%以内,验证了所提出的永磁体分块建立等效磁路模型方法的正确性和有效性。

磁阻式无刷双馈电机的转子结构及其性能分析

把磁阻式结构与绕线式转子结构相结合,提出一种具有磁阻式无刷双馈电机的转子结构。该转子结构既保持了绕线式转子绕线接线方式的灵活性,又发挥了磁阻式转子对磁通的导向作用,改善了电机的磁场调制效果,可以很好地实现转子与定子两套绕组耦合能力实现最大化。对磁阻式转子结构的无刷双馈电机的设计原理和方法进行了详细分析,以一台30k W样机为例说明了磁阻式无刷双馈电机的功率分配曲线、气隙磁通密度曲线和电机效率,并与磁障结构的磁阻式、加入笼条的磁阻式转子无刷双馈电机在同等条件下的电机输出功率作对比。最后对无刷双馈发电系统的动态特性进行样机实验,实验结果表明采用该方法设计的磁阻式无刷双馈电机具有优良的性能。