基于敏感度分层优化的Halbach永磁电机电磁振动分析

为解决内置式永磁同步电机径向电磁力引起的电磁振动问题,提出一种分段永磁体采用Halbach充磁方式同时转子开设辅助槽的电机拓扑结构。首先,对电机气隙磁密、径向电磁力、电磁振动原理进行推导与分析,并建立有限元模型。其次,提出基于电磁场和机械场耦合的电磁振动分析方案,对电机径向电磁力进行时间空间阶次傅里叶分解,在机械场中,分析电机定子在不同频率下的振动加速度幅值大小,并计算出定子各阶模态。在此基础上,基于响应面法和多目标遗传算法构建电机参数敏感度分层优化方案,并求得样本点帕累托前沿从而确定电机最优参数,将优化后的电机与普通V型内置式电机进行比较。最后,在机械场中仿真得到转子所受等效应力和总变形,验证得所提电机结构符合机械设计要求。分析结果表明:所提出结构电机在不损失电磁转矩的基础上,径向电磁力幅值大幅度降低,抑制了齿槽转矩,改善了气隙磁密和反电势的正弦度,在提高电机电磁性能的同时抑制了电磁振动的发生。

水下Halbach永磁电机噪声特性及减振降噪研究

Halbach结构的永磁电机及泵叶等部件组成的机泵一体化装置作为新型排水设备或水下推进器,具有诸多优点且应用前景广泛。为减少机泵一体化装置中电机运行时产生的噪声,提高舰船声隐身性能,本文通过分析流体中电机噪声特性,使用有限元软件仿真模拟出电机在水中运行时产生的噪声规律,并运用电机热负荷理论提出增加定子轭厚的电机优化方法。研究结果表明,增加电机定子轭厚能有效减少Halbach结构的永磁电机在运行时产生的振动噪声。

不均匀halbach永磁电机气隙磁场解析法研究

提出了忽略定子开槽的不均匀每极三块halbach永磁电机模型,以主极占比例和极数为分析参数,推导了halbach永磁电机径向气隙磁场分布解析解,并用有限元软件进行了验证。应用气隙径向磁场分布解析式,得到了气隙径向磁场畸变率和基波幅值与极数、主极占比例的三维关系图,研究了不均匀程度对每极三块halbach永磁电机气隙磁场的影响。

Halbach永磁电机与径向结构永磁电机比较

介绍了Halbach阵列的原理,通过仿真验证了Halbach阵列的特性。通过对相同尺寸的永磁电机进行普通径向充磁和Halbach充磁方式的仿真计算,对比计算结果验证了Halbach永磁电机的优越性。

三段不等厚Halbach永磁电机解析法建模与优化

文章提出了一种三段不等厚Halbach阵列的永磁电机。利用分区域法得到该模型标量磁位的微分方程,并利用叠加法,获得三段不等厚Halbach阵列的无槽永磁电机气隙磁密解析表达式;然后利用改进的卡特系数计算该模型的等效气隙长度,进一步求解得到三段不等厚Halbach阵列的有槽永磁电机的气隙磁密、反电动势和电磁转矩解析式等。此外,对三段不等厚Halbach阵列的永磁电机的气隙磁密进行优化分析,利用分离变量法,对两边磁极的磁化角度求导,计算得到无槽和有槽永磁电机两边磁极最优的磁化角,即使模型的径向气隙磁密基波获得最大值。通过与传统结构的永磁电机的电磁性能比较,结果表明该模型结构的永磁电机不仅具有较好的电磁性能,而且减少了永磁用量。最后利用有限元法验证了该解析模型的的正确性。

新型Halbach阵列盘式永磁电机的磁场解析

基于印制电路板(PCB)技术的盘式永磁电机(AFPMM)提出一种新型Halbach阵列的转子结构,该阵列结构简单、易于优化。运用矢量磁位法对新型转子产生的空载气隙磁密进行解析推导,获得关于气隙磁场的数学模型。基于该模型,保持永磁体总用量不变,以永磁体极弧系数比和径向长度比作为优化变量,气隙磁密基波幅值和谐波畸变率作为优化目标,确立最优转子结构参数。三维有限元仿真结果表明,解析法所得的气隙磁密波形与有限元法基本一致,验证了所提出解析模型的合理性。与传统Halbach阵列相比,新型Halbach阵列气隙磁密基波幅值提升了10.3%,同时谐波畸变率由19.8%降至4.8%,优化效果明显,可以有效降低高频工况下电机的涡流损耗、提升电机效率。最后制造一台样机进行相关实验测试,验证了解析和仿真分析的正确性,对PCB定子AFPMM的设计具有一定参考价值。

梯形Halbach交替极无铁心永磁同步直线电机特性分析与优化设计

针对无铁心永磁同步直线电机(PMLSM)存在推力波动问题以及磁极结构对永磁体利用率的影响,从结构方面着手,提出一种梯形Halbach交替极磁极结构的无铁心永磁同步直线电机,对Halbach阵列进行优化设计。首先通过有限元法对比在Halbach交替极、双层Halbach磁极与梯形Halbach交替极3种磁极结构中PMLSM的电磁性能,分别对气隙磁场谐波成分、空载反电动势、电磁推力以及推力体积比进行计算与对比。其次,采用等效磁化强度法定性分析磁极结构对电机出力性能的影响,并引入Kriging模型,结合多目标优化算法对关键参数进行优化以提高电机平均推力和推力体积比,降低推力波动,得到3个优化目标的Pareto前沿。最后,通过仿真分析验证设计方法的有效性以及电机性能的改善。结果表明:梯形Halbach交替极磁极结构永磁体利用率更高,具有实用价值;梯形Halbach交替极PMLSM能够有效抑制推力波动并保持在7%左右,适用于高精确度加工设备。

YASA轴向磁通永磁电机定子槽漏感计算

定子槽漏感是定子无轭模块化(yokeless and segmented,YASA)轴向磁通永磁电机电感的主要分量,会降低电机的功率因数和最大输出转矩。该文提出定子槽内微小单元磁场能量法计算YASA电机的定子槽漏感,通过建立计及铁心饱和影响的二维等效磁网络模型准确计算槽内微小单元储存的磁场能量,进而计算定子槽漏感。基于所提出的方法,进一步研究定子结构参数以及极槽配合对YASA电机定子槽漏感的影响规律。有限元仿真和实验结果表明,该文所提出的YASA电机定子槽漏感计算方法的可行性和准确性。

基于磁热耦合法的非对称混合磁极永磁电机热分析

针对传统内置永磁电机损耗高、发热量大的问题,提出非对称混合磁极永磁电机拓扑结构.介绍非对称混合磁极永磁电机的拓扑结构,对比分析两者的电磁特性与损耗分布特性.针对非对称混合磁极永磁电机分布式绕组的结构特点,对绕组进行等效处理,确定等效导热系数,建立集中参数热网络模型.建立单向磁热耦合模型,计算电机各部件的温度分布,验证了热网络模型的正确性.考虑到温度对永磁材料的影响,建立双向磁热耦合模型,对比分析不同电流密度对电机温升的影响规律.试制一台样机并搭建温升试验平台进行温升试验,验证了新型拓扑结构的有效性与合理性以及磁热双向耦合法计算结果的准确性.

星-三角接法的分数槽永磁电机匝间短路故障分析

为了分析永磁电机绕组采用星-三角(Y-△)接法时发生匝间短路故障后对电机的影响,建立了绕组在Y-△接法下分别在星形(Y)接法部分和角形(△)接法部分发生匝间短路故障的电路模型,推导得到故障发生后电机三相电流。以10极12槽永磁电机为例进行二维有限元仿真,对传统的Y接法双层绕组永磁电机和Y-△接法4层绕组永磁电机发生匝间短路故障的情况进行对比分析。仿真结果表明:在Y-△接法下匝间短路故障位置的不同对电流会有很大影响;在发生匝间短路故障后Y-△接法能降低电机的转矩脉动,降低故障发生后故障相电流中的3次谐波幅值。

永磁电机系统中冗余结构逆变器的可靠性分析对比研究

基于马尔可夫模型和可靠性框图模型,对永磁电机系统中并联冗余和备用冗余两种结构的逆变器在零件层面和系统层面进行可靠性分析,得到这两种结构逆变器的可靠性函数和平均无故障时间函数。首先,通过对比来确定判断何种冗余结构具有更高可靠性的边界条件函数。其次,分析边界条件函数随各参数的变化情况以及对冗余结构可靠性的影响,包括环境温度、电流、热阻抗和容错处理机制的成功率。然后,建立N相冗余逆变器的可靠性函数,并给出高可靠冗余结构中并联支路数和备用支路数量的确定方法。最后,以三相永磁电机逆变器为例,通过仿真和实验验证边界条件函数的准确性。

轮缘推进永磁电机-护套-介质系统建模与仿真

为了降低轮缘推进器永磁电机的涡流损耗,研究护套材料与厚度对永磁电机涡流损耗的影响,基于有限元电磁分析软件ANSYS Electronics Desktop,建立电机-护套-介质系统模型,并通过仿真结果与数值计算结论的对比验证模型准确性;计算永磁电机定转子护套、永磁体涡流密度分布,分析护套材料与厚度对涡流损耗的影响规律。结果表明:护套材料电导率较高时护套中的涡流密度远大于永磁体中的,电导率较低时两者大小相近;采用电导率较低的护套材料时电机产生的涡流损耗远小于采用电导率较高的护套材料;护套材料对护套单位体积涡流损耗影响较大,对永磁体影响较小;定转子护套的厚度比与产生的涡流损耗呈正相关;随着护套厚度比增大,采用电导率较低的护套对永磁体及护套单位体积涡流损耗影响较小,而电导率较高的护套因为屏蔽作用能够通过降低永磁体的涡流密度来降低永磁体涡流损耗;气隙介质在空气、淡水、海水中的变化对电机的磁通密度分布没有显著影响。研究成果可为轮缘推进器永磁电机护套设计提供参考。

双层复合护套高速永磁电机转子涡流损耗解析模型

在表贴式高速永磁电机中,双层复合护套可以有效抑制转子涡流损耗。目前,针对双层复合护套转子涡流损耗的研究主要采用有限元法,但该方法存在耗时、对薄护套网格剖分较困难等问题,因此该文基于精确子域法提出了一种考虑定子开槽、涡流反作用的双层复合护套高速永磁电机转子涡流损耗通用解析模型。该模型同时考虑了永磁磁场励磁和电枢磁场励磁,可以计算负载磁场作用下的双层复合护套转子涡流损耗。此外,该模型还可进一步拓展至多层复合护套转子涡流损耗计算。通过该解析模型研究了双层复合护套不同护套厚度配比、不同护套材料对转子涡流损耗的影响。最后,将解析计算结果与有限元及C型铁心实验结果进行对比,验证了该解析模型的有效性。

混合转子永磁电机双风道冷却系统设计

混合转子永磁电机具有高功率密度的优势,但也导致电机散热空间和散热能力不足等问题。为此,根据其特有的转子结构提出一种双风道冷却系统,并采用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)的方法对电机温度场进行验证。首先,根据电机损耗和尺寸设计一个适合双风道的轴流风扇。其次,对不同进、出风口的结构参数进行仿真,对比和分析仿真结果,选出冷却性能较好的参数组合。最后对单风道和该参数组合下的双风道进行数值模拟,仿真结果表明,使用双风道冷却结构后电机散热能力显著提升。

螺杆机用并轴双转子永磁电机齿槽力矩机理分析与抑制

针对并轴双转子永磁电机过大的齿槽力矩以及转矩脉动大等电磁问题,采用传统单个槽齿槽转矩理论以及双转子电机边端力矩波动理论进行分析,计算了并轴双转子电机齿槽力矩的特殊组成成分以及其各部分转矩的谐波阶次。分析改变磁极偏心距和转子斜极对电机齿槽力矩和转矩特性的影响。采用响应面法构建电机的多目标优化模型,通过改变永磁体偏心距和斜极块数来约束电机的优化变量,并采取约束关系以及优化目标求解出最优转子结构参数。构建有限元模型,验证齿槽力矩理论的正确性。对比采用最优转子结构参数下电机的电磁性能与优化前电机的电磁性能,优化后电机的齿槽力矩、转矩脉动等电磁性能进一步提升,验证了采用磁极偏心和转子斜极复合结构的有效性。

双层永磁体结构高速永磁电机转子涡流损耗解析模型

对于采用低电导率护套高电导率永磁体的表贴式高速永磁电机,在永磁体和保护套之间增加一层低电导率的永磁体,可有效降低永磁体上的涡流损耗。目前,对于双层永磁体转子结构的电机在使用有限元软件进行转子涡流损耗计算时,因为需要寻求两种永磁体不同厚度配比下的最优方案,所以要进行大量参数化,导致计算时间长、效率低。针对这一问题,该文基于精确子域法,建立了一个考虑定子开槽以及涡流反作用影响的双层永磁体结构转子涡流损耗解析模型,可同时对电枢磁场和负载磁场下双层永磁体结构转子涡流损耗进行求解,并且该模型可扩展至多层永磁体复合结构的转子涡流损耗计算。在此基础上分析了双层永磁体结构下外层永磁体不同厚度和不同材料对转子涡流损耗和内层永磁体消耗量的影响。最后通过有限元仿真和C型铁心实验验证了该解析模型的有效性。

磁链分区的磁场增强型永磁电机全速域模型预测直接转矩控制

磁场增强型内置式永磁(flux intensifying interior permanent magnet,FI-IPM)电机的反凸极(L_(q)<L_(d))特性,使得正向d轴电流增强磁场,提高输出转矩的同时,也使得弱磁升速时d轴电流正负交替变化,电流角度变化大,磁链波动大,进而造成转矩脉动大、电流畸变振荡、响应速度慢等问题。针对这些问题,该文提出一种基于磁链分区的磁场增强型内置式永磁电机全速域模型预测直接转矩控制控制策略。根据FI-IPM电机速度运行区域与磁链状态映射关系,构建磁链和转矩预测模型。在此基础上,提出磁链分区控制,引入磁链差值判断增磁和弱磁运行区,并进行磁链补偿,解决不同速度运行域之间切换的震荡和不稳定问题。最后,通过实验验证所提出控制策略的有效性,为该类电机在电驱动系统中的应用提供技术方案。

复杂环境新能源汽车永磁电机传感器故障诊断

新能源汽车电机驱动过程中由于电机系统本身噪声、传感器运行特性和各个部件接触不良等因素影响下,永磁电机传感器易处于异常工作状态和故障状态。电动汽车电机运行环境的复杂性导致故障诊断难度也相对较大。于是提出新能源汽车永磁电机传感器故障诊断方法。通过分析永磁电机机械运动方式构建新能源汽车永磁电机数学模型,将上述模型与滑模观测器结合,捕捉任意时刻永磁电机传感器故障状态。基于此,提取传感器故障状态下的特征量,并输入支持向量机中,根据支持向量机输出的分类结果实现新能源汽车永磁电机传感器故障诊断。实验结果表明,针对新能源汽车恒速形式和新能源汽车变速形式,研究方法的诊断结构均与实际情况相符。

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。

永磁电机转子系统非线性共振分析

以永磁电机转子系统为研究对象,应用牛顿第二定律建立永磁电机转子系统在轴承支反力、不平衡磁拉力、转子偏心力、阻尼力及外激励等激励作用下的非线性振动微分方程,应用平均法对系统进行近似解求解振动幅频方程,利用MATLAB软件对其进行数值计算分析,分析气隙磁密、轴承刚度、转子长度、转子半径对系统振动幅值的影响,为永磁电机在设计时避免产生共振提供了理论依据。