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。

基于磁链相移原理的不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机设计与分析

传统永磁辅助同步磁阻电机(PMaSynRM)无法充分利用永磁转矩和磁阻转矩,该文提出一种新型不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机(ACP-PMaSynRM)。基于永磁磁链相移原理,将交替极永磁阵列、不对称磁极和磁障相结合,实现永磁转矩和磁阻转矩的最大值在相同电流相位下叠加,不但提高了永磁转矩和磁阻转矩的利用率,增强了电机输出转矩能力,而且减少了永磁体用量。采用有限元法对比分析了传统和新型ACP-PMaSynRM的电磁性能,验证了所提电机拓扑的可行性。最后,制造了一台48槽14极样机并对其进行了实验验证。

真空泵用反凸极永磁同步电机设计与性能分析

针对真空泵用驱动电机运行过程中存在转子温度高、散热难的问题,根据真空泵驱动工况的实际要求,设计了一台反凸极永磁同步电机和一台常规永磁同步电机。首先,利用有限元软件,分析了转子磁障尺寸对电机转矩的影响以及磁障层数对电感的影响,从而得出了转子磁障尺寸和磁障层数的合适值;其次,对两台电机的气隙磁密波形、空载反电动势和损耗等电磁性能进行了对比分析;最后,通过仿真对比分析了两台电机的温度场以及两者转子和转轴处的温升。结果表明,相比于常规永磁同步电机,反凸极永磁同步电机的转矩性能更好、转子损耗和转子温升更小,为新产品研发提供了科学的参考依据。

基于槽极比选择的切向永磁同步电机永磁体涡流损耗抑制措施

为抑制切向永磁同步电机的永磁体涡流损耗,基于麦克斯韦方程和本构方程,对永磁体形状进行近似假设,构建了永磁体涡流损耗的估算模型。使用一种基于卡特系数概念的磁导函数来估算由于定子开槽引起的槽下磁感应强度变化。基于五台槽极比分别为1.05、1.20、1.30、2.40和3.60的电机设计方案对理论分析结论进行了验证。在负载电流和两倍负载电流下,分析永磁体损耗,得到了每台电机的径向气隙磁密曲线及其谐波含量。考虑到增加槽极比对定子铁耗和永磁体涡流损耗的削弱效果,给出了电机槽极比选择策略。研究结果表明,增加槽极比能减弱定子槽下磁感应强度变化,从而抑制气隙磁场中低次谐波含量,减小永磁体涡流损耗,使电机运行更加可靠,但也会引入更多高次谐波,从而增加定子铁耗。

基于轴线方向不等宽度磁极结构的表贴式永磁同步电机极频振动的削弱

针对一台10极12槽表贴式永磁同步电机的极频振动问题,提出了一种轴线方向不等宽度磁极结构的削弱方案。该方案可以在保证电机转矩密度前提下,有效降低电机的极频振动。首先,根据麦克斯韦张量法,推导出电机径向电磁力的解析表达式,并建立了作用在电机定子齿部电磁力模型;同时,对样机中产生极频电磁力谐波的因素进行了分析研究。然后,通过有限元仿真分析,介绍了利用轴线方向不等宽度磁极结构降低极频电磁力的基本机理,并对优化前后的电机的电磁性能和振动加速度进行了比较分析。最后,研究结果表明,采用轴线方向不等宽度磁极结构能够有效地减弱极频电磁力谐波和振动,同时保持电机的转矩密度,证实了优化方案的有效性。

基于代理模型的不对称极永磁电机优化设计

针对不对称磁极V型内置式永磁同步电机进行有限元优化耗时长的问题,提出了基于BP神经网络代理模型的优化算法。基于有限元模型对采样点进行性能计算,构建样本数据库,将转子相关结构参数作为优化变量,以高平均转矩和低转矩波动为优化目标。基于样本数据使用BP神经网络得到代理模型,采用NSGA-Ⅱ算法进行了结构优化。结果表明,优化后的结构参数具有较高的精确度,采样过程比直接基于有限元优化减少了90.7%的有限元模型调用次数。

双层IPMSM转子结构优化对齿槽转矩的影响

为了降低双层内置式永磁同步电动机(IPMSM)中齿槽转矩对电动机稳定运行的不利影响,提出了将分段磁极和转子开对称辅助槽相结合的方法。首先,基于齿槽转矩的原理,利用有限元软件Maxwell建立8极12槽车用内置式永磁同步电动机(IPMSM)模型;其次,比较电动机在分段磁极前后的齿槽转矩,并对转子表面开辅助槽的各参数逐一进行仿真,通过双变量同时参数化的方法验证辅助槽参数的选择;最后,对比优化前后电动机各性能参数。结果表明:均匀分段磁极和开对称辅助槽2种方案叠加是可行的,在确保电动机性能良好的同时使齿槽转矩削弱了77.72%。

基于初速识别HFI的永磁牵引电机带速启动研究

为解决永磁牵引电机带速启动问题,文章提出了一种基于初速识别高频注入的带速启动技术,研究了脉振正弦波高频注入的技术原理及数学模型,对传统高频注入进行了改进使其适用于带速启动,并进行了仿真计算,同时给出了基于初速识别高频注入的永磁同步电机带速启动策略,设计试验对脉振正弦波高频注入技术以及带速启动策略进行了测试验证。研究得出脉振正弦波高频注入技术可以较高的精度跟踪转子实际位置和转速;基于高频注入的带速启动技术可以准确识别电机启动时的转速,并有效解决不同工况下的电机启动问题;试验验证了初速识别高频注入技术以及带速启动策略。

五相U型永磁凸极直线电机对比分析

针对直线电机垂直提升系统(LMVHS)无绳化直驱运行,对高容错性、大推力密度的新型直线电机的迫切需求,提出一种五相U型永磁凸极直线电机(FU-PMSPLM),初级设置五相绕组以提高电机容错运行能力,次级永磁体采用U型结构以提高永磁利用率。首先,从降低漏磁角度,分析了U型磁极结构演化机理,并给出电机主要结构参数;其次,采用有限元法对比分析了电机次级永磁体采用U型与Halbach结构的电磁特性,并基于磁动势不变原则,以A相缺相故障为例,与三相U型永磁凸极直线电机(TU-PMSPLM)对比分析了容错性能;最后,制作实验样机并进行实验验证,样机实测与仿真结果基本一致。研究表明,等永磁体用量时,次级采用U型结构较Halbach结构,气隙磁通密度幅值增大13.89%,平均推力提高7.54%,推力波动降低25.07%;FU-PMSPLM较TU-PMSPLM具有更好的缺相运行能力。

永磁同步电机基于双积分器模型实现的改进离散准谐振控制器设计

因逆变器非线性和电机本体设计缺陷所带来的电流谐波会导致转矩脉动和损耗增加,影响电机控制性能甚至缩短使用寿命。基于双积分模型实现的准谐振控制器能较好地抑制电流谐波,但因积分器采用欧拉离散会带来谐振点的偏移和相位滞后等问题,影响谐波抑制效果。针对此问题,该文改进传统的基于双积分模型实现的准谐振控制器,提出双积分器零极点解耦校正模型,以达到谐振点准确跟踪、控制器稳定裕度高的目的,且计算量较小;为避免因加入准谐振控制器导致电流控制系统失稳,将所提出的改进离散准谐振控制器放入整个电流控制系统中,分析其稳定性并给出控制参数选择依据,并考虑到电流控制系统的采样和更新延迟。最后,通过台架实验对比验证所提出的改进离散准谐振控制器在谐波抑制性能上的有效性。

船舶用表贴式永磁同步电机的电磁振动分析与抑制

船舶用永磁同步电机的电磁振动水平直接影响船舶的综合性能。该文针对一台50kW船舶用表贴式永磁同步电机,首先基于理论推导详细分析了该电机产生的电磁激振力来源及谐波特征,并利用有限元法进行了验证;其次,分别采用解析法和有限元法求解定子固有频率,并结合电磁激振力的频率特征,验证电机设计的合理性;然后,建立电机的磁-固耦合模型,对其振动响应进行有限元计算,得到监测点的振动频响特性及特征频率;最后,在保持原电机输出平均转矩的前提下,提出一种混合磁极转子结构来削弱低阶电磁激振力谐波分量进而抑制电磁振动。结果表明,优化后的电机在保持良好转矩性能的同时,电磁振动得到了有效抑制,并通过样机实验验证了仿真结果的有效性。

基于试验验证的永磁同步电机电磁噪声优化方法探究

为解决电动汽车永磁同步电机电磁噪声问题,基于其电磁噪声产生机理,提出通过试验验证手段降低电磁径向力的方法来优化其电磁噪声,分别从结构硬件和控制策略两方面提出了从转子分段斜极优化、结构刚度优化耦合共振改善、电流谐波注入和气隙磁通密度改善等验证对比方式进行优化改善,并针对每种优化方式结合实际开发案例进行说明。结果表明,每种方式均有至少3 dB(A)的电磁噪声改善,进一步论证了通过试验手段优化电磁径向力来改善电磁噪声的效果与优势。

永磁—凸铁复合极直线同步电机多目标优化

提出一种永磁—凸铁复合极直线同步电机(PM-SICPLSM),电机次级为U型分段永磁结构,具有聚磁强、漏磁小的特点。为提升电机整体性能,以推力波动和平均推力为优化目标。首先,通过灵敏度分析得出影响显著的优化参数;然后,构建响应面数学模型;最后,在约束条件下通过多目标粒子群优化(MOPSO)算法求解响应面模型,得出电机永磁最优结构参数。利用有限元法对优化前后的电磁推力、空载反电势及气隙磁密等电磁特性进行对比,经响应面模型和MOPSO结合优化后的PM-SICPLSM不仅增大平均推力还提高了永磁利用率。

少稀土组合磁极Halbach永磁同步电机优化设计

针对稀土永磁同步电机(PMSM)对稀土永磁材料依赖性大的问题,提出一种少稀土组合磁极Halbach PMSM,永磁体采用Halbach充磁方式。阐述了该电机新型转子的磁钢结构,其中主磁极由双层永磁体组成,上层磁钢为钕铁硼永磁材料,下层磁钢为铁氧体永磁材料,辅磁极磁钢也为铁氧体永磁材料。以电磁转矩、转矩脉动和齿槽转矩为优化标准,对电机每极永磁体块数、充磁角度、永磁体材料和永磁体厚度等电机参数进行优化。采用定子斜槽结构降低齿槽转矩。优化后的少稀土组合磁极PMSM在保证转矩性能的情况下,减少了永磁体用量,降低了电机成本。最后通过有限元法分析该电机在空载和额定负载下的特性,验证了该电机设计的合理性。

少稀土组合磁极Halbach永磁同步电机性能和材料成本研究

稀土永磁同步电机性能优越,但稀土永磁材料价格昂贵导致电机成本增加。因此,提出了一种新型少稀土永磁同步电机,其永磁体采用组合磁极Halbach结构。分析了少稀土组合磁极永磁同步电机的结构特点,并在此基础上,提出了少稀土T型、HAT型和LREH型三种组合磁极Halbach永磁同步电机拓扑结构。从电机空载反电动势、空载齿槽转矩和额定负载电磁转矩等方面分析了三种拓扑结构少稀土永磁同步电机,并与稀土永磁同步电机进行对比分析。在等转矩条件下研究了钕铁硼和铁氧体两种永磁体厚度对少稀土组合磁极永磁同步电机材料成本的影响。对比分析了稀土永磁同步电机和三种少稀土永磁同步电机的材料成本。有限元仿真结果表明LREH型少稀土组合磁极Halbach永磁同步电机具有更好的转矩性能和更低的材料成本。

同极同槽双边平板型PMLSM的设计及推力优化研究

为降低直线电机的推力波动,提出一种同极同槽双边平板型永磁直线同步电机(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,PMLSM),且采用不同方法优化其结构参数.为确定电磁设计方案,根据同极同槽双边平板型PMLSM的结构特点和旋转电机的设计方法,推导出适用该电机的电磁设计公式,并建立二维有限元仿真模型进行分析和验证.随后采用田口法筛选优化变量,分别通过单参数扫描和基于克里金代理模型的粒子群算法进行优化.结果表明,在满足推力不低于600 N的前提下,推力波动大幅降低,且永磁用量减少了13%.

非对称V形内置式永磁同步电机电磁特性分析

非对称磁极内置式永磁同步电机可以在不降低电磁转矩的情况下有效降低齿槽转矩和转矩脉动,拓宽调速范围,电机结构可靠,制作难度低,在转矩性能要求高的场合具有广泛的应用前景。为研究非对称磁极转子磁场偏转后引起的电机电磁特性的变化,建立了新的数学分析模型,结合有限元分析方法对不同磁极结构永磁同步电机的电磁性能展开分析。仿真结果表明:非对称磁极结构可有效降低内置式永磁同步电机的转矩脉动和齿槽转矩;磁极正向偏移后在最大转矩电流比控制策略下具有更宽的恒功率区调速范围。最后,给出了非对称磁极永磁同步电机在实际工程应用时控制策略的实现方法。

一种永磁同步电主轴转矩脉动和电磁力波的抑制方法

针对磁极为平行充磁且两边平行的表面式永磁同步电主轴存在转矩脉动和径向电磁力波的问题,提出一种磁极结构优化方法以抑制转矩脉动和径向电磁力波。基于等效面电流法建立磁极表面半径为任意值的永磁同步电主轴转子气隙磁场的解析模型;综合研究转子气隙磁场对定子开槽电主轴转矩脉动、径向电磁力波的影响;在最小气隙长度不变的前提下,确立优化目标(气隙磁通密度的谐波和幅值),并通过迭代计算的方式得到满足不同优化目标的永磁体磁极结构方案(方案一结构和方案二结构);最后,通过有限元法验证转子气隙磁场解析模型的有效性,并对原结构电主轴、方案一结构电主轴和方案二结构电主轴的转子气隙磁场谐波、转矩脉动、齿槽转矩、平均转矩和径向电磁力波进行对比分析。结果表明:该优化方法可以得到满足不同优化目标的永磁体磁极结构方案,实现原电主轴指定阶次磁通密度谐波、转矩脉动和径向电磁力波的综合抑制。

永磁同步电机转子磁极优化技术综述

转矩脉动是永磁同步电机的重要参数,降低转矩脉动是提高永磁同步电机输出转矩、降低电机运行噪声的有效手段。为了实现低转矩脉动,需要对气隙磁密波形进行优化,气隙磁密的波形与定子形状、转子铁心形状以及转子永磁形状具有密切联系。合理的转子磁极结构能够大大降低转矩波动,进而提高输出转矩、降低噪声。转子磁极优化技术是近年来为解决永磁同步电机噪声大、效率低的热点技术之一。

Halbach磁极组合高速永磁同步电机优化

为提高高速永磁同步电机的气隙磁密性能和降低振动噪声,采用Halbach磁极组合优化电机气隙磁密性能,并通过转子分段降低振动噪声。分析了气隙磁密与Halbach结构之间的联系,通过优化永磁体形状和充磁方向共组成4种Halbach结构;并通过仿真对比分析,最终确定气隙磁密性能最好的不均匀不等厚Halbach结构能提高气隙磁密性能。在不均匀不等厚Halbach结构基础上,采用软磁材料代替永磁体,通过仿真分析,最终确定1/4软磁结构能节约永磁体成本。分析了转子分段与径向电磁力的关系,计算出不同分段数相对应的错极角度,通过仿真对比分析,最终确定转子分3段的优化方案,其最大振动加速度降低了44.8m/s2,最大声压降低了21d B,说明转子分段能有效降低振动噪声。