多变运行工况下混合励磁轴向磁场永磁电机自适应模型预测电流控制

针对多变运行工况下混合励磁轴向磁场永磁(hybrid excited axial field permanent magnet,HE-AFPM)电机中电励磁磁场与电枢磁场之间矢量耦合、端部漏磁等导致的电机参数非线性变化问题,该文提出一种混合励磁轴向磁场永磁电机自适应模型预测电流控制方法。详细分析HE-AFPM电机拓扑结构及参数变化特性;引入多矢量模型预测电流控制,理论推导分析HE-AFPM电机参数对控制系统的敏感性。在此基础上,将多矢量预测模型作为自适应控制的可调模型,降低了控制算法的复杂度和控制系统的计算负荷,提高了控制系统响应速度;依据波波夫(Popov)超稳定理论,引入3个不等式稳定判据设计各参数的自适应律,可实现多变运行工况下的HE-AFPM电机磁链、自感、互感等参数的有效识别,提高了控制模型的准确性和电流跟踪性能。最后,通过实验验证所提出的自适应模型预测电流控制的有效性。

AN ANALYSIS OF AXISYMMETRIC MAGNETIC FIELD OF LINEAR OSCILLATION MOTOR

In this paper, using axial field finite analysis method, the field of a movable core type linear oscillation motor is analyzed. The program of axial field finite analysis is worked out. Using this program, we analyze various fields, including the field excited by permanent magnet materials, the field by two coils respectively, and the fields with the core moving to various positions.

轴向磁通永磁电机冷却结构设计与温度场分析

为解决轴向磁通永磁电机散热难题,通过降低永磁体涡流损耗并采用水冷方式来限制电机温升。以一台25 kW、3000 r/min轴向磁通永磁电机为研究对象,分析永磁体分块对永磁体涡流的影响,确定永磁体分5段为综合最佳方案。设计两种水冷结构,分别是轴向内外螺旋水道和轴向内外U形水道。通过建立电机温度场分析模型,进行流固耦合的仿真计算,对比两种水冷结构的冷却效果,结果表明,U形结构冷却效果优于螺旋结构。

混合励磁轴向磁场磁通切换永磁电机多矢量模型预测电流控制

混合励磁轴向磁场磁通切换永磁(hybridexcitation axial field flux-switching permanent magnet,HEAFFSPM)电机是一种具有高效率、高功率密度、宽调速的新型永磁同步电机。该文针对该类混合励磁轴向磁场永磁电机的电励磁磁场与电枢磁场矢量耦合、参数非线性等问题,提出一种多矢量模型预测电流控制策略。详细分析电励磁磁场与电枢磁场耦合机理,构建HEAFFSPM电机离散数学模型。在此基础上,基于三矢量电流模型预测方法,提出电枢电压矢量与励磁电压矢量合成方法。在每个采样周期内,将多个基本电压矢量合成为两个幅值和方向均可调的虚拟电压矢量,实现对交、直轴电流与励磁电流的无差拍控制,有效缓解了电枢与励磁独立控制下磁场耦合导致的驱动系统运行性能恶化、电流畸变等问题,提高了HEAFFSPM电机控制系统的控制精度和响应速度。最后,通过实验验证所提出的多矢量模型预测电流控制策略的有效性。

径向-轴向复合气隙外转子永磁电动机的新型磁路研究

基于永磁材料本身磁导率低的特点,通过变换铁心结构获得低磁阻磁路,达到提高外转子永磁电动机功率密度的目标。运用Magnet软件对现有表贴式永磁电动机磁路进行静磁场分析,验证了相邻永磁体互为对方磁路中的大磁阻及漏磁大的缺陷。通过比较永磁材料、铁心材料和空气的磁导率特性,创新设计了一款径向-轴向复合气隙磁路的外转子永磁电动机。用Magnet软件对创新结构进行了对比静态磁场仿真,将气隙处的磁通量密度显著提高了20%。该结构如获得应用,则能提高外转子永磁电动机的功率密度,且能实现外转子永磁电动机目标应用对象的轻量化。

太赫兹行波管永磁聚焦系统仿真分析与设计

利用Ansoft Maxwell 2D软件建立太赫兹行波管永磁聚焦系统仿真模型,对模型结构尺寸进行参数化分析,研究永磁聚焦系统结构尺寸对聚焦系统轴向磁场分布、均匀区磁通密度(B)、磁场不均匀性(Δ)、磁场0点到均匀区距离(S)、均匀区长度(H)和系统重量(m)等多个指标的影响。在此基础上优化设计出了新的永磁聚焦系统,确定了永磁聚焦系统结构最佳尺寸。对应聚焦系统中心轴线上轴向磁场S=16 mm,H=30 mm,B=0.94 T,Δ=1.7%,m=10 kg。

盘式异步磁力联轴器传动特性

针对一台新型18极16槽盘式异步磁力联轴器，为研究其传动特性规律，首先以层理论模型为指导分析得出联轴器的转矩理论计算方法；然后通过有限元分析得出三维瞬态气隙磁场的分布以及不同工作参数对转矩传递的影响；最后通过三维磁场测量系统和传动试验台进行不同工况下的三维瞬态气隙磁场和转矩的实测，并得出不同工作参数与转矩、效率的关系曲线。仿真和试验结果都表明，联轴器中最大磁密出现在永磁转子上，磁转子背部的轭铁处磁密也较大：轴向分量为气隙磁密的主要分量，气隙厚度的减小使得轴向磁密以及转矩都会增加；随着转差率的增加、输入转速的增大，联轴器传递转矩也会增大，但轴向磁密却减小；当输出转矩增加时，转差率在一定范围呈线性平缓增加而后急剧上升，而传递效率却先上升后下降，且当转差率为3％时，效率达到最大；在给定转差率为6％时，输入功率的增加对联轴器的传动效率几乎无影响，效率基本保持在94％左右，从而验证转差率和效率之和满足常数1的规律；当输出转矩为26-48N·m时，传递效率始终保持在95％左右，此时转差率范围为2％～6％，证明盘式异步磁力联轴器能够在一定负载工况下高效运行，具有很好的传动特性。

低速永磁电动机转矩特性的三维有限元分析

针对轴向永磁减速式同步电机在设计与计算过程中存在的几个突出问题,诸如定转子所具有的特殊结构使齿槽效应很明显而导致用解析方法难以进行转矩的准确计算,以及磁场分布沿轴向变化导致二维有限元方法已不适用等,通过采用将三维有限元计算与实验研究相结合的研究方法,首次获得其转矩特性即电磁转矩与定转子相对位置及电流相位之间的关系曲线。实验研究还发现,虽然该类电机的堵转转矩随电流相位的变化正负波动,但仍然具有很高的起动能力。最后通过将所得到的转矩曲线与实测数据对比验证了计算结果的正确性。

轴向磁化永磁微电机磁场分析及设计方法研究

在轴向磁化永磁电机设计中,为研究尺寸效应对其性能的影响,采用有限元方法对这种双转子电机的磁场进行了仿真计算,得出了轴向磁化永磁电机转子的气隙磁密波形分布。分析了转子外形尺寸、充磁极数、磁体厚度和气隙长度对气隙磁密的影响,即随着气隙长度的增加,充磁极数多的其气隙磁密幅值的减小幅度大于充磁极数少的;随着磁体厚度的增加,气隙磁密为一上升曲线,当磁体厚度达到某一点时,气隙磁密幅值基本为一常数;减小转子直径时,随着磁体厚度的降低,平均半径处气隙磁密幅值的减小幅度越来越不明显,但为不使气隙磁密波形变形严重,永磁转子径向长度需至少大于1.5 mm。磁场分析结果可对该类电机微小型化过程中的设计起指导作用。对计算结果做了理论分析,并将计算结果和实验结果进行了比较,计算值和实测值基本一致。

高频非晶合金轴向磁通永磁电机不同冷却方案温度场分析

针对高频非晶合金轴向磁通永磁电机永磁体涡流损耗大、永磁体温升高的问题,对定子连接板上开设水道冷却系统和电机两侧端盖加装冷却水套冷却系统的冷却效果进行了对比分析。对于定子连接板上开设水道冷却系统,计算了不同水道数和不同水速时永磁体温升,给出了水道数选择依据。对电机两侧端盖加装冷却水套冷却系统,分析了冷却水套中有无扰流板以及扰流板形状及其放置位置对冷却效果的影响,并对几种方案水头损失进行了对比分析。计算了不同水速时定子连接板水道冷却系统和无扰流板水套冷却系统永磁体温升和水头损失,指出定子连接板水道冷却系统更适合于非晶合金轴向磁通永磁电机。对一台7 k W、无扰流板水套冷却系统非晶合金轴向磁通永磁样机进行了温升实验,实验结果验证了仿真分析的正确性。

磁极径向组合轴向磁场永磁电机转矩品质分析与优化设计

为了实现轴向磁场永磁(axial field permanent magnet,AFPM)电机大转矩惯量比、低转矩脉动等高品质转矩输出,提出磁极径向组合式的AFPM电机,采用传统表贴永磁与Halbach永磁阵列沿径向排列的转子结构。分析电机运行原理,推导电机功率尺寸方程;通过有限元方法对比分析该结构与传统表贴式结构的磁场分布、转矩、转矩脉动、反电动势及电感等电磁特性。在此基础上,基于响应面分析,构建多目标遗传优化设计方法,对电机转矩、齿槽转矩、反电动势和转矩脉动进行优化设计。最后,基于优选参数加工制造样机,并进行实验研究,验证了该电机结构的有效性和分析的正确性。

轴向磁场磁通切换永磁电机齿槽转矩分析

为了有效削弱轴向磁场磁通切换永磁电机的齿槽转矩,采用能量差分法,建立了该种电机齿槽转矩的解析表达式,针对表达式中的电机结构参数,利用全场域三维有限元法,分析了一台三相12/10极轴向磁场磁通切换永磁电机在不同结构参数下的齿槽转矩,得到当定子齿宽、定子槽口宽与永磁体磁化厚度均占内径圆弧7·5°,转子齿宽占内径圆弧10·5°,且为准扇形齿时,该电机的齿槽转矩最小;在定子轭部铁心不饱和的情况下,齿槽转矩随定子厚度减小而减小,而受转子厚度的影响较小。综合考虑电机不同结构参数对齿槽转矩和感应电势的影响,得到了削弱轴向磁场磁通切换永磁电机齿槽转矩的有效方法,有效地改善了该电机的运行性能。

轴向磁通永磁电机空载气隙磁场建模分析

针对轴向磁通永磁电机有限元仿真较为耗时的问题,建立了轴向磁通永磁电机空载气隙磁场解析模型。提出通过建立虚拟等效直线电机模型用以计算气隙磁场端部效应修正函数,使得空载气隙磁场模型得以整体解析化。给出了气隙磁导函数相应的替代函数,并对此替代函数进行了傅里叶级数转换,使空载气隙磁场函数具有形式上统一的解析表达式,便于计算机编程实现。对空载气隙磁密、空载反电动势和齿槽转矩进行了解析计算,与有限元计算结果对比,验证了该文所建立的空载气隙磁场模型的正确性和可行性,可以作为轴向磁通永磁电机设计人员参考使用。

基于计算流体力学的非晶合金轴向磁通永磁电机冷却系统设计

采用一种新型材料——非晶合金作为轴向磁通永磁(AFPM)电机的定子铁心。研制非晶合金和硅钢片两种材料的定子铁心,对其损耗特性进行对比,实验数据显示非晶合金替代常规硅钢片作为电机铁心,能够降低电机的铁耗,但是同时由于高频率的选择使得电机转子部分等损耗有所增加。为进一步提高非晶合金轴向磁通永磁电机冷却效率,优化电机设计保证电机的安全运行,对该类电机的冷却系统进行设计。研究四种冷却结构并建立相应的三维流体场数学模型和物理模型,基于计算流体力学(CFD)理论基础,通过有限体积法,在相同的计算条件、网格划分前提下,研究四种冷却结构的热特性和流动特性。优选出螺旋型结构并对其进行具体尺寸参数设计,最后对无隔水板和螺旋结构进行温升试验。试验结果表明,螺旋结构的绕组和转子冷却效率高出无隔水板结构33.1%和26.5%,为该类新型材料的永磁电机冷却结构设计及电磁方案优化提供了指导。

不同磁极拓扑结构的轴向磁通永磁同步电机传热的研究

针对轴向磁通永磁电机转子散热困难,使得永磁体容易温度过高的问题,研究考虑实际变频器供电,永磁体分段后的电密和涡流损耗。永磁体的分段方式分别为径向等长度、径向等体积和周向等体积分段。结合降低涡流损耗的效果和经济性综合分析,优选出永磁体最优的分段数。在优选分段数的基础上,考虑了永磁体之间粘接胶的影响,研究三种分段方式对电机温度场的影响,并与永磁体未分段的电机温度进行对比。最后制作了样机,进行效率和温升实验,验证了仿真计算的准确性。研究永磁体的分段,为进一步提高轴向磁通永磁电机的效率和功率密度,对电机设计初期选用更高的热负荷提供了参考依据。

盘式异步磁力联轴器三维气隙磁场计算及试验研究

为研究盘式异步磁力联轴器气隙内磁场的空间分布,首次利用等效电流模型对联轴器的气隙磁场建立三维解析模型,推导出了气隙处任意场点的磁感应强度解析公式。针对一台18极的盘式异步磁力联轴器,采用Matlab编程求解得出了气隙磁场沿轴向、径向及周向的三维空间分布。同时采用试验测量装置对不同气隙厚度下的气隙磁场分布进行了三维磁场测量,测量结果与解析结果具有很好的一致性,都表明轴向磁场为气隙磁场的主要分量,并且轴向磁场的波形为近似正弦波,可传递稳定的转矩;随着气隙厚度的增大,气隙磁密幅值将会迅速降低。通过对三维气隙磁场的分析,为联轴器的转矩特性计算和结构优化提供了依据。

高频非晶合金轴向磁通永磁电机温度场计算

高频非晶合金轴向磁通永磁电机永磁体涡流损耗分布不均,所以在电机温度场计算时不能简单地给永磁体赋一个平均生热率,需要根据永磁体不同位置的涡流损耗密度赋相应的生热率。本文将永磁体分成多块,利用有限元分别计算每块永磁体上的涡流损耗大小,给出了永磁体的不同位置涡流损耗分布规律。根据涡流损耗分布规律,改进了的永磁体分块原则,提高了电机温升计算效率。最后,利用有限体积法对考虑涡流损耗分布和未考虑涡流损耗分布两种情况下电机的温升分别进行了计算,结果显示,考虑涡流损耗分布计算出的电机温升结果更接近实测值。

轴向磁场磁通切换永磁电机矢量控制

为了研究轴向磁场磁通切换永磁(AFFSPM)电机在恒转矩和恒功率区域的运行性能,分析了AFFSPM电机的结构特征,推导了AFFSPM电机的数学模型.基于矢量控制建立了AFFSPM电机的驱动系统.在恒转矩区域,采用了最大转矩电流比(MTPA)控制策略,并与id=0控制进行了对比;在恒功率区域,采用了一种基于电感补偿且保持q轴反电势不变的弱磁控制策略,并与普通弱磁控制进行了对比.仿真与实验结果表明,MTPA控制可以减小AFFSPM电机的铜耗.基于电感补偿的弱磁控制可以拓宽AFFSPM电机的恒功率运行范围,提高了AFFSPM电机运行性能,且AFFSPM电机轴向长度短、转子结构简单,因此比较适合用作电动汽车轮毂电机.

低速高效垂直轴风力发电机及其特性分析

针对低风速区风力发电机需要低风速切入问题,研究了一种低速高效的定子无铁芯轴向磁通永磁风力发电机。对影响发电机性能的关键参数对进行了归纳,提出了一种单层非重叠集中绕组和优选"切饼"型磁极组合的设计理念。确定了定子无铁芯轴向磁通永磁风力发电机性能分析参数方案。利用三维有限元发电机设计平台,对发电机的空载输出特性,交、直流负载输出特性和不同转速下的负载输出特性进行了对比研究。研究结果表明,该结构发电机的各项基本电磁参数和输出特性均能满足低速风力发电系统的特殊要求:优选的磁极结构使发电机总永磁体耗用量节约11.5%,发电机最大输出效率达87.75%;低转速范围运行时,效率维持在85%以上;不同工况下输出电能总谐波畸变率低于3%。

全封闭高速永磁电机转子结构对转子散热的影响

为研究转子物理结构对机壳水冷全封闭式高速永磁电机转子散热的影响,以一台15k W、30 000r/min的非晶合金高速永磁电机为例,基于流体力学和传热学理论,建立三维流固耦合共轭传热求解域模型,并给出基本假设与边界条件,采用有限体积法进行流固耦合求解,得到转子有无轴向通风孔和通风孔与风刺相配合时电机内流体流动特性及各部件的温度分布。在此基础上,研究通风孔尺寸、通风孔数量变化对流体场及温度场的影响。计算结果表明,转子引入风刺和通风孔等风压元件可有效提高转子的散热能力,降低永磁体温升。通过增大通风孔尺寸和数量可进一步降低永磁体温升。最后,对一台15k W全封闭式水冷非晶合金永磁电机进行了温升试验,并将试验数据与计算结果进行对比,验证了耦合场计算结果的正确性。