Developing a 3D-FEM Model for Electromagnetic Analysis of an Axial Flux Permanent Magnet Machine

Recently, many optimal designs for axial flux permanent magnet (AFPM) motors were performed based on finite- element (FE) analysis. Most of the models are based on reduction of 3D problem to 2D problem which is not accurate for design aspects. This paper describes an accurate electromagnetic analysis of a surface mounted, 28 pole AFPM with concentrated stator winding. The AFPM is modeled with three-dimensional finite-element method. This model in-cludes all geometrical and physical characteristics of the machine components. Using this accurate modeling makes it possible to obtain demanded signals for a very high precision analysis. Magnetic flux density, back-EMF, magnetic axial force and cogging torque of the motor are simulated using FLUX-3D V10.3.2. Meanwhile, the model is paramet-ric and can be used for design process and sensitivity analysis.

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。

一种功率型无铁芯AFPM电机绕组涡流损耗抑制方法

用于水下航行体推进装置的功率型无铁芯永磁盘式(AFPM)电机定子绕组由于直接暴露在交变磁场中,会产生很大的涡流损耗,从而影响电机性能。本文推导了2种截面导体在交变磁场中的涡流损耗计算公式,提出了使用股间绝缘细绞合线代替原有扁平矩形导线来减少涡流损耗,建立了等效直线电机2D有限元模型,分析计算了绕组涡流损耗,同时通过11 kW原理样机损耗试验,验证了相关理论与计算方法的可行性和准确性。

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。

轴向磁通电机中Halbach阵列永磁体的解析优化方法

为了进一步增大采用软磁复合材料铁心的轴向磁通永磁电机的电磁转矩,针对其不等宽的两段式Halbach阵列永磁体进行解析优化,利用无槽2D等效模型和有槽气隙相对磁导率解析了气隙磁场和电磁性能;进而基于电磁转矩的导数和复化求积公式推导了使电磁转矩最大化的Halbach阵列最优轴向充磁系数的表达式;采用轴向磁通永磁电机的3D有限元方法分析验证了气隙磁场、反电动势、电磁转矩以及Halbach阵列最优轴向充磁系数的解析解的准确性。Halbach阵列解析优化的结果表明:当轴向充磁系数为0.82时,轴向磁通永磁电机的电磁转矩达到最大;最优轴向充磁系数取决于极对数、永磁体厚度、电机径向尺寸和气隙宽度等;当极对数为5时,最优轴向充磁系数会随着永磁体厚度的增加而减小,而电机径向尺寸的增加会导致最优轴向充磁系数的增大;气隙宽度对最优轴向充磁系数的影响较小,基本可以忽略。

基于效率及温升的轴向磁通永磁电机优化设计

从定子无铁心轴向磁通永磁电机高效率低温升的优化设计目标出发,对拟设计电机进行单变量参数化分析和多维优化设计。通过建立无铁心轴向磁通永磁电机的参数化等效磁网络模型和集总参数等效热网络模型,并使用MATLAB编程计算各组参数下电机的各部分损耗、电机效率及各部分温升变化,实现电机的参数分析和性能计算。文中综合考虑电机效率和温升最优区域在多维设计空间的分布,寻找满足约束条件的最优设计值,并根据优化设计的电机参数设计一台无铁心轴向磁通永磁电机,实测典型工况下电机的性能,与仿真的电机效率和温升结果进行对比,验证了优化设计方法的可行性和有效性。

高功率密度轴向磁通永磁电机新型水冷结构设计与温度场分析

高效的冷却结构,不仅可以保证电机安全运行,还能优化电机设计。为提高高功率密度轴向磁通永磁电机的散热能力,该文在特殊的定子架中分别设计两种新颖的水冷结构。第一种是轴向内外循环水冷结构,第二种是槽内内外循环水冷结构。通过合理的等效与假设,建立两种水冷结构的三维模型,并且基于流固耦合进行仿真分析。通过对比两种水冷结构的流速、压降、冷却效果和散热面积,选择槽内内外循环水冷结构作为电机的冷却系统。并计算了不同流速时电机温升和水冷结构压降,确定入口的最佳流速。最后对一台额定功率为50kW的轴向磁通永磁电机进行温升实验。实验结果证明槽内内外循环水冷结构可以有效地提高电机的散热能力,验证了理论分析的正确性。

配有冷却风扇的永磁电机三维热分析（英文）

目的:提出一种适合永磁电机的冷却系统设计方案,降低电机本体温度。创新点:提出一种适合永磁电机热分析的CFD仿真模型。方法:采用计算流体动力学方法对包含冷却风扇的永磁电机进行空间三维热力学分析和优化设计。结论:本文提出并优化后的冷却风扇可有效降低永磁电机的最高和平均温度。