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。

船用混合励磁交替极永磁游标直线电机研究

提出并设计一种应用于舰船低速直驱系统的混合励磁交替极永磁游标直线电机。阐述了该电机的结构设计和理论分析,以提高电机输出性能为目标,利用二维有限元法对极弧系数和Halbach永磁体阵列尺寸等关键技术参数进行优化,分析了电机的电磁性能,验证了电机结构设计的合理性,最后将该电机与交替极、隐极和混合励磁隐极3种次级结构的电机进行了比较。结果表明,与混合励磁隐极结构相比,设置在电枢齿间的Halbach永磁体阵列能显著提升交替极电机的输出性能,该电机在磁钢利用率、输出推力、推力波动等方面拥有更优越的性能表现,综合性能较优,在舰船武器升降平台、直线驱动往复水泵等低速大推力场合拥有广阔的应用前景。

低转矩波动交错转子连续极轴向磁通永磁电机设计

为消除轴向磁通电机中的偶次谐波,本文结合双转子连续极轴向磁通电机的结构特点,设计了一种转子交错布置的交错转子连续极轴向磁通电机。通过使用两转子之间交错180°电角度的交错转子连续极轴向磁通结构,消除了电机总气隙磁密中的偶次谐波,使电机转矩波动得到了显著降低。通过使用简化磁路,对交错转子连续极轴向磁通结构消除偶次谐波的原理进行了说明。最后通过有限元软件进行仿真验证。结果表明:本文提出的交错转子连续极轴向磁通电机虽然单个转子产生的相反电势中仍然存在大量的偶次谐波,但两转子共同产生的总相反电势中不存在偶次谐波,从而消除了电机中偶次谐波对电机转矩波动的影响;与传统连续极轴向磁通电机相比,交错转子连续极轴向磁通电机的转矩波动由49.06%降至7.09%,降低了85.55%;电机相反电势在电机绕组不变的基础上消除了偶次谐波,表明电机转子磁动势在电机定子的磁场中不存在偶次谐波,因此相比于传统连续极轴向磁通电机,交错转子连续极轴向磁通电机的铁耗由302.43 W降至276.43 W,降低了8.59%;此外,交错转子连续极轴向磁通电机的平均转矩由传统连续极轴向磁通电机的621.17 N·m提升至677.63 N·m,提升了9.08%。

3对极无轴承交替极薄片电机的理论与实现

无轴承交替极永磁电机因其悬浮与旋转本质上完全解耦,其控制系统得以极大简化,但其前提条件是电机极对数必须≥4。极对数过大限制了其应用范围,特别是在高速场合。为减少极对数,该文研究了一种3对极无轴承交替极永磁电机。通过磁路分析发现,3对极电机中存在一固有的悬浮力脉动,且该悬浮力脉动无法完全消除。分析该脉动的数学模型发现,通过适当增加永磁体厚度、减小气隙的方法,可以将悬浮力脉动控制在可接受的范围内,采用有限元仿真对该结论进行了验证。通过实验,实现了3对极原理样机的稳定悬浮,证明了3对极无轴承交替极永磁电机的可行性。

新型交替极无轴承永磁电机的原理与实现

传统永磁型无轴承电机悬浮力和转矩控制存在耦合,该文对一种新型交替极转子结构的无轴承永磁电机的磁悬浮原理进行了深入分析和数学建模,指出该类型电机所具有的独特的悬浮控制和转矩控制解耦的特点,并构建了无轴承交替极永磁电机的实时控制系统。实验结果表明实现了该新型无轴承永磁电机的动、静态稳定悬浮,验证了悬浮与转矩控制解耦的特性。

基于摄动法的交替极永磁电机偏心磁场解析计算

应用摄动法求解交替极永磁电机偏心磁场问题,求解区域分为气隙和永磁体两部分,建立了这两部分的摄动方程,并给出了求解域的边界条件和方程的通解,利用边界条件确定了通解的待定系数,得到了偏心情况下交替极永磁电机气隙区域的磁场分布和偏心力。最后应用有限元进行了计算,结果表明该方法对于解决交替极永磁电机偏心磁场问题的正确性。

双交替极横向磁通直线电机的基础研究

提出一种新型双交替极横向磁通直线电机。该结构集成了两种交替极横向磁通电机拓扑,位于初级和次级的永磁体产生的磁通以相同的方向与绕组相交链,通过共用部分铁心和绕组,充分利用了电机内部空间,提高了材料利用率,增大了电机推力密度。通过分析电机内磁场分布,建立电机磁网络拓扑,并计算绕组磁链,推导电机电磁力表达式。通过有限元对理论分析进行验证,得到电机磁链、反电势及电磁推力分布波形。研制一台实验样机,测量样机的反电势,验证新结构电机的原理与性能。

无轴承交替极永磁电机磁极形状优化设计

为了优化无轴承交替极永磁电机性能,从转子结构入手分析交替极转子结构及绕组形式对空载反电势、齿槽转矩等空载特性的影响,提出一种转子磁极离心的磁极形状优化设计方法。通过对比磁极优化前后空载和负载性能发现磁极形状优化对抑制反电势谐波、减小齿槽转、降低转矩脉动等具有积极意义,但同时也导致平均转矩和平均悬浮力的损失。为弥补平均转矩和悬浮力损失,提出采用适当增加转子外径、减小气隙长度的设计方法。最后利用有限元分析对比结构优化前后的基本电磁特性,电机转矩常数由0.155 N·m/A升至0.181 N·m/A,转矩脉动由30.4%降为12.1%;额定悬浮力由14.6 N升至23 N,悬浮力脉动由8%降为7.8%,最大径向耦合由7%升至7.7%。

交替极永磁无轴承电机的直接悬浮力控制

通过借鉴永磁同步电机直接转矩控制(PMSM-DTC)的思想,将直接转矩控制的理论和方法应用到永磁型无轴承电机磁悬浮力的控制上去,提出了一种新颖的基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法的直接悬浮力控制算法,并在一台交替极无轴承永磁电机上进行了实验验证,结果表明该控制思想的正确性和有效性。

无轴承交替极永磁电机空载气隙磁场全局解析模型

建立交替极永磁转子全局解析模型,求解无轴承交替极永磁电机空载气隙磁场,求解区域划分为气隙区域、永磁体区域和槽区域。利用各子区域之间的边界条件求解拉普拉斯方程和泊松方程,通过矢量磁位求得气隙磁通密度表达式。气隙磁通密度和感应电动势波形的解析计算结果与有限元分析结果相比较,验证了全局解析模型的正确性和有效性。

无轴承交替极永磁电机集中式悬浮绕组结构及其优化设计方法

在一台12槽8极无轴承交替极永磁电机上研究了集中式悬浮绕组结构对电机悬浮性能的影响,研究并提出能够提高悬浮性能的绕组结构及优化方法。首先,分析两相和三相传统集中式绕组径向存在较强耦合关系的原因。其次,研究一种带辅助线圈的三相改进集中式绕组结构,并提出一种带辅助线圈的两相改进集中式绕组结构以验证两相绕组经优化改进作为悬浮绕组的可能性。然后,为优化改进集中式悬浮绕组结构,研究了基于悬浮力解析的绕组优化法。但该方法优化过程复杂,从简化绕组优化设计过程角度,提出基于悬浮磁动势总谐波畸变最小的绕组优化法。最后,将两种绕组优化法用于两相和三相改进集中式悬浮绕组的优化中,理论和有限元分析结果表明本文所提优化方法的有效性。

无轴承交替极永磁电机悬浮绕组及其特性研究

为研究悬浮绕组结构及其磁势空间谐波对无轴承交替极永磁电机悬浮特性的影响,在计及悬浮磁势空间谐波条件下,推导了电机悬浮力表达式。同时,定义径向力/电流刚度、径向力脉动率和径向自由度最大耦合率等3个参数量化分析径向力特性。在此基础上,在相同定转子结构下,研究了集中式、分布式、环形式以及带辅助线圈的集中式等4种悬浮绕组结构,并对各悬浮绕组磁势空间谐波及其影响进行分析。从降低悬浮磁势空间谐波和提高悬浮性能角度出发,提出一种带辅助线圈的集中式绕组以及悬浮磁势总谐波畸变最小的辅助线圈绕组系数优化方法。通过有限元分析,定量研究4种悬浮绕组结构下的悬浮特性,从而量化悬浮磁势空间谐波含量与悬浮特性的关系,为无轴承交替极永磁电机悬浮系统设计提供指导。

交替极轮毂电机齿槽转矩的优化研究

针对交替极轮毂电机,研究能够削弱其齿槽转矩的结构参数。对永磁电机齿槽转矩的产生机理进行分析,可以通过槽极数配合、优化极弧系数两种方法减小齿槽转矩,运用有限元分析软件Ansoft对电机进行二维建模,并通过上述两种方法对齿槽转矩进行仿真分析,最终得出选择合理的槽极数组合以及极弧系数,能够有效地减小齿槽转矩。

电动汽车用新型交替极永磁游标电机研究

设计了一种应用于电动汽车直驱系统的双边Halbach交替极永磁游标电机,以提高电机输出性能为目标,利用二维有限元法对电机内、外定子调制齿尺寸,转子内、外侧永磁体阵列错位角度及磁极尺寸等关键技术参数进行优化,分析了电机的电磁性能,并将其与传统永磁游标电机进行了比较。结果表明:双边Halbach永磁体阵列错位一定角度后,能有效降低齿槽转矩及转矩脉动;与传统游标电机相比,该电机在永磁体利用率、平均输出转矩及转矩波动方面具有显著优势,综合性能较优,更适用于新能源电动汽车直驱系统。

连续极永磁直线同步电机定位力和推力波动抑制研究

永磁直线同步电机(PMLSM)具有推力密度高、效率高、无中间传动机构等优点。PMLSM通常采用N-S极永磁体(PMs),但当长行程电机使用大量PMs时,存在成本高的缺点。针对自动化生产线,提出一种新型模块化连续极PMLSM方案,适用于负载变化范围不大的应用场合。采用有限元法对连续极PMLSM的电磁特性进行仿真分析。通过优化永磁体尺寸参数,分析极弧系数和永磁体厚度对电机电磁特性和推力特性的影响。提出四段式模块化拓扑,并建立相应的分段函数模型,从而消除端部力的基波和奇数次谐波,抑制定位力和推力波动。

Design to Improve Thrust Force Performance of Dual-side Primary Permanent-magnet Vernier Linear Motor

A novel dual-side primary permanent-magnet vernier linear(DS-PPMVL)motors is proposed.The novelty of the proposed motors is the design of asymmetric consequent poles on the mover,which can effectively enforce the flux-modulation effect and improve the thrust force performance.First,the topologies and operation principle are introduced.Subsequently,the structure relationships between the existing and proposed motors are discussed.Then,a unified analytical model is built.Accordingly,the magnetic field generated by the consequent pole is calculated.Meanwhile,the performance improvement mechanism with the asymmetric consequent pole is analyzed.To improve the efficiency of motor optimization,multi-objective optimization method is adopted to obtain the global optimal solution combination of structure parameters.The proposed motors exhibit higher thrust force,higher force density,less PM consumption,and better overload performance than the existing DS-PPMVL motor.Finally,experiments are conducted based on the existing prototype to verify the accuracy of the design and analysis.

压缩机用交替极永磁同步电机关键尺寸参数优化设计

交替极永磁体永磁同步电机仅具有常规永磁同步电机一半数量的永磁体,可以显著降低永磁体使用量。本文分析了交替极电机的运行原理,指出了其与常规电机的结构差异,并且分析了由结构差异导致的优缺点。而后通过有限元分析,探讨了交替极电机模型中四个关键结构对其性能的影响,结果表明,不同的结构对电机性能的影响存在着明显的优先级,在电机优化过程中应有所侧重。

外转子交替极伺服永磁电机低转矩脉动设计与综合优化

针对伺服电机减少永磁体用量、降低转矩脉动的需求,研究了削弱外转子交替极永磁电机转矩脉动的方法。对交替极永磁电机转矩脉动的产生机理进行了分析,可以通过永磁体极弧系数优化、永磁机不等极弧系数配合和定子齿偏心结构等方法削弱电机转矩脉动,运用有限元分析软件Ansys Maxwell对电机进行二维建模,并对比了不同优化方法对电机转矩脉动削弱的效果,最终验证了采用多种方法对外转子交替极永磁电机转矩脉动进行综合优化能够有效削弱电机的转矩脉动。