Coupler Loss Analysis of Magnetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer System

The demand for electric vehicles has increased over the past few years.Wireless power transfer for electric vehicles provides more flexibility than traditional plug-in charging technology.Charging couplers are critical components in wireless power transfer systems.The thermal effect produced by the magnetic coupler in work will cause the temperature of the device to rise rapidly,affecting the work efficiency,transfer power,operation reliability,and service life.This paper modeled and analyzed each component's temperature distribution characteristics and thermal behavior.Firstly,the magnetic coupler's mutual inductance and magnetic circuit model are established,and the thermal model of the magnetic coupler analyzes the heat generation process.The thermal models of the coupler under three different magnetic core distributions are established,and the temperature rise of each component is obtained.The temperature rise of different parts of the coupler is verified by the temperature rise test structure of the experiment.

Design and Analysis of Self-excited Miniature Magnetic Generator

Nowadays, electronic devices are more and more integrated into everyday life. These seamless integrations focus on mobility, but at the same time strive to be unobtrusive to the end user. With the introduction of personal data assistants and intelligent cellular phones for the searching of the website, true mobile computing is closer than ever. However, battery technology, which powers most of these mobile connectivity solutions, has not kept up the same pace of improvement. The paper describes a methodology for the design and performance of a self-excited permanent-magnet generator applied to low power supplies. It combines an analytical field model, a lumped reluctance equivalent magnetic circuit, and an equivalent electrical circuit. An illustrated example of a 15-mW, 290-r/min generator is given, and the analysis techniques are validated by measurements on a prototype system.

Method of simulating hybrid STT-MTJ/CMOS circuits based on MATLAB/Simulink

The spin-transfer-torque(STT)magnetic tunneling junction(MTJ)device is one of the prominent candidates for spintronic logic circuit and neuromorphic computing.Therefore,building a simulation framework of hybrid STT-MTJ/CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor)circuits is of great value for designing a new kind of computing paradigm based on the spintronic devices.In this work,we develop a simulation framework of hybrid STT-MTJ/CMOS circuits based on MATLAB/Simulink,which is mainly composed of a physics-based STT-MTJ model,a controlled resistor,and a current sensor.In the proposed framework,the STT-MTJ model,based on the Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewsk(LLGS)equation,is implemented using the MATLAB script.The proposed simulation framework is modularized design,with the advantage of simple-to-use and easy-to-expand.To prove the effectiveness of the proposed framework,the STT-MTJ model is benchmarked with experimental results.Furthermore,the pre-charge sense amplifier(PCSA)circuit consisting of two STT-MTJ devices is validated and the electrical coupling of two spin-torque oscillators is simulated.The results demonstrate the effectiveness of our simulation framework.

爬壁机器人磁吸附模块设计分析与结构参数优化

作为磁吸附式爬壁机器人的关键部件,磁吸附模块的结构通常会影响机器人的整体质量及吸附稳定性。针对磁吸附模块磁路耦合关系复杂、优化设计困难等问题,结合虚拟仿真技术、代理模型和蜣螂优化算法提出了一种磁吸附模块结构优化方法,以提高其磁力计算和优化设计过程的效率。首先,介绍了爬壁机器人的结构设计方案,并通过对现有的Halbach阵列磁路模式进行仿真分析,确定了三磁路模式具有相对较高的吸附效率;同时,基于初设参数对磁吸附模块磁力仿真模型进行了实验验证,为后续代理模型的建立奠定了基础。然后,建立了以机器人吸附稳定性和结构参数为约束、以磁吸附模块轻量化为目标的优化模型。采用最优拉丁超立方设计、ANSYS参数化建模以及代理模型技术建立了磁吸附模块磁力与结构参数之间的四阶响应面模型,并对其可信度进行了验证。利用蜣螂优化算法对磁吸附模块的结构参数优化模型进行了求解。结果表明,所建立的代理模型的预测误差很小,能够较好地表征磁吸附模块磁力与结构参数之间的关系;优化后磁吸附模块的质量减小了12.7%。最后,通过机器人负载实验验证了优化过程的正确性。研究结果可为其他磁吸附式机器人的磁力分析与结构优化提供参考。

直动式机电运动装置的改进磁路-运动耦合模型及快速仿真

电磁阀、继电器等机电装置的动态性能快速仿真对研发设计非常重要.改进未磁饱和的直动式机电运动装置的磁路模型,并联合机构运动方程实现机电运动装置的快速仿真.与基于理想磁阻假设的常规磁路模型不同,改进磁路模型采用机构运动位移的3次多项式表示非饱和总磁阻,并通过上、下运动极限处静态磁力和电感仿真值标定多项式的4个待定系数,可更加准确地预测磁吸力和电感随运动位移变化.进一步联合改进的磁路方程与机构运动方程,得到改进的磁路-运动耦合模型,在Simulink系统中实现某电磁制动器和电磁阀的快速秒级仿真,可在保证计算精度的同时,大幅减少有限元仿真所需时间.

混合励磁式电涡流制退机电磁场与阻力特性分析

电涡流制退机具有无液体泄漏、无需密封、阻力稳定的优势。与目前应用较多的永磁式电涡流制退机相比,混合励磁式电涡流制退机采用线圈替代了一部分永磁体,对阻力特性的调节效果更好。对比了混合励磁式电涡流制退机2种可能的结构形式,然后根据磁路分析与初步计算选择出具有更好阻力性能的结构。针对该结构,利用等效磁路法计算气隙磁场,采用子域模型考虑感生涡流影响,建立了求解混合励磁式电涡流制退机阻力值的等效子域模型。根据某口径火炮反后坐要求,确定了制退机的主要尺寸参数,完成了混合励磁式电涡流制退机结构参数的前期设计,并通过数值计算对解析计算结果进行了验证。接着,针对某口径火炮发射时的工况建立仿真模型,以炮膛合力曲线和复进机力的后坐行程函数曲线作为条件输入,分析强冲击载荷下混合励磁式电涡流制退机的电磁阻尼力、后坐位移和后坐速度规律。最后,分析了不同气隙宽度与内筒的电导率对电磁阻尼力的影响,结果表明气隙宽度越小电磁阻尼力越大,同时过大的内筒电导率会导致电磁阻尼力呈现“马鞍”型。本文研究可为混合励磁式电涡流制退机的工程化应用提供理论基础。

改进气隙磁导计算的混合励磁电机建模与分析

针对等效磁路(EMC)模型中气隙磁导分段建模复杂、容易引入误差的问题,将槽漏磁磁路集中在气隙中,通过计算等效气隙长度的空间分布,将气隙磁导计算转化为与等效气隙长度相关的积分。此外,通过分析混合励磁开关磁链永磁(HESFPM)电机导磁桥饱和现象的机制,采用分子区域建模的方法,提出一种考虑槽漏磁、永磁体极间漏磁及导磁桥不均匀饱和的EMC模型。以一台12槽10极的HESFPM电机为例,将所提EMC模型分别与有限元分析(FEA)法、实验结果进行对比。结果表明:所提EMC模型在保证电机电磁性能计算精度的前提下,计算时长仅为FEA仿真的0.12%,极大地提高了计算速度。

非晶合金-取向硅钢组合铁心结构设计及其磁-振动特性分析

非晶合金和取向硅钢是制作配电变压器铁心常用的两种软磁材料,各有优劣。采用非晶合金-取向硅钢组合铁心结构可以综合两者的优势。该文以非晶合金和取向硅钢铁心并排的组合结构为基础,选取组合铁心的取向硅钢占比和尺寸参数为自由变量,提出一种基于自由参数扫描法的组合铁心结构设计方法。首先,根据非晶合金-取向硅钢组合铁心结构特点,建立组合铁心的等效双非线性磁路模型;其次,采用磁路法迭代求解组合铁心的磁通密度分布,并制定组合铁心的结构设计流程;最后,根据结构设计结果制作了组合铁心的实验模型,采用实验和有限元仿真结合的方法分析了其磁-振动特性,验证了所提设计方法的准确性,并与传统纯非晶合金和纯取向硅钢铁心进行对比分析,阐述了组合铁心的优势。

考虑磁滞效应的非晶合金-取向硅钢组合铁心双非线性励磁特性研究

非晶合金-取向硅钢组合铁心可以综合传统纯非晶合金和纯取向硅钢铁心的优势,在配电变压器领域具有广阔的应用前景。对含有2种非线性软磁材料的组合铁心励磁特性进行分析是实现其结构优化设计的前提。首先,建立组合铁心在开路励磁条件下的等效电路模型,并根据基尔霍夫第二定律列写其回路电压方程;其次,根据组合铁心的结构特点建立其等效双非线性磁路模型,并基于安培环路定律和磁通连续性原理列写其磁路方程;再次,根据导数变换将磁路方程耦合至回路电压方程中的电动势项,并采用Jiles-Atherton磁滞模型表征非晶合金和取向硅钢的非线性磁化特性,从而建立考虑磁滞效应的组合铁心双非线性电路-磁路耦合模型;最后,基于该耦合模型,求解组合铁心的励磁电流、磁通密度分布和空载损耗,通过与实测结果进行对比,验证所提方法的准确性。

基于不完全退火的正态云禁忌搜索算法及应用

针对RC电路参数优化应用时的局限性,提出一种基于不完全退火的正态云禁忌搜索算法。该算法对原始禁忌搜索算法在寻优过程中出现的对寻优起点过度依赖、早熟、灵敏度不一致等问题进行了改进,首先通过引入改进的不完全模拟退火Metropolis准则作为算子,使得原始禁忌搜索不再依赖初始可行解,具备了一定逃离局部最优解能力;然后采用正态云模型,提出了一种自适应禁忌表记忆策略及遗忘机制,使得禁忌搜索算法具备更强随机性与模糊性,进一步增强其全局搜索性能;最后针对灵敏度不一致问题,提出串行多维多灵敏度混合编、解码策略,实现在同一算法框架下对不同寻优对象定义不同搜索范围,使得低灵敏度解受忽略程度大大降低。采用8个基准函数及TSP-Oliver30标准测试算例进行性能评估,并与其他6种同类型算法对比,证明该算法对原始禁忌搜索算法优化效果良好。将该算法应用于SiMOSFET加速器磁铁开关电源参数优化后,经仿真与实验,结果表明:所提改进算法能够对工程应用进行实际优化,具备优越性与可行性。

双三相永磁同步电动机驱动器全开路故障模式的诊断方法

准确地对驱动器开路故障进行识别与诊断能够有效防止故障进一步恶化所引起的严重事故,也是实施恰当容错控制策略的先决条件。驱动器的开路故障类型包含单个功率开关管故障、多个功率开关管故障以及功率开关管和相的混合故障,提出能够识别上述所有类型全开路故障模式的诊断方法。首先,为了便于模拟多类型的故障场景并提高理论模型的计算精度,构建能够计及诸多非理想因素和电机与驱动器之间相互影响关系的直接耦合分析模型,并通过实验验证了该模型的准确性和有效性。其次,通过矢量空间解耦中的子平面电流和绕组相电流分别提取故障因子和辅助故障因子,提出基于2种故障因子的诊断方法,并明晰2种故障因子的阈值范围和使用方法。最后,依托验证后的直接耦合分析模型,对6种不同类别的开路故障进行识别和诊断,证明所提方法的有效性。

考虑不对称饱和的电机径向电磁力解析建模

由于内置式永磁同步电机磁饱和特性的存在,使得解析分析电机运行过程中定子所受的径向电磁力缺乏系统有效的方法,不利于在前期设计开发阶段进行电机电磁振动和噪声的抑制。针对内置式永磁同步电机转子不对称磁饱和的问题提出了一种电磁力的解析计算模型。通过将绕组函数法与等效磁路法相结合,推导了考虑电磁饱和情况下的电机磁动势。利用卡特系数计算了电机的等效气隙磁导。通过磁势乘磁导法建立气隙磁场模型,并结合Maxwell应力方程最终建立了电机径向电磁力的解析模型。最终通过有限元法验证了该模型的准确性。该模型能够反应电磁力与电机各结构参数的关系,有利于在设计阶段快速改进电机结构来抑制电机电磁振动和噪声。

电动飞机电推进锥形永磁同步电机轴向磁拉力影响因素分析

针对螺旋桨轴向力磨损电推进电机轴承问题,本文提出一种锥形电推进电机方案,利用锥形电机的轴向力平衡螺旋桨的轴向力。首先,建立了电推进锥形永磁同步电机磁路模型,给出了相关参数的数学解析式,同时基于磁路模型给出了锥形电机轴向磁拉力的数学表达式。其次,在此基础上分析了锥角及交直轴电流对轴向磁拉力的影响机理,为锥形永磁同步电机轴向磁拉力的研究提供了理论参考。

Simulation of Arc Rotation and Its Effects on Pressure of Expansion Volume in an Auto-Expansion SF_6 Circuit Breaker

A 3D Magnetohydrodynamics （MHD） arc model in conjunction with an arc move- ment model is applied to simulate the arc rotation as well as to solve its effect on the pressure in an auto-expansion circuit breaker. The rotation of the arc driven by an external electromagnetic force is simulated in the case with 200 kA of the short circuit current and 16 ms of arc duration. The arc rotating process and the speed of arc rotation have been obtained in the simulation. A comparison of the pressure in the expansion volume with and without an external magnetic field has been carried out based on the calculation results of two cases. The results of the simulation reveal that the arc rotation, which causes more energy exchange between the arc and its sur- rounding gas, can evidently bring about the pressurization in the expansion volume, which would contribute to more effective arc quenching at current zero and further reducing operation power.

Analytical Modelling and Experiment of Novel Rotary Electro-Mechanical Converter with Negative Feedback Mechanism for 2D Valve

The manufacturing of spiral groove structure of two-dimensional valve(2D valve)feedback mechanism has shortcomings of both high cost and time-consuming.This paper presents a novel configuration of rotary electro-mechanical converter with negative feedback mechanism(REMC-NFM)in order to replace the feedback mechanism of spiral groove and thus reduce cost of valve manufacturing.In order to rapidly and quantitative evaluate the driving and feedback performance of the REMC-NFM,an analytical model taking leakage flux,edge effect and permeability nonlinearity into account is formulated based on the equivalent magnetic circuit approach.Then the model is properly simplified in order to obtain the optimal pitch angle.FEM simulation is used to study the influence of crucial parameters on the performance of REMC-NFM.A prototype of REMC-NFM is designed and machined,and an exclusive experimental platform is built.The torque-angle characteristics,torque-displacement characteristics,and magnetic flux density in the working air gap with different excitation currents are measured.The experimental results are in good agreement with the analytical and FEM simulated results,which verifies the correctness of the analytical model.For torque-angle characteristics,the overall torque increases with both current and rotation angle,which reaches about 0.48 N·m with 1.5 A and 1.5°.While for torque-displacement characteristics,the overall torque increases with current yet decrease with armature displacement due to the negative feedback mechanism,which is about 0.16 N·m with 1.5 A and 0.8 mm.Besides,experimental results of conventional torque motor are compared with counterparts of REMC-NFM in order to validate the simplified model.The research indicates that the REMC-NFM can be potentially used as the electro-mechanical converter for 2D valves in civil servo areas.

轮辐式游标永磁电机分析与多目标优化设计

为了削弱磁位波动效应对轮辐式游标永磁电机转矩性能的影响,首先研究磁位波动效应产生机理,基于等效磁路模型推导出空载气隙磁密的解析模型,分析其对气隙磁场调制效果的抑制作用,并利用有限元法验证了转子磁动势和气隙磁密解析模型的准确性。其次,提出了一种基于参数灵敏度分层的多目标优化设计方法,通过综合灵敏度分析法对设计变量空间进行分层降维,根据灵敏度层次选用针对性的优化设计方法,构建出具有高精度的电机性能代理模型。以此为基础,运用多目标遗传优化算法对电机转矩密度、齿槽转矩和转矩波动等进行综合优化设计。最终确定优选设计方案,并通过有限元法验算优化设计的有效性,结果显示,优化后齿槽转矩由28.5 mN·m降至10.3 mN·m,转矩波动由4.9%降至1.6%,平均转矩由0.68 N·m提升至0.83 N·m,电机的输出转矩性能与品质均得到有效提升。

考虑漏感频变特性的三相立体卷铁心变压器建模及分析

针对一种宽输入电压范围双向逆变电源,可采用磁集成方法提高其功率密度。与传统三相平面叠铁心变压器相比,立体卷铁心变压器具有磁路对称、重量轻等优势,该文拟开展PWM非正弦激励下考虑漏感频变特性的立体卷铁心变压器建模相关研究。首先,基于Foster频变磁阻模型,提出一种考虑漏感频变特性的立体卷铁心变压器模型,通过全局优化算法计算模型参数;其次,针对级联H桥组合式DC-AC拓扑的典型工作点,分析了PWM非正弦激励的谐波特征,重点关注不同H桥之间各次谐波的相对相位关系,给出简化等效电路;最后搭建逆变电源试验平台,开展了稳态和动态试验,验证了模型的准确性。

基于线圈子单元的永磁同步电机健康与定子绕组短路故障数学模型

针对相绕组为基本单元的永磁同步电机定子绕组短路故障数学模型,存在故障空间位置影响无法计及、不同短路故障需要重新建模,且无法研究健康状态时线圈对电机性能的贡献等问题,该文提出一种基于线圈子单元的永磁同步电机健康与定子绕组短路故障数学模型(APM)。首先,将每个线圈分割为多个线圈子单元,分别建立各子单元的电压、阻抗和空载反电动势等物理量的矩阵方程,利用基尔霍夫电压定律建立所有子单元的电压方程,建立电机的电磁功率和转矩方程。其次,利用有限元法和拟合法建立考虑槽内空间位置关系的线匝电感矩阵,通过矩阵变换得到计及位置信息的子单元电感矩阵。然后,在Matlab/Simulink中建立APM的仿真模型和图形化界面,通过修改抽头编号及图形化界面中短路电阻模块的连接位置,计算电机健康和不同类型定子绕组短路故障下的电磁特性。最后,有限元仿真和实验结果验证了模型的正确性和准确性,表明APM不仅可以精细地分析健康状态时线圈对电机性能的贡献,也可以高效、准确地分析线圈内部不同位置短路故障对电机性能的影响。该文研究可以为永磁同步电机的设计、故障诊断和容错控制提供依据。

计及磁路分布特性的电磁轴承解析模型建立与支撑性能影响因素研究

综合考虑磁路分布特性的电磁轴承解析模型是对电磁轴承优化设计的快速有效手段。该文通过计及铁心材料非线性磁导率、磁极边缘效应、磁场透入深度等影响因素,研究了磁极宽度对电磁轴承定子结构参数及其最大静态电磁力的影响,揭示了定子结构参数与磁路动态磁阻之间的规律,构建了计及磁路分布特性的电磁轴承解析模型。在此基础上,以异极径向电磁轴承结构参数为研究对象,分别以构建的解析模型和有限元法对其结构与最大电磁力及气隙磁通密度的影响规律进行计算对比,同时搭建了对应的实验平台进行验证分析,验证了解析模型的准确性和有效性。另一方面,基于构建的电磁轴承解析模型,揭示了定子极弧系数、励磁电流、气隙长度对于电磁轴承支撑性能的影响规律,为径向结构电磁轴承的设计及运行控制提供理论参考。

开槽盘式涡流耦合器调速理论分析

针对开槽盘式涡流耦合器调速特性,运用安培定律推导出感应涡流产生的感应磁场的表达式;将感应磁场引入等效磁路模型,结合基尔霍夫定律推导出电磁转矩的计算公式;并将电磁转矩公式分别与恒转矩负载和二次方率负载表达式联立,得到相应负载工况下的调速关系理论公式。运用三维有限元仿真和实验对所提出的调速理论模型进行验证,结果证明,所提出的理论模型在气隙长度较小的情况下具有较好的准确性。