Cooling System Design and Thermal Analysis of Modular Stator Hybrid Excitation Synchronous Motor

Hybrid excitation synchronous motor has the advantages of uniform and adjustable electromagnetic field, wide speed range and high power density. It has broad application prospects in new energy electric vehicles, wind power generation and other fields. This paper introduces the basic structure of hybrid excitation motor with modular stator, and analyzes the operation principle of hybrid excitation motor. The cooling structure of the water-cooled plate is designed, and the effects of the thickness of the water-cooled plate and the number of water channels in the water-cooled plate on the heat dissipation capacity of the water-cooled plate are analyzed by theoretical and computational fluid dynamics methods. The effects of different water cooling plate structures on water velocity, pressure drop, water pump power consumption and heat dissipation capacity were compared and analyzed. The influence of different inlet flow velocity on the maximum temperature rise of each part of the motor is analyzed, and the temperature of each part of the motor under the optimal water flow is analyzed. The influence of the traditional spiral water jacket cooling structure and the water-cooled plate cooling structure on the maximum temperature rise of the motor components is compared and analyzed. The results show that the water-cooled plate cooling structure is more suitable for the modular stator motor studied in this paper. Based on the water-cooled plate cooling structure, the air-water composite cooling structure is designed, and the effects of the air-water composite cooling structure and the water-cooled plate cooling structure on the maximum temperature rise of each component of the motor are compared and analyzed. The results show that the maximum temperature rise of each component of the motor is reduced under the air-water composite cooling structure.

基于粒子群优化算法的TMPS-HESM联合仿真设计方法

混合励磁同步电机(HESM)是当前研究热点,其设计方法值得讨论。借助ANSYS RMxprt软件和传统磁路法设计电机定子,再通过ANSYS Maxwell软件设计HESM转子并进行电机参数化建模,进一步建立8极48槽TMPS-HESM的Maxwell&Workbench&Optislong联合仿真模型,最后运用粒子群优化(PSO)算法对电机进行全局多目标优化得到Pareto解集,并使用优劣解距离法(TOPSIS)从解集中客观选取最优设计方案。系统地提出了一种基于PSO的切向聚磁型并联结构混合励磁同步电机(TMPS-HESM)联合仿真设计方法。通过相关有限元仿真试验,验证了电机性能符合设计要求。

一种新型的HESM控制系统设计

混合励磁同步电机是一种具有低速大转矩和宽调速能力的新型电机.根据电机的特点,设计了一种基于矢量控制的调速系统,采用速度分区控制方法进行励磁电流和电枢电流的分配并给出了详细的系统框图,搭建了基于TMS320F2812+AT89C55WD架构的控制电路,进行了有关的调速实验,验证了所设计控制系统的有效性.

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。

混合励磁同步电机及其控制技术综述和新进展

混合励磁同步电机(hybrid excited synchronous machine,HESM)是一种宽调速电机,它结合了永磁同步电机和电励磁同步电机的优点,又克服了它们各自的缺点。因此,它在宽速度运行范围的风力发电系统和电驱动系统具有广阔的应用前景。该文主要论述了混合励磁同步电机的基本特点,分析了几种典型的混合励磁同步电机的结构及工作原理,提出了一种新的混合励磁同步电机拓扑结构。在此基础上,推导了混合励磁同步电机的数学模型。基于分区控制策略,在低速区和高速区,分别研究了几种混合励磁同步电机控制技术,并对这些技术做了详细比较。针对目前混合励磁同步电机控制技术存在的不足之处,提出了一种新的效率最优控制策略。最后,给出了混合励磁同步电机及控制技术的发展趋势,展望了它的应用前景。

混合励磁同步电机铜耗最小化弱磁调速控制研究

混合励磁同步电机(hybrid excitation synchronous motor,HESM)具有调磁方便、调速范围宽等优势,在工业、军事领域应用前景广阔。该文在矢量控制和速度分区控制的基础上,针对HESM提出了一种铜耗最小化弱磁调速控制方法。该方法以电机铜耗最小化为目标,自适应地调节弱磁基速系数,在满足电枢端电压限制的条件下,对q轴电流、d轴电流与励磁电流进行最优配置。在深入分析弱磁基速系数对电机运行性能的影响的基础上,应用自适应控制方法对其进行调节以提高电机的调速范围、效率及动态特性等综合性能。最后,通过仿真和电机驱动实验验证了所提出的控制方法的正确性和有效性。结果表明,所提出的HESM弱磁控制方法,可实现电机综合性能的最优化控制。

新型混合励磁同步电机分区控制系统分析与设计

混合励磁同步电机综合了永磁电机和电励磁电机的优点,具有显著的宽调速特征。该文根据混合励磁同步电机的结构特点,结合空间电压矢量控制,提出了混合励磁电机的一种宽调速控制新方法。该控制方法在分区控制的基础上,低速区结合电机铜耗最小原理,高速区保持反电势q轴分量恒定,对不同运行区域分别采用不同的控制策略,使电机在整个运行区间都能表现出良好的性能。由于在高速区采用了励磁电流和d轴电流弱磁相结合的方式,使用该类调速系统比现有文献单纯采用励磁电流弱磁调速具有更宽的调速范围。实验表明,所设计的混合励磁同步电机宽调速系统,在低速区增磁运行时,通过调节励磁可以将转矩输出能力提高约1/3;高速区弱磁运行时,可将最高转速提升约1.5倍。

混合励磁同步电动机分段弱磁控制

针对混合励磁同步电动机在高速区的弱磁运行特点,首先推导出其弱磁调速过程中保持平稳运行的电流变化关系,然后在此基础上提出了一种采用模糊控制与粒子群优化算法分阶段电流调节的效率最优控制方法。该控制方法的基本思想是,当电机处于弱磁调速过渡阶段时,通过模糊控制器对电流进行初步调节,使其迅速起动或进行状态调整,获得较高的动态性能;当电机进入稳态运行阶段后,以铜耗最小化为目标,采用粒子群优化算法对电流进行进一步调整,使其实现效率最优化控制。最后,通过仿真与实验结果分析验证了上述控制方法的有效性。

混合励磁同步电机驱动系统弱磁控制

针对混合励磁同步电机低速大转矩及宽调速的特点,提出一种基于空间电压矢量算法的弱磁调速控制方法。该控制方法在速度分区控制的基础上,在高速区,采用保持q轴反电势不变的铜耗最小控制策略,对电枢电流与励磁电流进行优化配置。搭建该电机驱动系统的仿真模型,对无电流弱磁、励磁电流弱磁、d轴电流与励磁电流共同弱磁3种不同电流控制模式下的调速效果进行分析;构建该电机驱动控制系统的实验平台,通过实验得到该电机的启动电流波形与稳态电流波形,对所提出的算法进行验证。仿真和实验结果表明,在铜耗最小控制条件下,采用d轴电流与励磁电流共同弱磁的混合励磁同步电机驱动系统比单纯采用励磁电流弱磁或无电流弱磁的驱动系统具有更宽的调速范围。

混合励磁直线同步电机的磁场与推力

介绍了一种混合励磁直线同步电机,它的气隙磁场由磁极上的永磁体和电励磁绕组共同提供,采用有限元方法研究了气隙磁场并计算了电机的推力,实验结果很好地验证了有限元分析的结果,另外还提供了一个与同结构电励磁电机进行推力对比的实验结果。研究表明混合励磁直线同步电机的磁场可调,推力大而且变化灵活,既具有永磁直线同步电机的优点,又具有电励磁直线同步电机的优点。

一种新型电动汽车宽调速驱动系统设计

针对混合励磁同步电机(Hybrid Excitation Synchronous Motor,HESM)低速大转矩和宽调速特点,本文提出了一种新型的基于HESM的宽调速系统。根据HESM的结构特点,该调速系统结合空间电压矢量脉宽调制技术,采用速度分区控制方法,将整个调速范围划分为二个速度区间,分别应用不同的电流控制策略:中低速区实施增磁或无励磁调速;高速区保持q轴反电动势基本不变,实施励磁电流与d轴电流分段联合弱磁调速。所提出的控制方法有效地提高了电机低速负载能力和最高运行转速;通过有无励磁电流调速的对比实验,验证了HESM调速系统及其控制方法的有效性。

高转矩密度转子磁分路混合励磁电机转子涡流损耗及散热优化

转子磁分路混合励磁电机转子通常采用实心磁极的结构,导致其转子涡流损耗大、转子温度高,限制了其转矩密度及效率的进一步提升。从降低转子磁分路混合励磁电机的转子涡流损耗及温升两个角度出发,首先分析永磁体分段与模块化转子结构对转子涡流损耗的影响规律,并进行优化设计;在此基础上,根据传热学基本理论,构建电机的三维稳态温度场计算模型,揭示了不同运行工况下电机的温度分布规律,提出一种机壳水冷和端盖水冷相结合的多水道冷却散热方法。结果表明,在峰值转速运行工况下,新型散热方法使得转子实心磁极的最高温升从175℃降低至136℃,进一步提升电机的输出能力及可靠性。最后,对100kW转子磁分路混合励磁电机样机进行效率与温升实验,实验验证了理论计算和所提方法的正确性和有效性。

混合励磁同步电动机调速性能分析

混合励磁同步电动机作为一种新型永磁电机,同时具备永磁同步电动机高功率密度和高效率的优点,以及电励磁同步电动机气隙磁场易于调节的特点。提出了一种混合磁极式的混合励磁同步电动机,推导了该混合励磁同步电动机的数学模型,得到了混合励磁同步电动机定子电流矢量轨迹,详细分析了其低速和高速弱磁运行性能。基于有限元法,计算了混合励磁同步电动机低速和高速运行时的定子磁链、功率因数,以及速度—转矩特性。结果表明:在低速运行时,混合励磁同步电动机保持了永磁同步电动机的高转矩和高功率因数;在高速弱磁运行时,混合励磁同步电动机通过调节定子电流和励磁电流,扩大了其弱磁范围以及提高了其带负载的能力。研制了永磁同步电动机和混合励磁同步电动机2台样机,对混合励磁同步电动机的调磁能力,以及2台电动机的低速性能和高速性能进行了测试,测试结果验证了理论分析的正确性。

电励磁同步电机两种综合磁链模型观测器

针对电流模型存在对电机参数较敏感,电压模型存在积分初始值偏差和直流偏置问题,结合二者各自优点,提出了两种综合磁链模型。切换模型综合基于锁相环的电压模型和电流模型的优点,磁链幅值和角度分别利用加权方法过渡;混合模型使纯积分环节处于反馈环内,并且电压模型输入结果经高通滤波器,电流模型输入结果经低通滤波器,二者自然过渡。使系统在低速度段使用电流模型,高中速度段使用电压模型,并使两种模型平滑过渡,使之形成适合于全速范围内的磁链观测模型。通过理论分析和仿真研究,两种综合磁链模型均能达到预期效果。

永磁电励混合励磁直线同步电机磁场的有限元分析

介绍了两种新型的永磁电励混合励磁直线同步电机的结构与特点。然后运用AN SYS8.1软件包对两种型式的直线电机进行了气隙磁场的分析 ,给出了磁场分布和电磁推力的分析结果。最后 。

混合励磁同步电机反馈线性化控制

针对混合励磁同步电机(HESM)的电枢电流和励磁电流与机械角速度之间的非线性耦合问题,在基本电流控制实现输出低速大转矩、宽调速范围的基础上,利用非线性系统的微分几何理论,通过坐标变换与状态反馈,推导出精确线性化解耦条件及解耦矩阵,并得到三个可独立控制的线性子系统,即直轴电流子系统、励磁电流子系统和机械角速度子系统,实现HESM调速系统全局范围内电流环动态解耦控制。通过精确线性化控制、部分线性化控制与传统PI控制仿真对比,结果表明,所提出的精确线性化控制策略具有良好的转速跟踪能力与较强的鲁棒性,系统动、静态性能均得到提升。

一种新型混合励磁电机驱动系统的研究与实现

针对永磁电机调磁困难、恒功率调速范围窄等问题,设计了一种新型混合励磁同步电机(HESM)驱动系统。重点阐述混合励磁电机调磁机理、剖析两种磁势源(永磁体和电励磁)的工作原理及协调分配情况,最后提出高效的分区控制策略并通过实验验证了驱动系统的可行性与高效性。

混合励磁电机的技术现状及新进展

在永磁电机的基础上,增设电励磁绕组,以辅助调节永磁磁场,形成混合励磁电机,融合了永磁电机和电励磁电机的优点,应用前景广阔。介绍了混合励磁电机的调磁原理;从电机原型的角度,分析了混合励磁电机的发展思路;以励磁方案为着眼点,提出了一种混合励磁电机的分析方法;结合混合励磁电机的电磁特性,研究了混合励磁电机应用于汽车、风力发电和航空航天等领域的控制方案和系统结构;提出了混合励磁电机技术的研究思路,展望了混合励磁电机的发展趋势。

一种混合励磁同步发电机的气隙磁密分析及其电压谐波抑制

为改善混合励磁同步发电机的气隙磁密分布,采用三段式气隙长度对转子进行了优化,对比了优化前后的气隙磁密。为抑制电压谐波,在完成转子结构优化的基础上,进一步采用短距、分布电枢绕组以及定子斜槽等措施。最后对样机电压波形进行了实测和质量分析,结果表明:采用三段式气隙长度与定子斜槽相结合,可将电压波形的总谐波失真(THD)抑制在5%的范围内。此外,探讨了偏心距法在切向/径向混合励磁电机中应用的可行性,并对比了分别采用偏心距法和三段式气隙长度法时的气隙磁密。

感应励磁式无刷同步电机设计与仿真分析

文中采用了一种感应励磁方式实现径向/切向混合励磁交流发电机的无刷励磁方案,依靠定子绕组磁场在转子励磁绕组内感应出的交流电流整流来获得同步电机的电励磁电流。文中详细介绍了该电机的结构特点和工作原理,借助有限元仿真的分析,得到了电机的空载特性和外特性曲线。仿真结果分析表明:该电机集成了永磁电机效率高和电励磁电机调磁方便等优点。此外,相比于传统两级式励磁方式,该交流发电机的无刷励磁方案使得电机具有结构简单等特点。