Performance Analysis and Comparison for Two Topologies of Flux-Switching Permanent Magnet Machine

Flux-switching permanent magnet(FSPM)machine is a kind of stator-typed permanent magnet machine,which is suitable for driving electric vehicles and hybrid electric vehicles because of their large power/torque density and high efficiency.The axial field flux-switching permanent magnet machine(AFFSPMM)and radial field flux-switching permanent magnet machine(RFFSPMM)with H-typed iron cores are reached and compared in this paper.On the condition of the same outer diameters and total volumes,the electromagnetic performances of the two machines are analyzed and compared by the three-dimensional finite element method,including the air gap flux density,inductance,back electromotive force(EMF),electromagnetic torque and loss.The finite element results show that the copper loss of AFFSPMM is higher than that of RFFSPMM at the rated load,however,the total loss of AFFSPMM is lower than that of the RFFSPMM.Meanwhile,AFFSPMM has greater torque than RFFSPMM in the constant power range.The related experiments are done to validate the finite element results,which are basically consistent with experiment results.

Reduction of Cogging Torque in Permanent Magnet Flux-Switching Machines

Permanent magnet flux-switching machine (PMFSM) is a relatively new structure. Available literatures mainly focused on its general design procedure and performance analysis. In this paper, Finite Element Method (FEM) is taken to ana-lyze various design techniques to reduce the cogging torque in a prototype 12/10-pole PMFSM.

Quantitative Comparison of Modular Linear Permanent Magnet Vernier Machines with and without Partitioned Primary

A comparison of two modular linear permanent-magnet vernier(LPMV)machines is presented.A modular LPMV machine with a partitioned primary,which can significantly improve the modulation effect,is proposed.Benefitting from the partition design,the space conflict between the permanent magnet(PM)and the armature magnetic field is relieved.First,the topologies of modular LPMV machines with and without a partitioned primary are presented.Then,the effect of the partitioned primary on the modular LPMV machine is analyzed using flux modulation theory.Moreover,analytical expressions for the trapezoidal permeance are derived.In addition,the harmonic components,back electromotive forces,and thrust forces of the machines with and without the partitioned primary are comparatively analyzed.The results reveal that the thrust force density of the LPMV machine with a partitioned primary is increased by 32.3%.Finally,experiments are performed on a prototype machine for validation.

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.

基于系统误差辨识的波浪发电系统功率优化

针对复杂工况下运行的直驱式波浪发电系统,考虑模型不匹配,设计滑模观测器在线检测建模误差;应用系统辨识技术进行误差拟合,减少在线计算量;随后将传递函数转为状态空间,建立更精确的水动力方程以设计后续策略,降低模型失配影响;基于变分法构造能量泛函,求解泛函极值获得最优控制律,经滤波估计系统运动速度,采用空间矢量脉冲宽度调制技术跟踪控制理想电流,提高发电系统功率捕获能力。仿真结果表明,所提方案动态性能好、鲁棒性强、观测精度高,可有效提高系统存在建模误差时的波能捕获能力,输出能量增加,输出平均功率提升。

基于深度神经网络的永磁直线电机仿真与优化

针对永磁直线同步电机(permanent magnet linear synchronous machine,PMLSM)有限元仿真模型的计算时间长,不能直观地显示结构参数与输出推力的关系,无法指导电机结构参数优化等问题,提出基于子域解析法和深度神经网络算法的PMLSM改进仿真模型,根据麦克斯韦方程组计算得到电机的磁通密度、空载反电势等性能数据,结合深度神经网络算法拟合出电机结构参数与输出推力的非线性关系。基于此模型,使用自适应遗传算法对PMLSM的推力密度进行优化,并与有限元仿真结果对比。结果表明:PMLSM改进仿真模型的计算速度是有限元模型的87.1倍,推力计算结果与有限元结果的平均误差为2.87%,优化后的电机推力密度提高了5.7%。

环形和分布绕组永磁游标直线电机性能对比分析

针对分布绕组永磁游标直线电机端部重叠导致端部过长、质量过重、电机效率过低的问题,提出一种环形绕组永磁游标直线电机。首先,介绍了永磁游标直线电机的工作原理和基本结构;然后,基于有限元分析,将环形绕组永磁游标直线电机的平均推力、推重比、效率、功率因数等性能与分布绕组永磁游标直线电机进行比较;结果表明,相较于分布绕组,环形绕组永磁游标电机的绕组长度缩短了18.7%,端部漏抗降低了41.5%、推重比提高了19%,电机效率提高了4.2%,同时减少了电机铜耗与体积,更具有工程应用价值。

主动悬架用非均匀齿圆筒型永磁直线电机多目标分层优化设计

针对直线电机式电磁主动悬架推力波动大、推力密度低的问题,提出一种非均匀齿结构的Halbach圆筒型永磁直线电机。利用解析法对该电机的边端力模型进行推导,并进一步分析非均匀边端齿结构对电机输出性能的影响。根据分析结果选取边端齿的轴向长度和径向削短高度、永磁体高度和径向充磁的长度、内部齿的长度5个参数作为优化因子,以电机输出推力最大和推力波动最小为优化目标进行田口法和响应面法优化,得到参数的最优值。试制了原理样机并搭建了实验平台,对电机进行空载与负载实验,验证了所提结构及其设计优化方法的有效性。

双边圆筒型永磁直线电机磁热网络耦合建模方法研究

双边圆筒型永磁直线电机具有较高的空间利用率,在波浪能发电等场合具有良好的应用前景。但其内定子散热困难、内外定子不对称的特点使其磁热特性存在多参数、非线性和强耦合的特征。为实现其磁热特性的准确和快速求解,课题组提出一种磁热网络双向耦合迭代建模方法。首先,建立了电机磁场的自适应磁路,节点间增设半弧形漏磁磁路以精确模拟齿边漏磁,实现了等效磁网络模型的建模求解;其次,依据气体努塞尔数和热阻公式建立了集总参数热网络模型;最后,依据损耗模型的磁热相关性,利用迭代修正方法实现了磁热网络模型的双向耦合求解,改善了内定子温升。有限元及实验结果表明该方法具有快速性和准确性。

基于参考模型补偿的波浪发电功率优化控制

为提高不规则海况下直驱式波浪发电系统的功率捕获能力,利用流体仿真软件获取等效辐射阻尼力系数,建立波浪发电装置对应的非线性水动力模型,通过能量函数极值构造最优功率捕获下的反电磁力,基于磁场定向控制策略跟踪控制最优电磁力;针对实际模型失匹引起的状态误差和功率损失问题,设计自适应补偿控制律修正实际模型与理想模型间的偏差,补偿功率损耗。仿真结果表明:在同样波浪激励下,所提控制策略响应速度快,鲁棒性强,最高可提升系统约50%的输出功率并能补偿15%的功率损耗。

无槽圆筒永磁直线同步电机推力波动的解析模型及抑制方法

无槽圆筒型永磁直线同步电机(slot-less tubular permanent magnet linear synchronous machine,STPMLSM)既避免了齿槽结构引起的齿槽力,又解决了初级铁心加工困难的问题,其推力波动主要来源是初级铁心端部效应和三相绕组电感不对称,介于齿槽结构与空心结构之间,推力波动的准确计算是此类电机设计与优化的关键。建立考虑初级端部效应的STPMLSM精确子域解析模型,能够快速计算空载与负载工况下的气隙磁密与推力波动,保证计算结果的准确性和高效性。基于该解析模型,提出初级铁心长度、三相绕组位置及匝数分配的综合优化方法,有效降低STPMLSM的负载推力波动,样机的推力波动从11.04%降到2.78%。最后,有限元模型和样机实验验证精确子域解析法及优化方案的正确性。

有铁心永磁直线电机初级匝间短路故障分析

在有铁心永磁直线电机(permanent magnet linear machines,PMLM)初级匝间短路故障分析中,对初级短路环电流的分析十分重要。该文提出采用磁动势–气隙磁导模型与电枢绕组故障等效模型结合的解析方法,计算任意初级位置发生的匝间短路故障短路环电流。首先根据永磁、电枢磁动势与开槽情况下的气隙磁导函数分别计算通过短路环的永磁、电枢磁链,然后通过矢量合成法得到短路环中的实际磁链以及瞬时短路电流。基于有限元方法证明解析法的正确性并探究不同短路故障匝数、不同短路故障位置对电机性能如短路环电流、相电流、推力的影响。最后制造一台样机验证有限元分析、解析法计算结果的正确性。

无弹簧永磁直线振荡电机定位力特性分析

无弹簧永磁直线振荡电机可利用自身定位力等效弹簧回复力,能够克服机械弹簧引起的质量大、体积大、成本高等缺点,是线性压缩机系统的有效解决方案。为研究无弹簧永磁直线振荡电机在电枢反应下的定位力特性,首先介绍了电机结构及运行原理;然后,通过考虑铁心饱和的等效磁路法、基于有限元仿真的冻结磁导率法和公式推导法分析了无弹簧直线振荡电机在不同工况下的定位力特性,并对结果进行了对比。研究结果表明:负载过大将使电机定位力线性度降低、动子平衡位置偏移、功率密度下降、撞缸风险增加,因此在设计此类电机时有必要考虑相关因素。

齿轮加工机床用永磁同步电机直接转矩控制方法

针对齿轮加工机床的高精度伺服控制需求,改进永磁同步电机并提出一种自动化的直接转矩控制方法。根据齿轮加工机床传动装置特点与通用型永磁同步电机结构,将呈圆周分布的定子改为直线分布形式,用初级部件、次级部件代替定子、转子。依据永磁同步直线电机结构与子系统的分析情况,通过转矩估计、磁链估计和模糊自适应控制等阶段,实现直接转矩控制的自动化控制。选取七轴五联动数控弧齿锥齿轮磨齿机作为实验对象,设置电机与所提方法的相关技术参数后,检验永磁同步直线电机性能与直接转矩控制性能。实验结果表明,经所提方法控制后的电机稳定性与散热性良好,证明所提方法对电机负载状态具有较好的自适应性,自动控制效果较为理想。

初级永磁型游标直线电机绕组连接及其电磁特性比较

初级永磁型游标直线(LPPMV)电机具有低速、大推力输出特性,特别适用于直线直驱系统。设计合理的绕组连接方式可有效改善电机性能。首先根据电机的运行原理,针对一台6/2极LPPMV电机提出了4种不同的绕组连接方式;其次通过有限元法,比较了LPPMV电机在不同绕组连接方式下的特性,包括空载感应电动势、电感,并在相同铜耗条件下计算了绕组的总质量、电枢电流、推力、铁心磁通密度以及铁耗等,以此得到了不同绕组连接方式下电机的运行效率;最后折中选择了一种绕组连接方式,制造了样机,并通过实验验证了电机的性能。

磁路互补型模块化磁通切换永磁直线电机

新型模块化初级永磁直线电机的永磁体和电枢绕组都置于初级短动子,而次级长定子结构简单,仅由导磁铁心组成,若应用在轨道交通等长定子等场合,可大大降低系统成本。在深入分析现有电机结构特点的基础上,提出一种基于磁通切换原理磁路互补的新结构。结构的互补性使每相绕组的反电势更正弦、电机总的定位力更小。介绍了模块化初级永磁直线电机的结构特点和运行原理,并基于有限元法,研究了其静态特性,具体包括对空载和单相绕组通电时的磁场及气隙磁通密度、绕组永磁磁链、空载反电动势、定位力、绕组电感以及静态推力等,并分析了永磁磁场和电枢磁场之间的相互耦合作用对电感特性的影响。理论分析和样机实验结果验证了设计方案的正确性和有效性。

基于x域重复控制的磁通切换永磁直线电机定位力抑制方法

初级永磁型磁通切换直线电机在推力性能要求较高的机床伺服进给系统应用中具有一定的优势,而初次级双凸极结构会引起较大的定位力,从而限制了磁通切换永磁直线电机的应用。该文首先分析了磁通切换永磁直线(linear flux-switching permanent magnet,LFSPM)电机定位力产生的原理,随后从控制角度出发,提出一种利用时变周期信号的重复控制来抑制定位力的新型控制策略。首先将时变的t域信号,变换为具有固定周期的x域信号,再对其进行重复控制器的设计,从而达到抑制定位力和速度脉动的目的。通过半实物仿真平台AD5435实现了该控制算法,仿真及实验验证了该方法的有效性。

直线旋转永磁电机及其控制技术综述与新发展

直线旋转永磁(linear and rotary permanent magnet,LRPM)电机是一种具有直线、旋转和螺旋驱动的两自由度电机,在智能制造装备、交通运输装备、新能源发电、国防装备等领域具有广阔的应用前景。主要论述直线旋转永磁电机的基本特点,分析几种典型的直线旋转电机的结构及工作原理,提出一种新的直线旋转永磁电机拓扑结构。在此基础上,分析直线旋转永磁电机的设计与优化方法,推导磁路独立的直线旋转永磁电机数学模型。在直线、旋转和螺旋驱动需求下,分别研究几种典型直线旋转永磁电机的控制技术。针对目前直线旋转永磁电机控制技术的需求,提出一种多运行模式协调控制策略。最后,给出了直线旋转电机及控制技术的发展趋势,展望其的应用前景。

永磁开关磁链直线电机若干优化设计方法

永磁开关磁链直线电机除具有常规永磁直线电机的优点外,还具有显著的成本优势,因此具有很好的应用前景。本文在简要说明该类电机的基本结构与原理之后,指出通过合理调整初级与次级铁心的外形尺寸来减小反电动势谐波含量与电机推力波动,采用磁桥结构提高弱磁控制能力和初级铁心机械强度,借鉴旋转电机齿槽力矩的抑制方法来削弱推力波动的齿槽效应成分,并提出辅助齿结构来有效削弱推力波动的端部效应成分,最后还给出了一种模块化结构形式来提高电机的容错性以及边端线圈与内部线圈的对称性。

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。