An Exact Analytical Method for Magnetic Field Computation and Electromagnetic Torque in a Concentric Magnetic Gear

准确计算磁力齿轮电磁转矩是设计、分析磁力齿轮的关键,采用二维全局解析法计算同心式磁力齿轮气隙磁场。求解场域划分为内外转子永磁体、内外两层气隙和调磁定子的槽形区域,3类子区域的拉普拉斯方程和泊松方程通过边界连续条件建立联系。得到内外两层气隙区域的矢量磁位磁通密度解析表达式,有利于方便、快速、精确地计算任意转子位置的电磁转矩。计算了内外两层气隙磁场和内外转子电磁转矩,将气隙磁场波形和内外转子电磁转矩波形分别与二维有限元法计算波形作比较,结果吻合,证明了方法的正确性和有效性。

Analytical calculation of electromagnetic, torque for surface mounted permanent magnet brushless motors

With the air gap magnetic field distribution of surface mounted permanent magnet （PM） motors obtained using an analytical technique, the instantaneous electromagnetic torque and its corresponding components are investigated with the Maxwell stress tensor method. Accurate results can easily be achieved using the proposed method without using the tedious finite element analysis （FEA）. In this paper, the electromagnetic torque of a surface mounted PM motor with two phases energized is decomposed into four torque components. This technique is useful not only for the design and optimization of the permanent magnet motor, but also for the choice of control strategy.

轴向磁力轴承结构综述

按照悬浮力的产生方式将轴向磁力轴承分为主动型、被动型和混合型,主动型的优点是能够产生可控电磁力,被动型的优点是结构简单,混合型兼顾了主动型和被动型的特点。在研究同心单环结构的基础上,分析了具备冗余性的同心多环冗余结构及叠片式冗余结构,从电磁力角度看,整体式同心双环结构优于同心三环结构,叠片式六环结构优于叠片式四环结构和叠片式八环结构。最后,对轴向磁力轴承在结构、控制及工业应用方面的发展前景进行了展望,轴向磁力轴承的结构应当朝着更具备冗余性和重构能力的方向优化。

V型交替极永磁同步电机气隙磁场调制效应研究

与传统V型永磁(V-shaped permanent magnet,VPM)结构相邻N和S极永磁体形成一对极磁场不同,V型交替极永磁(V-shaped consequent-pole permanent magnet,VCPM)结构永磁体与相邻铁心形成一对极磁场。为进一步探究VPM和VCPM电机磁场分布的不同带来的转矩性能差异,首先通过麦克斯韦应力张量法确认,并量化分析VPM和VCPM电机气隙磁密各次谐波转矩贡献,揭示两种电机主谐波与调制谐波转矩贡献的差异性,进而阐明VCPM电机转矩提升的根本原因在于其显著增加的调制谐波贡献的转矩分量。然后,研究关键结构参数对VCPM电机气隙磁场调制效应的影响规律。最后,加工一台VCPM样机并开展试验研究,验证理论分析和有限元仿真结果的可靠性。

三轴环板式永磁齿轮气隙磁场及转矩计算

利用标量磁位法获得了三轴环板式永磁齿轮(Triple-shaft Ring-plate Magnet Gear,TRMG)的气隙磁场数理模型,根据磁场叠加原理建立了内、外永磁圈间气隙磁场及其相应的电磁转矩模型;由于所有计算均基于TRMG的平面磁场建立,因此,所建模型与二维有限元结果间具有较高的准确度(误差≤5%);其计算速度远快于三维有限元法,且与二维及三维有限元分析具有较好的吻合度与趋势性,验证了所建模型的准确性,可适用于三轴以上的多轴环板式永磁齿轮的磁场分析与结构动力学计算。

新型三定子直流无刷电机的设计与特性分析

传统直流无刷电机齿槽分布受限导致气隙磁场波动,会造成转矩输出波动较大,故需要同步匹配设计复杂的驱动控制系统与控制算法。为此,提出一种新型的三定子直流无刷电机拓扑结构。通过等效磁路法计算出三定子直流无刷电机的主要结构尺寸。设计了三定子直流无刷电机的绕线方式和换向逻辑,驱动控制简单。基于Ansoft maxwell仿真软件,建立了电机有限元模型,仿真分析了电机静态磁场分布、气隙面域磁密分布和空载反电动势等。得到了三定子直流无刷电机的转矩特性:其转矩峰值可达8.5 N·m;电感特性:其三相绕组间磁场相互解耦,互感为0,自感平均值为4.5 mH;效率与损耗特性:不计机械损耗的情况下电机理想效率可达92%。研制了试验样机并进行试验验证,有限元分析和试验结果表明:三定子结构电机磁通密度高,输出转矩大,转矩峰值较单定子电机提升了42%;输出转矩波动小,较单定子电机波动降低了30%。在额定转矩为7.5 N·m的情况下,电机转速从启动到500 r/min的响应时间仅为0.8 s;从500~1000 r/min的响应时间仅为1.5 s;从1000~1500 r/min的响应时间仅为2.1 s。

两段式Halbach阵列永磁电机气隙磁场对比分析

针对目前每极2段式Halbach阵列分类不明确、缺少磁场性能对比分析、设计困难等问题,本文将常用的每极2段式Halbach阵列分为标准型、径向型和简化型,并对三种Halbach阵列的气隙磁场性能进行研究。以Halbach阵列内转子永磁电机为研究对象,建立三种Halbach阵列的气隙磁场解析计算模型。在解析计算的基础上,对比分析了设计参数对三种Halbach阵列永磁电机气隙磁密的影响。研究结果表明,对于确定尺寸的三种Halbach阵列,都存在最优的主磁极占比和极对数;从基波幅值和正弦畸变率的角度来评价,标准型Halbach的性能要优于其他两种类型的Halbach阵列;三种Halbach阵列的最优基波幅值都随着永磁体厚度比的增大而持续减小。

盘式实心磁力耦合器气隙磁场分布及转矩分析

针对一台9对极盘式实心磁力耦合器,为研究其气隙磁场分布及转矩,引入层理论模型,将磁力耦合器划分为非导电区域和导电区域两部分,推导二维标量磁位法,求解非导电区域的标量磁位和导电区域的磁场强度,同时引入卡特系数进行校正,推导出盘式实心磁力耦合器的气隙磁密和输出转矩公式;然后,通过有限元软件模拟得到磁力耦合器的三维气隙磁场分布、涡流分布和输出转矩,并分析了不同工作参数对输出转矩的影响;最后,搭建三维气隙磁场测量试验平台和传动试验平台进行三维气隙磁场和转矩的试验,所得试验结果与理论计算结果、仿真结果基本吻合。结果表明,推导的气隙磁密和输出转矩公式具有较高的准确性,为进一步研究盘式实心磁力耦合器的传动特性提供参考。

电磁式线-角振动激振器气隙磁场特性分析

针对传统单轴激振器无法复现线-角空间耦合运动的问题,提出了一种可实现复合振动的电磁式线-角振动激振器磁路结构,并对其气隙磁场特性进行分析。首先构建了激振器的磁路和线圈结构,基于等效电流法,建立了气隙磁场的解析模型,与有限元分析结果的最大相对误差为1.25%,验证了解析模型的正确性;接着研究了各磁路参数对气隙磁场分布特性的影响规律,以及线圈电流产生的磁场与原磁场的耦合效应,并分析了线圈在运动过程中的受力情况;最后研制了激振器磁路拓扑结构样机,分别对线、角振动气隙磁场进行了实验测量,测得结果与有限元计算结果的最大相对误差小于5%,进一步验证了所提出磁路结构的有效性。

变频驱动下电机高频径向电磁力波研究

采用场路耦合法对永磁同步电机高频径向电磁力特征频率产生原因和主要组成成分进行研究。通过解析法分析谐波电流的产生机理及谐波特性,并利用数值仿真对其进行验证;结合磁动势−磁导法和麦克斯韦张量法分析出高频径向电磁力特征频率的分布;对有限元计算得到的气隙磁场进行时空分解,采用麦克斯韦张量法计算磁场相互作用产生的高频径向电磁力。结果表明,变频驱动下永磁同步电机的高频径向电磁力主要是由变频器谐波电流引入的谐波磁场和定子基波磁场的相互作用产生,这对永磁同步电机的研究提供了一定的指导意义。

转子槽楔材料对汽轮发电机运行性能和参数的影响分析

转子槽楔的材料不仅影响汽轮发电机的运行能力,还影响转子的损耗,因此转子槽楔的材料选择是汽轮发电机设计中考虑的关键因素。为此,研究了应用磁性转子槽楔后发电机同步电抗、额定励磁电流和气隙磁密分布等电磁参数的变化规律。此外,还对比分析了不同槽楔材料对电机电磁参数、失步转矩、短路转矩和发电损耗的影响。研究结果表明,当转子采用磁性槽楔后,发电机同步电抗减小,额定励磁电流增大,发电机气隙磁密分布更加均匀,且相应的发电机损耗也发生了变化。

基于PID控制器的无轴承异步电机控制策略研究

无轴承异步电机(Bearingless Induction Motor,BIM)具有摩擦小、无需润滑、运转速度高等优点,具有重要的研究和应用价值。但是相对于传统异步电机,无轴承异步电机的数学模型是一个强耦合、多变量、非线性的高阶函数,导致其控制策略相对复杂。为此,本文研究了一种基于PID控制器的无轴承异步电机气隙磁场定向控制策略,对其控制原理和实现方法进行了详细的论述,采用Matlab仿真软件对其有效性进行了验证,并基于TMS320F28335搭建了实验平台,对控制效果进行了验证。

异步电动机的转子断条问题研究

讨论了异步电动机转子断条故障的特征机理,介绍了通过定子电流监测进行故障诊断的方法。概述了鼠笼式异步电动机转子断条故障可能由机械应力、过载电流和设计缺陷等因素引起,并强调了这种故障对电机性能的负面影响,包括转速异常、噪声增大和潜在的安全风险。提出了通过监测气隙磁场变化和定子电流频谱分析来诊断故障的方法。在正常情况下,电机磁动势平衡对称,而转子断条破坏了这种对称性,导致转矩波动和平均转矩下降。通过对定子电流进行频谱分析,检测到特定的谐波分量。提出结论,尽管传统理论侧重于基波的影响,实际上其他定子电流成分也参与了谐波的生成,并且可以通过监测特定频率的谐波分量来判断转子是否存在断条故障。

基于气隙磁场分层耦合的直线时栅位移传感器研究

针对前期研制的电磁式直线时栅位移传感器高信噪比和高时间插补分辨力难以兼顾的问题,设计了一种提高传感器信噪比的新传感器结构,另外提出了一种高信噪比、高时间插补分辨力的测量新方法,并研制了基于气隙磁场分层耦合的直线时栅位移传感器。建立传感器气隙磁场数学模型,分析气隙磁场空间分布特性,研究平面线圈气隙磁场分层耦合的原理;根据气隙磁场分层耦合原理,建立传感器气隙磁场分层耦合位移测量模型;对传感器测量模型进行电磁场仿真和误差分析;最后,搭建实验平台进行对传感器的性能进行测试。实验结果表明,采用气隙磁场分层耦合的结构提高了传感器的信噪比,传感器的测量精度在原有的基础上提高了31.4%;采用的高信噪比和高时间插补分辨力测量方法,传感器的测量精度在原有的基础上提高了37.3%。

永磁游标电动机双绕组低谐波设计与磁热性能比较

为削弱永磁游标电动机的电枢反应磁场中的无效谐波含量,实现电动机高效运行,基于磁场调制理论提出一种双绕组低谐波永磁游标电动机.首先,阐明谐波抵消原理;其次考虑到温升对导线和永磁体性能的影响,利用有限元法对传统永磁游标电动机和双绕组低谐波永磁游标电动机的电磁场和温度场进行双向耦合计算,并对气隙磁密、转矩和温升等性能参数进行对比.研究结果表明:得益于低谐波设计,双绕组低谐波永磁游标电动机的转矩和效率得到改善,相比传统永磁游标电动机,在常温20℃时,所提出的双绕组低谐波永磁游标电动机的平均转矩和效率分别增长2.62%和0.55%,转矩脉动下降50.15%;温度收敛至稳态后,双绕组低谐波永磁游标电动机的平均转矩和效率分别增长2.66%和0.57%,脉动下降50.16%,验证了该低谐波设计方案的有效性.

永磁游标电机转矩特性研究

永磁游标电机具有转矩密度高、结构简单等优点,在电动船舶、风力发电等低速大转矩驱动领域应用广泛。为进一步提高永磁游标电机的转矩密度,采用气隙磁场调制理论研究永磁游标电机的转矩特性。通过分析永磁磁场和电枢反应磁场谐波的有效耦合过程,揭示永磁游标电机转矩产生机理。根据电机结构参数与磁动势、磁导分布的关系,确定待优化参数,结合响应面法和遗传算法对电机转矩性能进行多目标优化设计。采用麦克斯韦应力张量法定量分析气隙磁场各次谐波对电磁转矩的贡献。结果表明,永磁游标电机电磁转矩仅由单一气隙磁场工作谐波产生。在此基础上,研究关键结构参数对气隙磁场调制效应和电机转矩性能的影响,为该类电机的拓扑结构创新及其转矩性能提升提供了理论依据。

裂齿式永磁游标电动机性能分析与比较

针对永磁游标电动机(permanent magnet vernier motor, PMVM)转矩密度大和功率密度高的特点,将其与传统永磁同步电动机(permanent magnet synchronous motor, PMSM)的性能进行比较研究.给出了6槽32极裂齿式PMVM的结构及工作原理,采用有限元仿真软件JMAG对其永磁磁场和电枢反应磁场的气隙磁密、空载感应电势、转矩、损耗等进行了分析,并与两台具有相同直径、轴长、定子齿数的PMSM进行了定量比较.结果表明:相比于6槽32极和6槽4极PMSM,6槽32极裂齿式PMVM平均转矩分别增加约45.0%和76.2%,转矩脉动减小约90.5%和95.0%,这揭示了PMVM转矩密度大、转矩脉动小的优点.然而,由于PMVM气隙中含有大量不同极对数、不同旋转速度的谐波磁场,导致其铁耗和永磁体涡流损耗较大.

表贴式永磁游标电机电磁特性和实验验证

为验证表贴式永磁游标电机高转矩密度的基本原理,基于表贴式永磁游标电机基本方程的分析,研究了电机关键参数对转矩的影响。设计了电机参数,给出了结构示意图,根据定子槽数和极对数,分析了槽电动势星形图,并给出了绕组连接图。基于二维有限元模型深入分析了电机的电磁特性,包括空载磁链、空载电动势、两种励磁源单独作用时的气隙磁密、齿槽转矩和电磁转矩。制作了永磁游标电机实验样机,对其空载反电势进行了测试。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和二维有限元模型的准确性,为永磁游标电机的精确控制提供了有力支撑。

磁力齿轮永磁同步电机齿槽转矩分析

针对磁力齿轮永磁同步电机转矩波动较大的问题,分析影响齿槽转矩的因素,提出了永磁体和调磁块的合理配置能有效抑制齿槽转矩的方法。首先,简述所设计电机的工作原理并给定初始参数。其次,采用解析法得出空载气隙磁密分布,并通过有限元仿真验证理论分析的正确性。最后,参考传统永磁电机削弱齿槽转矩方法,设计两种传动方案,研究永磁体极数和调磁块数的最小公倍数对齿槽转矩周期数的影响,表明增大最小公倍数可有效降低两个转子齿槽转矩幅值。

径向-轴向复合气隙外转子永磁电动机的新型磁路研究

基于永磁材料本身磁导率低的特点,通过变换铁心结构获得低磁阻磁路,达到提高外转子永磁电动机功率密度的目标。运用Magnet软件对现有表贴式永磁电动机磁路进行静磁场分析,验证了相邻永磁体互为对方磁路中的大磁阻及漏磁大的缺陷。通过比较永磁材料、铁心材料和空气的磁导率特性,创新设计了一款径向-轴向复合气隙磁路的外转子永磁电动机。用Magnet软件对创新结构进行了对比静态磁场仿真,将气隙处的磁通量密度显著提高了20%。该结构如获得应用,则能提高外转子永磁电动机的功率密度,且能实现外转子永磁电动机目标应用对象的轻量化。