齿调制作用下转子开槽对永磁电机电磁振动影响

为了研究齿调制作用下转子表面开槽对永磁同步电机电磁振动的影响,以小功率分数槽集中绕组(FSCW)内置永磁同步电机(IPMSM)为研究对象,通过麦克斯韦应力张量法推导径向电磁力波的频率及空间阶数特征。分析齿调制作用在FSCW-IPMSM中将空间高阶电磁力波调制为低阶电磁力波的过程,并给出转子表面开槽在齿调制作用影响下与电磁振动间的联系。研究表明,转子表面开槽结构的改变会使各次谐波磁场发生变化,进而改变以极数阶电磁力波为代表的高阶电磁力波的幅值。在齿调制作用下,这些高阶电磁力波会被调制为幅值较高的低阶电磁力波,并引起不同幅度的低阶振动。然后建立C型、V型两种不同转子表面开槽结构的10极12槽FSCW-IPMSM电磁及结构有限元分析模型并进行仿真分析。结果表明,极数阶即10阶电磁力波会被调制为2阶并引起2阶振动,且两种不同开槽结构间的电磁振动存在着高达22.1%的差异。最后,在一台10极12槽样机上进行振动实验,验证理论与仿真分析结果。

无齿靴集中绕组外转子永磁电动机的研究

外转子永磁电机定子齿靴的存在,降低了绕线效率和槽满率,以12槽14极分数槽集中绕组外转子永磁电动机为例,建立了基于Maxwell 2D的瞬态磁场仿真模型,研究了磁极参数和定子齿靴宽度对磁场分布、绕组电势、齿槽转矩的影响,并以最大电动势和最小齿槽转矩为目标,设计了一台无齿靴外转子永磁电动机,样机验证了设计方案的正确性。

SVPWM逆变器供电时FSCW-PMSM损耗特性研究

为探究空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)逆变器引入的时间谐波电流对分数槽集中绕组永磁同步电机(fractional-slot concentrated-winding permanent magnet synchronous machine,FSCW-PMSM)损耗特性的影响,文中提出一种SVPWM逆变器与FSCW-PMSM联合系统中电机损耗谐波特性分析方法。首先,理论分析了考虑时间谐波电流时电机损耗的时空谐波特性。其次,以一台三相双层绕组10极12槽PMSM为例,搭建电机与SVPWM逆变器的场路联合仿真模型,求解样机在恒转矩和恒功率调速时损耗的谐波特性,揭示各谐波损耗的产生机理。结果表明:转子谐波损耗由基波电流与次谐波、iZ±p次齿谐波和(f_(c)±4 f)/f、(f_(c)±2 f)/f次时间谐波电流与p、Z±p次空间谐波引起;定子铁芯谐波损耗由基波磁场、谐波励磁磁场及(f_(c)±4 f)/f、(f_(c)±2 f)/f次时间谐波电流引起。该结论适用于其他极槽组合的FSCW-PMSM。最后,通过实验验证了该分析方法的有效性。

双分数槽潜油永磁电机磁热耦合分析

针对潜油永磁电机温度过高导致定子绝缘层脱落和转子永磁体受热产生不可逆退磁问题,在定子外径不增大的情况下,提出一种特定空间角度的双分数槽集中绕组结构。首先,根据特殊的绕组结构利用有限元法对该电机模型不同时刻的磁势进行求解分析。其次,在二维瞬态场中分别得到电机空载和额定负载工况下的电磁特性。最后,利用电磁场和温度场结合的多场耦合法求解电机定子、转子、永磁体和线圈的温升。结果表明,在不改变定子外径的情况下双分数槽集中绕组结构能够有效降低电机整体温度,其中永磁体温升下降8.74%,线圈温升下降36.4%,证明了此结构设计的合理性。

基于分段交错梯形磁极的分数槽集中绕组永磁电机局部切向力的削弱

局部切向电磁力波会通过定子齿的杠杆效应引起定子轭部径向振动,其对振动的贡献可以与径向电磁力波比拟。针对分数槽集中绕组永磁电机的局部切向电磁力波,提出了一种分段交错梯形磁极的削弱方法,该方法可在保证电机转矩密度的前提下,有效削弱局部切向电磁力引起的振动。首先,推导了作用于定子齿部的切向集中力模型,并以一台10极12槽永磁电机为例,分析了局部切向电磁力引起振动的原因。然后,基于有限元模型,分析了分段交错梯形磁极对局部切向电磁力的削弱机理,并对比了优化前后电机的径向力波、电磁转矩以及振动频谱。结果表明,分段交错梯形磁极结构对径向力、切向力均有显著的抑制作用。最后,对优化前后的样机进行振动实验,验证了优化方案的有效性。

分数槽集中绕组永磁同步发电机电磁振动噪声分析

采用分数槽集中绕组的设计给永磁同步发电机带来更高效率、更小体积的同时也会使得电机的振动噪声问题更加突出。为确定永磁同步发电机电磁振动噪声的主要产生源,文章从永磁同步发电机的二维气隙磁场出发,依据Maxwell张量法得到径向及切向电磁力的表达式,分析了电磁力波的谐波来源与谐波特征。建立永磁同步发电机的电磁-结构-声场多物理域有限元仿真模型,提出通过单独加载径向力与切向力,对比分析了径向力与切向力引起振动噪声的贡献度,通过模态试验与振动噪声试验验证了解析模型建立的正确性与仿真模型建立的准确性,研究结果为永磁同步电机电磁振动噪声问题的分析与优化提供参考。

电动汽车用六相永磁容错电机的分析和设计

为需满足容错电机各相绕组间的电隔离、物理隔离、磁隔离、热隔离,设计分析、设计一种采用分数槽集中绕组的电动汽车用六相永磁同步容错电机。通过磁动势谐波分析,提出一种新的极槽配合方案以减小因采用集中绕组而带来的永磁体涡流损耗,同时降低了转子极对数,减小了定子铁心损耗。通过分析集中绕组电机产生转矩波动的原因,以及相间解耦后dq0变换下的电感矩阵,确定容错电机的转子设计形式。最后给出整体的电机设计方案和性能参数。

永磁同步电机分数槽集中绕组磁动势

对单元电机的单个线圈、线圈组、相绕组和三相绕组的磁动势进行了分析。当定子槽数为奇数时,除3的整倍数之外其他极对数的磁动势都存在,其中与基波绕组系数相同、转向相反、幅值最大的谐波极对数仅与基波相差1对极。当定子槽数为偶数时,除偶数和3的整倍数之外其他极对数的磁动势都存在,其中与基波绕组系数相同、转向相反、幅值最大的谐波极对数仅与基波相差2或者4对极。电机内部还存在幅值较大的次谐波以及绕组系数与基波相同的高次谐波,它们会对电机造成不良影响。电机高速运行时,这些谐波磁动势产生的磁场会在永磁体内感应出涡流,产生损耗,造成永磁体温升增加,甚至去磁。

分数槽集中绕组永磁同步直线电机磁场解析计算

分数槽集中绕组永磁同步直线电机(Fractional-slot Windings Permanent Magnet Synchronous Linear Motors,FW-PMSLM)采用端部不重叠的集中绕组,具有磁阻力小、推力波动小、端部绕组短、用铜材料省、损耗小等优点,适合于长行程、高精度驱动场合。本文以15槽16极FW-PMSLM为例,考虑电枢电流分布函数和永磁体电流密度等效,建立分层解析模型。运用傅氏级数法推导出气隙和磁极区域中磁场的解析公式,分析FW-PMSLM电枢磁场和励磁磁场的分布。针对传统卡氏系数法在计算FW-PMSLM磁场的不足,提出采用分布卡氏系数函数来计及铁心开槽对分数槽电机磁场的影响,将解析分析与有限元分析结果进行比较,验证本文所提分布卡氏系数函数法解析求解FW-PMSLM磁场的有效性。利用该方法分析不同极弧系数、不同初级齿宽以及不同气隙长度时的电机推力以及这些因素对推力解析计算精度的影响,利用不同气隙下的实验结果验证推力解析计算精度。为分数槽永磁直线电机的工程计算和优化设计提供依据。

极槽配合和绕组层数对永磁同步电机振动的影响分析

分析了不同极槽配合和绕组层数电机最低阶径向力波的阶数和来源,并针对槽数相同极数不同电机的最低阶径向力波的幅值进行了比较,通过结构有限元分析了不同极槽配合下外转子壳体的振动,最后总结了不同极槽配合电机最低阶径向力波的阶数,得出力波阶数小的极槽配合会引起大的振动,而且对于相同槽数的电机,极对数大的电机的振动也更大。

分数槽集中绕组永磁电机在模块化级联电机系统上的应用

模块化级联电机系统是将一个电机单元作为一个模块,多个电机模块串联起来工作的系统,只改变电机数目便可满足不同功率的需求,分数槽集中绕组电机适合作为模块化级联电机系统的单模块电机。本文通过分析分数槽集中绕组永磁电机的槽极数的配合规律,设计了满足系统性能指标的两台不同性能的单模块电机,并对其磁动势进行谐波分析。通过仿真计算了涡流损耗,分析了槽口宽度和永磁体分块对涡流损耗的影响,得到了系统的效率Map图。最后,对系统进行了实验验证,并与一参考样机对比,结果表明,模块化级联电机系统采用分数槽集中绕组永磁电机,能有效减小电机尺寸,降低电机重量,提高系统的转矩密度。

槽口宽度对分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩的影响

基于分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩产生的机理,运用能量法和傅里叶分解推导出分数槽集中绕组永磁电机的齿槽转矩解析式,确定气隙磁导平方的傅里叶分解系数与槽口宽度之间的相互关系,得到抑制齿槽转矩的槽口宽度计算方法。借助于Ansoft有限元软件,仿真分析不同极槽配合的永磁电机槽口宽度对齿槽转矩的影响。仿真结果表明,整数槽永磁电机的齿槽转矩随槽口宽度的增加而增加;分数槽集中绕组永磁电机选择合适的槽口宽度可显著抑制齿槽转矩,改善电机的转矩品质。采用有限元仿真与解析法两种计算方法,得到的齿槽转矩随槽口宽度变化的规律是相似的,验证了解析式的有效性,为精细化设计提供了依据。样机测试结果与有限元仿真值基本吻合,进一步验证了仿真方法的正确性。

基于绕组函数法的分数槽集中绕组永磁同步电机电感参数研究

利用绕组函数法量化分析分数槽集中绕组永磁同步电机相对于整数槽绕组电机的自感与互感特性,并推导出通用性规律,得出不同每极每相槽数时分数槽集中绕组永磁同步电机电感参数与同极数整数槽绕组的比值规律。利用有限元分析工具对该类绕组永磁同步电机的交直轴同步电抗进行分析,总结内置式转子磁极结构、带极靴表面式转子磁极结构分数槽集中绕组永磁同步电机的凸极率特性,并通过实验对计算结果进行验证。

永磁同步电主轴分数槽电机的径向电磁力分析

依据谐波绕组理论,建立了分数槽永磁同步电主轴电机气隙磁密及其谐波的解析计算模型和有限元计算模型。基于该模型计算出径向电磁力。采用解析法得出了径向电磁力的力波次数及频率,并与有限元法计算结果进行了对照。通过与实测振动加速度频谱对照表明,引起电主轴电机振动的主要原因是径向电磁力。通过气隙磁密波形重构,去掉了与模态频率接近的主要谐波成分,以此作为低噪声电机设计的主要方法之一。为后续低振动、低噪声电机的研发开拓了一种新的思路。

不等齿宽提高多槽少极隔齿隔相绕组永磁电机转矩的方法

在一些特殊的低速直接驱动应用场合,要求电机要有较高的转矩密度。传统等齿宽近极槽永磁同步电机的齿槽结构约束磁负荷和线负荷的关系,成为其实现高转矩密度的瓶颈。为提高近极槽永磁同步电动机的转矩输出能力,采用交替不等齿宽和齿顶宽提高多槽少极隔齿隔相绕组永磁电机的转矩。通过分析多槽少极隔齿隔相绕组永磁电机的电路和磁路结构,推导了电枢齿齿磁通的解析表达式,揭示了交替不等齿宽提高电机转矩的本质。最后利用Ansoft有限元仿真软件分析了96槽80极外转子永磁同步电动机在不同齿宽时的转矩,以及电枢齿和辅助齿的齿磁密。结果表明,采用交替不等齿宽和齿顶宽降低了电机定子齿的饱和度,大幅度提高了隔齿隔相绕组永磁电机的转矩。

分数槽永磁同步电机气隙磁场的分析与噪声抑制

运用解析的方法推导了分数槽永磁同步电机气隙磁场的解析表达式,分析了空载气隙磁场的谐波次数与频率的分布特性,通过推导得出,在单元电机定子槽数为奇数及偶数时,谐波分布的次数不同。同时对一台盘式电机进行电磁噪声计算及抑制方法研究,分析了计算极弧因数、定子槽深与总气隙长度的比值等参数,对噪声抑制的作用。

表面埋入式永磁电机磁场解析

准确计算永磁电机的气隙磁场分布是设计、优化电磁性能的关键。该文在二维极坐标平面内建立表面埋入式永磁电机的精确子域解析模型,求解区域划分为定子槽子域、气隙子域和转子槽子域,根据分离变量法求解各子域的矢量磁位通解,并利用各子域之间的边界条件得出相关谐波系数。模型考虑了普通/交替极转子结构,永磁体径向/平行充磁方式,隔齿绕/全齿绕两种形式的分数槽集中绕组,可计算电机空载磁场、电枢磁场和负载磁场分布。以一台40极48槽交替极转子结构永磁电机为例,将气隙磁密波形的解析计算结果与二维有限元结果相比较,验证了解析模型的准确性。

三段Halbach磁铁阵列永磁同步电机铁心的优化设计

Halbach磁铁阵列和集中绕组的分数槽绕组应用于永磁同步电机可提高输出转矩并降低转矩波动,满足伺服系统快速性和高精确度的要求,但需要对电机铁心进行再设计。依据Halbach磁铁阵列的理论建立了每极三段Halbach磁铁阵列永磁同步电机磁场的模型,并分析了气隙磁场特点,提出采用集中绕组的分数槽绕组削弱齿谐波。分析电机铁心的结构特点,确定多个关键尺寸为设计变量,以一定电流的最大转矩平均值和最小转矩波动为主要优化目标,采用Taguchi方法简化优化设计的计算,并建立了双层的优化模型。以一台8极9槽的伺服电动机为例,采用有限元计算,阐述了每极三段Halbach磁铁阵列永磁电机多变量、多目标的优化过程。

分数槽低速大转矩永磁同步电机设计

设计了一种30槽32极分数槽低速大转矩永磁同步电机(FS-PMSM),分数槽绕组采用上下左右四层绕线方法,突破了常规的单、双层绕组方法,通过有限元方法对电机电磁转矩进行分析,发现选择合适的槽电势偏移角不但可以增加一定的电磁转矩,而且可以有效减小转矩波动。在综合考虑电机转矩性能和气隙磁密正弦性的基础上,采用钕铁硼永磁与铁氧体永磁相结合的方法,对电机转子磁极结构进行优化,减少了钕铁硼永磁体的用量,降低了电机造价;对空载反电势进行谐波分析,优化后的磁极结构能减少反电势中的谐波含量。对电机进行二维动态仿真,结果表明方案设计合理,能够表现良好的性能,对此类电机设计与优化具有较高的参考价值。

分数槽集中绕组永磁同步电机设计与分析

分数槽集中绕组永磁同步电机由于转矩密度高、弱磁性能好、齿槽转矩小和效率高等特点,广泛应用于航空航天、电动汽车等领域。本文研究了机载雷达伺服系统用分数槽集中绕组永磁同步电机,建立了电机的解析模型,分析了长径比、裂比、磁密系数等设计参数对电机性能的影响规律。结果表明,电机的输出转矩和质量分别与定子外径D3os,D2os成正比,绕组端部比重与长径比λ成反比,综合转矩密度和绕组端部比重两个因素,λ宜在0.2~0.4范围内选择。当定子裂比γ增加时,转矩密度先增大后减小,为使转矩密度最大,γ宜在0.6~0.8范围内选择。当磁密系数χ增加时,输出转矩先增大后减小,为使输出转矩最大,χ宜设计在1.75附近。基于理论分析和仿真计算,文中设计并加工了一台45槽38极分数槽集中绕组永磁同步电机,最后通过实验测试了其性能。