Investigation of Optimal Split Ratio of 6-Slot/2-pole High Speed Permanent Magnet Motor with Toroidal Winding

Split ratio,i.e.the ratio of stator inner diameter to outer diameter,has a closed relationship with electromagnetic performance of permanent magnet(PM)motors.In this paper,the toroidal windings with short end-winding axial length are employed in the 6-slot/2-pole(6s/2p)PM motor for high speed applications.The split ratio is optimized together with the ratio of inner slot to outer slot area,i.e.slot ratio,considering stator total loss(stator iron loss and copper loss).In addition,the influence of maximum stator iron flux density and tooth-tip on the optimal split ratio,slot ratio,and average torque is investigated.The analytical predictions show that when the slot ratio is 0.5,the maximum torque can be achieved,and the optimal split ratio increases with the decrease of slot ratio,as confirmed by the finite element(FE)analyses.Finally,some of predicted results are verified by the measured results of 6s/2p prototype motor with 0.5 slot ratio.

高速高功率密度无轴承永磁薄片电机设计与优化

传统无轴承电机在高速和高功率密度之间难以取得平衡,为此围绕高速高功率密度无轴承永磁薄片电机,对其拓扑结构、绕组形式、主要尺寸等方面进行优化设计,在保证转速和功率密度的基础上有效地提升悬浮性能。通过对运行工况的分析,得出电机拓扑结构需具备的基本特点,提出一种采用环形集成绕组的表贴式无轴承永磁薄片电机。在兼顾转矩和悬浮力输出性能、机械防护可靠性的基础上,对电机的电磁气隙长度和永磁体参数等主要尺寸进行优化设计。针对电机饱和、绕组端部伸出等不利因素,分别采取了超前角弱磁、定子略长的性能提升策略,有效地避免了悬浮力的大幅度跌落。搭建20 000 r/min的无轴承永磁薄片电机有限元仿真模型并制造实物样机。通过对电磁转矩和主、被动悬浮力的分析,证明了本文设计的无轴承永磁薄片电机兼具良好的转矩与悬浮力输出性能,单位幅值电流产生的电磁转矩、主动悬浮力分别为0.166 N·m、4.4 N,电机输出功率10 kW、功率密度5.2 kW/kg。

直驱环形永磁同步电机机座结构设计与分析

针对球磨机用无齿轮直驱环形永磁同步电机具有较大的直径与长度比、多对磁极和转速低的特点,介绍了一种分体式定子机座的结构设计方法。首先,依据设计方案推算出机座的主要结构尺寸;然后,使用Creo Parametric软件,在保证整体结构刚度和强度的前提下,建立机座在承受固定载荷下的参数化几何模型;最后,借助Ansys Workbench有限元分析软件对机座进行数值模拟分析,验证设计方案的可行性和合理性。

基于新型趋近律的永磁超环面电动机滑模控制

将一种新型指数趋近律的滑模控制策略应用到超环面电机控制系统中,解决了传统指数趋近律滑模增益选取难的问题。基于超环面电机系统的数学模型,设计了指数趋近律滑模控制器,将该电机状态变量的幂次项加入到趋近律的变速项中,同时在变速项中采用饱和函数,使系统状态在滑动层内运动,完成了新型滑模控制器的设计和仿真分析对比。结果表明,该新型趋近律能有效地缩短调稳时间,消除超调现象,提高系统的鲁棒性。

永磁超环面电机模糊终端滑模的直接转矩控制

根据永磁超环面电机的结构特性和运行原理,推导了其结构参数和运动参数对电磁参数影响的表达式,建立了永磁超环面电机的数学模型并应用状态空间法进行了动态特性分析。针对该电机电磁转矩和输出转速的周期性波动,在转速环中通过模糊控制规则得到其结构参数与运动参数的增量以调节终端滑模控制器参数。为了提高永磁超环面电机的响应速度,应用直接转矩控制在转矩环和磁链环中设计了super-twisting滑模控制器,并结合空间矢量调制对永磁超环面电机进行控制。仿真实验表明:此控制策略有效地提高了永磁超环面电机的响应速度,减小了输出转速和电磁转矩的波动,得到了良好的控制效果。

基于MRAS的永磁超环面电机无位置传感器控制

在研究永磁超环面电机结构与驱动机理的基础上,分析计算了该电机的电感,并建立了该电机的数学模型。基于无位置传感器控制的优点,设计了基于模型参考自适应(MRAS)的永磁超环面电机无位置传感器控制系统,并进行了该控制系统的仿真。仿真结果表明,基于MRAS的永磁超环面电机转速估计误差较小,模型参考自适应控制系统能实现对行星架转子角速度的高精度辨识,该控制系统控制效果良好。

高速轴向磁通永磁电机环形绕组电感计算

高速轴向磁通永磁电机在小功率发电机组上有潜在应用前景。为消除齿谐波,高速轴向磁通电机一般采用无槽铁心和环形绕组结构。为了研究该绕组的电感,采用磁势法和绕组函数法给出了该绕组的电感解析表达式,能计入绕组基波和谐波对电感的影响。采用有限元方法验证了电感解析解的正确性。给出的结论对高速轴向磁通电机的后续稳态、瞬态分析提供了理论参考。

120°相带环形绕组直驱永磁同步电机性能分析

基于相同电负荷、磁负荷及等永磁体用量的设计原则,建立了不同绕组结构的传统直驱永磁同步电机(DDPMSM)、传统环形绕组DDPMSM和120°相带环形绕组DDPMSM的有限元模型。分析了空载运行时3种电机的磁场分布、气隙磁密和反电势,对比了负载运行时3种电机的输出转矩、效率及功率因数等性能参数。制造了一台120°相带环形绕组DDPMSM样机,搭建了样机实验测试平台,测试了样机在不同工况下的输出转矩和输出功率,对比分析了实验与有限元结果,验证了有限元模型及分析结果的正确性。研究结果表明:120°相带环形绕组DDPMSM较传统DDPMSM和传统环形绕组DDPMSM具有体积小、转矩密度高、转矩常数大等优势。

永磁超环面电机优化三矢量模型预测电流控制

为提高传统预测电流控制下永磁超环面电机系统的稳态输出性能,研究了永磁超环面电机优化三矢量模型预测电流控制(OTV-MPCC)策略。基于永磁超环面电机的结构原理,在旋转坐标系下建立该电机具有时变参数的数学模型,分析结构参数对电机输出的影响。针对含有时变参数的永磁超环面电机系统,采用永磁超环面电机OTV-MPCC策略,在一个采样周期内作用3个电压矢量,同时通过遍历5种三矢量组合选取第二最优电压矢量,减少电流预测迭代。将永磁超环面电机OTV-MPCC策略与占空比模型预测电流控制(DR-MPCC)策略、双矢量模型预测电流控制(TV-MPCC)策略进行仿真对比,结果表明:OTV-MPCC策略可有效降低永磁超环面电机的电流与转矩脉动,提高稳态输出性能。