轴向磁通定子无铁心发电机磁场解析及转子优化设计

定子无铁心轴向永磁发电机(CAFPMSM)具有结构简单、启动转矩低、功率密度高等优点,在小型风力发电机、汽油发电机等场合具有潜在应用前景。但CAFPMSM的转子磁场呈现典型的三维特性,其对无铁心绕组损耗的影响有别于传统电机。基于对电机转子磁场等效磁路的解析结果,以优化电机输出电压畸变率、降低电机绕组损耗为目的,通过加入导磁极的方式,对电机的转子结构进行优化设计。首先建立新型结构电机磁路等效模型,计算各磁路磁阻以及漏磁系数,然后利用有限元软件,验证理论解析的准确性,最后设计制造试验样机,并对其进行反电动势以及绕组涡流损耗测试。试验结果表明,新型结构电机反电动势波形畸变率、绕组产生的涡流损耗及绕组温升均有所降低。

直升机涵道尾桨永磁同步电机设计与仿真

针对直升机涵道尾桨机械传动系统传动链长、噪声大、结构复杂、传动轴刚度差和安装维护周期长等缺陷,设计一种适用于直升机涵道尾桨的永磁同步电机。通过探究悬停工况下电机主要尺寸与尾桨桨叶长度、宽度以及安装角度的关系,明确一定范围内电机主要尺寸最小时的功率、转矩和转速;采用分数槽集中绕组进一步提升了功率密度,基于14极18槽完成了电机设计。建立电磁场和温度场有限元仿真模型,验证电磁设计的合理性以及永磁体分段降温的有效性。与未分段相比,当永磁体沿周向分4段时,永磁体平均温度降低了55.43%。结果表明:该电机功率密度较高,输出特性良好并且温升较低,能够长时间可靠运行。

永磁同步电机转子涡流损耗计算的实验验证方法

表贴式永磁同步电机转子涡流损耗的计算受到很多学者的关注。但由于转子涡流损耗测量困难,目前还没有一种准确的实验验证方法。本文提出一种能分离出电机基本损耗、高频铜损和高频铁损的实验验证方法,对该验证方法的原理和实施方法进行了分析,并以一高速永磁同步电机的转子损耗测试为例,对永磁同步电机的高频损耗进行了测试和分析。实验结果表明,该验证方法能准确反映转子涡流损耗规律。

高速永磁无刷电机电磁损耗的研究概况(英文)

高速永磁无刷电机得到越来越多的关注,其电磁损耗及抑制措施就是一个研究热点。首先,由于基波频率高(可达到1 kHz以上),定子绕组的集肤效应和临近效应产生附加铜耗。附加铜耗可以通过采用细导线并绕的方法来抑制。其次,定子铁心中的磁场交变频率高,导致铁耗明显增加。为降低定子铁耗,需要设计较少的电机极数、远低于常规电机的定子铁心磁密,并采用低损耗的铁心材料。再次,由于定子磁动势的谐波频率及气隙磁场的变化频率都数倍于基波频率,在转子中产生涡流损耗,而这种涡流损耗在中、低速永磁无刷电机中往往是忽略不计的。为抑制转子涡流损耗,应减小定子磁动势的谐波分量,也可采取减小定子槽开口、加大气隙长度、对永磁体进行轴向分块、采用转子导电屏蔽层、对转子保护套周向开槽等措施。此外,适当的控制策略(如永磁无刷直流电机超前触发、永磁同步电机弱磁控制)也有助于减小电磁损耗。

实心转子—电磁轴承系统的损耗分析

当径向电磁轴承中的转子旋转时,转子中将产生涡流。当转子为非叠片结构时,所产生的涡流较大,此涡流将改变电磁轴承气隙回路中的磁场。因此,作用在转子上的磁场力除磁浮力之外,还将作用有切向力,此切向力将产生磁阻尼,引起能量损耗。本文提出了一实心转子—电磁轴承系统的磁场分布模型,给出了相应磁浮力和切向力的计算公式,以实际系统为例,进行了相应计算和损耗分析,并在实际系统上进行了实验。结果表明计算与实验较吻合。

飞轮储能系统中高速电机转子的分析设计

为解决表贴式永磁电机在高速场合下运行的问题,针对高速发电/电动机的转子设计,对转子强度与转子涡流损耗两个问题进行了研究,对一台应用于飞轮储能系统中80 kW表贴式高速永磁无刷直流电机,使用解析法研究了过盈量、保护套筒厚度与转子机械性能之间的关系,开展了定子槽口宽度、气隙长度、护套厚度等参数对转子涡流损耗的影响,得出了减小定子槽口宽度、增加气隙长度、减小护套厚度可以降低涡流损耗的结论。在保证强度的前提下,进行正交分析,得出了一套可以降低转子损耗,提高材料利用率的优化的定转子方案。使用有限元法对方案进行了验证。研究结果表明,该转子设计合理可靠,可以满足设计要求。

飞轮储能用高速永磁电机转子的涡流损耗

为了减小高速永磁电机中由定子电流的时间谐波、定子磁动势的空间谐波以及定子槽开口造成的气隙磁导变化引起的转子涡流损耗,提高电机的效率,采用ANSOFT有限元软件分析了高速永磁电机中气隙磁场和定子电流.研究了槽开口大小以及气隙长度对转子涡流损耗的影响,分析了利用涡流磁场的屏蔽作用,提出在永磁体外增加一薄层非导磁金属屏蔽环来减小转子铁心、永磁体和护套损耗的机理和有效性,以及屏蔽环的电导率和厚度对转子涡流损耗的影响.结果表明:在合理选取槽开口大小、气隙长度和非导磁金属屏蔽环电导率和厚度的情况下,添加非导磁金属屏蔽环可以有效地减小转子涡流损耗.

高速感应电机转子涡流损耗的计算方法及影响因素

结合解析法和二维涡流场有限元法,提出一种计算大型高速感应电机转子涡流损耗的半解析法,利用二维涡流场有限元法计算转子表面磁密,并在此基础上基于麦克斯韦方程组详细地推导出了解析公式。以一台兆瓦级高速感应电机为例,将半解析法与二维瞬态有限元法的计算结果进行对比,结果满足工程实践的精度要求。此外,采用半解析法研究转子材料和转子结构对转子涡流损耗的影响,结果表明:转子材料的相对磁导率越高、电导率越低,转子涡流损耗越小,端部有端环结构能降低转子的涡流损耗。

转子结构对高速无刷电机转子涡流损耗的影响

针对转子涡流损耗在高速电机中比较严重的问题,通过有限元分析研究了永磁体分块对转子涡流损耗的影响.分析表明:当永磁体周向宽度小于谐波磁场在永磁体中的透入深度时,永磁体分块能有效地减小永磁体中的涡流损耗;反之,永磁体分块会使永磁体中的涡流损耗增加.利用涡流磁场的屏蔽作用,在转子保护环和永磁体之间增加一层电导率高的铜片.尽管铜片中会产生涡流损耗,但该涡流产生的磁场抵消了气隙磁场的谐波分量,使永磁体、转子铁心以及保护环中的损耗显著减小,整体上降低了转子涡流损耗.

基于多物理场的高速永磁电机转子护套研究

目前高速永磁电机转子最常用的保护措施是碳纤维捆扎永磁体、永磁体外加非导磁或半导磁合金保护套,保护套的增加会给电机的散热带来严重的困难。针对以上问题,基于一台75 kW,60 000 r/min的高速永磁电机,设计了3种方案,同时基于应力场、电磁场和温度场对3种方案的转子强度、转子涡流损耗和温度分布进行了综合的比较与分析,通过一台采用非导磁合金保护套的样机进行了温升实验。实验结果表明,采用半导磁合金保护套时,会大大减小永磁体的厚度,但会产生更大的转子涡流损耗;采用非导磁合金保护套时,所需的永磁体和保护套的厚度最大;采用碳纤维保护套时,所需的保护套厚度最小,转子涡流损耗和温升分布也远远小于其他两种保护措施。

磁性槽楔对永磁电机转子损耗及温度场影响

针对实心转子高压永磁电机定子铁心开槽会导致气隙磁导不均匀,气隙中谐波磁场引起电机转子温度升高,影响永磁体的电磁性能的问题,以一台315 k W,6 k V实心转子高压永磁电机为例,建立了样机的二维电磁场时步有限元模型及三维全域流体与固体耦合传热数学模型,给出了求解域及边界条件,通过求解计算模型,将计算数据与实验数据进行了对比,验证了所建模型的正确性。在此基础上研究了槽楔相对磁导率分别为3、5、7、9时对转子表面涡流损耗的影响,分析了磁性槽楔相对磁导率为不同值时电机转子及定子各部分的温度分布,计算结果表明定子槽楔相对磁导率数值的增加,电机的起动转矩降低,转子铁心涡流损耗逐渐减小,电机定子各部分温度先减小后趋于稳定。

气隙磁场波形及磁瓦充磁方式对无刷直流电动机性能的影响

对比研究了梯形(或方波)气隙磁场与正弦气隙磁场对无刷直流电动机若干性能的影响,指出在不作PWM电流调制时正弦磁场更适合于无刷直流电动机,并且在使用表面粘贴磁瓦时平行充磁优于径向(辐射)充磁。

可调速型盘式磁力耦合器永磁体温度场研究

针对大功率可调速型盘式磁力耦合器运行时,永磁体温度过高且易失效的问题,采用磁路法对导体转子的涡流损耗进行了理论推导,利用有限元软件对大功率高负载工况下的磁力耦合器永磁体稳态温度场进行了研究。研究结果表明,随着转差增大,磁力耦合器中的永磁体温度呈现出逐步增大的趋势;随着磁力耦合器气隙距离的减小,永磁体的最高温度逐步升高;当磁力耦合器的转差在180r/min以下,气隙不小于18mm时,其永磁体温度将保持在55℃以下,永磁体的最大磁能积和剩磁几乎不受影响,可保证磁力耦合器正常高效工作;当磁力耦合器处于大功率高负载工作状态下,气隙距离对永磁体的温度状态影响显著,当转差为180r/min,气隙小于15mm时,永磁体温度将急剧上升,当气隙减小至3mm时,永磁体的实际最高温度将达到180℃以上,剩磁相比于室温下降接近20%,最大磁能积下降约45%。该研究成果对大功率磁力耦合器温度场研究具有一定的参考意义。

多层护套结构高速永磁电机转子机械强度与损耗分析

针对表贴式高速永磁电机转子护套与永磁体之间过盈配合单一、护套内外表面上作用力跨度较大的问题,提出一种多层护套转子结构,能有效减小护套的总厚度。在满足转子机械性能的前提下,多层护套转子结构通过在每层护套之间施加适当过盈量的方法使护套整体的受力分布更加均匀,提升了护套的使用效率,因此总厚度相比单层护套更薄。为快速分析多层护套转子结构的受力情况,建立了该结构的二维应力场解析计算模型。基于解析模型提出了一种多层护套的设计方法,并用该方法对一台高速永磁电机的转子进行设计,且通过有限元分析验证了该设计方法的准确性。最后,将所设计的多层护套与原单层护套相对比,该结构的护套厚度减小了10%、转子涡流损耗减少了12.6%。

高速大功率永磁同步电机转子涡流损耗分析

针对抑制在谐波磁场作用下高速大功率永磁同步电机(PMSM)产生转子涡流损耗的问题,开展了削弱转子涡流损耗具体方法的研究,采用"时步"有限元法分析了电机定子槽口宽度、气隙长度、转子保护套材料和厚度等对转子涡流损耗的影响规律;研究了不同保护套材料下转子应力分布。结合转子机械安全性、绕组嵌线工艺性、制造成本等因素,提出了通过优化结构参数抑制转子涡流损耗的具体策略。结果表明:优化方案可大幅度降低转子涡流损耗,且电机优势性能并未被削弱。

高速永磁电机的转子涡流损耗分析

在高速永磁电机中,转子涡流损耗会使转子温度升高,影响电机效率等性能,甚至导致永磁体过热退磁。针对高速永磁电机中的转子涡流损耗问题,进行了解析分析和有限元计算,分析了产生转子涡流损耗的谐波来源,研究了不同定转子结构电机的转子涡流损耗,分析了定子槽数、槽口宽度、气隙长度、屏蔽层、定子齿开辅助槽对转子涡流损耗的影响。结果表明,增加定子槽数、减小槽口宽度、增加气隙长度可以减小转子涡流损耗;在护套和永磁体中间加一层高电导率屏蔽层能有效减小永磁体的涡流,且选择合适的屏蔽层厚度能够进一步减小转子涡流损耗;提出了使用合适宽度、深度、角度和槽型的辅助槽来减小转子涡流损耗、帮助电机散热的新方法。对高速永磁电机的研制具有重要的理论研究和工程应用价值。

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。

稀土永磁同步电动机转子温升探讨

稀土永磁同步电动机在正常运行时,理论上转子无基波损耗,转子温升应该较低,但在实际中由于磁钢涡流损耗和谐波损耗等不可避免的问题引起转子发热,温升增大。针对作者研制的一台REPMSM在试验时出现转子温升过高现象,该文对转子结构、槽配合以及稀土永磁材料等进行分析,提出了降低转子温升的解决方法。通过实验可知,磁钢的涡流损耗对REPMSM的转子温升影响很大。

高速永磁无刷电机转子护套周向开槽的有限元分析

转子损耗造成转子局部高温是高速永磁无刷电机的主要问题之一。高速永磁无刷电机的转子损耗主要包括风摩损耗和涡流损耗,而涡流损耗主要由转子金属护套损耗和转子永磁体损耗组成。该文采用有限元的方法分析研究高速电机转子护套开周向浅槽对转子涡流损耗、风摩损耗及温升的影响;同时,分析了转子护套开槽前后的转子护套应力变化情况。通过上述分析,证明在转子护套上开周向浅槽可以有效减小高速电机转子损耗、降低转子温升,且不影响转子护套强度。

基于负载磁场考虑涡流反作用的带护套高速永磁电机转子涡流损耗解析模型

该文基于精确子域法建立电枢磁场、永磁磁场、定子开槽共同作用下的带护套高速永磁同步电机转子涡流损耗解析模型,该模型同时计及高频谐波磁场所引起的转子涡流反作用的影响。该模型在槽子域和永磁体子域中同时考虑定子绕组电流和永磁体剩磁,故利用该解析模型可以同时计算电枢磁场、理想空载磁场和负载合成磁场作用下的转子涡流损耗;为提高解析模型计算精度,在转子导体区域内求解扩散方程以考虑涡流反作用的影响。该文通过该解析模型研究槽口宽度、护套材料和护套厚度对转子涡流损耗的影响。最后,对一台7.5kW、15000r/min的高速永磁电机进行损耗分离实验,将解析、有限元和实验得到的转子涡流损耗进行对比,验证该解析模型的有效性。