轴向磁通电机中Halbach阵列永磁体的解析优化方法

为了进一步增大采用软磁复合材料铁心的轴向磁通永磁电机的电磁转矩,针对其不等宽的两段式Halbach阵列永磁体进行解析优化,利用无槽2D等效模型和有槽气隙相对磁导率解析了气隙磁场和电磁性能;进而基于电磁转矩的导数和复化求积公式推导了使电磁转矩最大化的Halbach阵列最优轴向充磁系数的表达式;采用轴向磁通永磁电机的3D有限元方法分析验证了气隙磁场、反电动势、电磁转矩以及Halbach阵列最优轴向充磁系数的解析解的准确性。Halbach阵列解析优化的结果表明:当轴向充磁系数为0.82时,轴向磁通永磁电机的电磁转矩达到最大;最优轴向充磁系数取决于极对数、永磁体厚度、电机径向尺寸和气隙宽度等;当极对数为5时,最优轴向充磁系数会随着永磁体厚度的增加而减小,而电机径向尺寸的增加会导致最优轴向充磁系数的增大;气隙宽度对最优轴向充磁系数的影响较小,基本可以忽略。     

飞轮储能用Halbach阵列定子无铁心无轴承永磁电机的设计

为了有效简化系统结构,提高系统功率密度和效率,提出一种外转子Halbach阵列定子无铁心无轴承永磁电机应用于飞轮储能系统的电动机/发电机.阐述了外转子无轴承永磁电机的工作原理;分析了Halbach阵列永磁转子的结构和性能;通过有限元方法对电机的气隙磁场、反电动势、径向悬浮力、单边磁拉力和电磁转矩进行计算和分析;最后采用场路耦合瞬态有限元法分析了无轴承永磁电机的转子涡流损耗.仿真结果表明,与传统的无轴承电机相比,Halbach阵列定子无铁心无轴承永磁电机在气隙磁场、反电动势、径向悬浮力、单边磁拉力、电磁转矩以及转子涡流损耗方面表现出更好的性能,适合应用于飞轮储能系统.     

采用改进子域模型的表贴式永磁游标电机磁场解析计算

针对传统子域解析方法在计算气隙谐波磁场丰富的表贴式永磁游标电机磁场时,出现系数矩阵维数高、计算过程复杂的问题,提出了一种改进的子域解析模型。该模型通过坐标变换,将各子域矢量磁位在二维极坐标系下的拉普拉斯方程或泊松方程变换为准笛卡尔坐标系下的方程形式,利用分离变量法计算各子域矢量磁位方程的通解,根据边界条件计算待定系数,以双曲函数的形式表示各矢量磁位的解析解。计算了空载反电动势、气隙磁密和电磁转矩,与传统子域解析方法、有限元法计算结果进行对比。仿真结果表明：改进子域解析方法与有限元法的相对误差均小于1%;与传统子域解析方法相比,空载反电动势、气隙磁密和电磁转矩计算精度分别提升了1.7%、0.87%和3.66%。实验样机的空载反电动势计算波形和测试波形也基本吻合,验证了该方法的有效性和可行性。     

中心部分分段Halbach永磁同步轮毂电机解析计算与优化设计

针对永磁同步轮毂电机转矩脉动和涡流损耗大的问题，提出一种主磁极中心部分分段结构。采用Halbach充磁方式，永磁体主磁极中心部分分段，边界磁极与主磁极不等宽不等厚。首先，在二维极坐标系下构建解析模型，采用精确子域模型法，对解析模型在空载、电流源激励及负载下的气隙磁密和转矩进行计算。其次，建立10极12槽永磁同步电机模型并对其进行有限元仿真验证，提出一种分级优化方法，对电机结构参数进行优化，从而达到降低永磁同步电机气隙磁密谐波畸变率、转矩脉动及涡流损耗的目的。最后，与相关8种磁极结构永磁同步电机模型的各项电磁性能展开对比。结果表明：分级多变量多目标优化算法提高了优化效率与精度；十字型主磁极中心部分分段Halbach永磁同步电机可以显著减小涡流损耗，有利于牵引电机过载运行；H型主磁极中心部分分段Halbach永磁同步电机可以显著降低转矩脉动，提高电磁转矩和机车稳定运行能力。     

车用永磁轮毂电机解析建模与齿槽转矩削弱

为了提高永磁电机设计和优化的效率,避免有限元软件建模、计算耗时长的缺点,建立了定子齿上开有辅助槽的表贴式永磁电机的解析模型。在二维极坐标下以矢量磁位为位函数,在各个子域建立拉普拉斯方程或泊松方程,根据分离变量法求解各子域矢量磁位的表达式,并利用各子域的边界条件求得相关的谐波系数,推导了该永磁电机模型空载下的气隙磁通密度、齿槽转矩、磁链和反电动势公式。然后,计算了一台车用轮毂外转子32极48槽永磁电机在空载下的气隙磁通密度、齿槽转矩、磁链和反电动势,并通过有限元法和齿槽转矩实验验证了解析模型的有效性和精确性。此外,基于解析模型优化了该轮毂电机的齿槽转矩,将齿槽转矩削弱了37.2%。     

内置式Halbach永磁同步电机的参数敏感度分层优化设计

针对内置式永磁同步电机齿槽转矩和转矩脉动大引起的振动噪声问题,提出一种转子开辅助槽的内置式Halbach永磁同步电机结构。首先,计算电机电磁转矩、气隙磁密、齿槽转矩的解析函数,并建立电机仿真模型。其次,利用参数敏感度和中心复合设计响应面相结合的分析方法对电机结构参数进行分层优化,两层分别采用最大最小蚁群算法和参数扫描法寻优。最后,将优化后的结构与相同永磁体体积的普通V型、倒三角型和倒三角开槽型3种电机的电磁性能进行对比。结果表明：所提出的内置式Halbach开槽型永磁同步电机在不损失电磁转矩的基础上,大幅度降低了齿槽转矩,抑制了转矩脉动,改善了气隙磁密和反电势波形的正弦度,有效提升了电机的电磁性能。     

Halbach阵列永磁球形电动机转矩的三维有限元分析

为分析Halbach阵列永磁球形电动机复杂边界条件对电机性能的影响,采用有限元法对电机转矩特性进行了研究．建立了Halbach阵列永磁球形电动机三维有限元模型,得到了电机转矩的空间分布,并与解析法得到的结果进行了对比分析．在保证Halbach阵列永磁球形电机体积不变的情况下,分析了电机结构参数对电机性能的影响．对不同磁体结构球形电动机产生的自转转矩和倾斜转矩进行了比较．漏磁、磁场谐波及各自由度之间的电磁耦合对转矩特性的影响可以在有限元法中得到体现,使其与解析法得到的结果有所差别．永磁球形电动机采用Halbach阵列磁体结构后,转矩的输出能力得到了提高．在电机结构参数中,转子磁体厚度、定子线圈高度、内径及外径对电机的输出转矩能力具有较大的影响．结果表明在提高电机转矩输出能力上,电机结构参数存在最优值．     

磁场调制型永磁容错轮缘推进电机设计与优化

针对永磁容错轮缘推进电机定子槽数过多、电机质量较大、转矩密度较低的问题,提出一种磁场调制型永磁容错轮缘推进电机结构.采用解析法分析了电机的工作原理,采用单参数扫描法研究了定子关键结构参数对电感和反电动势的影响,采用响应面法和多目标遗传算法对电机进行优化,得到最优的定转子参数.利用有限元仿真软件分析了电机的气隙磁密、反电动势、电磁转矩以及容错性能.结果 表明,磁场调制型永磁容错轮缘推进电机具有更高的转矩密度和更强的故障容错能力.     

电动汽车永磁轮毂电机磁场非线性解析计算方法

针对传统解析法通常假设铁磁材料磁导率为无穷大、忽略了磁饱和效应的问题,提出一种考虑铁磁材料磁导率非线性影响的磁场解析建模方法。利用复数形式的傅里叶级数和柯西乘积将材料磁导率嵌入到静磁场求解中,将永磁轮毂电机分为定子齿槽、气隙和永磁体3个求解域,以矢量磁位为求解变量,根据激励源的不同在各求解域建立拉普拉斯方程或泊松方程,联立边界条件求得各域矢量磁位。根据材料非线性B-H曲线,利用迭代算法得到了各工况下定子齿上的相对磁导率分布,计算了空载、电枢、负载磁场分布及输出转矩,并通过有限元法验证了该非线性解析法较传统解析法更准确。     

永磁三自由度电机的磁场分析与电磁计算

为解决现有驱动装置在多刚体耦连系统的复杂运动协调性偏差、灵活性较低等问题,提出一种新式永磁三自由度电机的结构设计,区分为内侧偏转模块和外围自转模块,其运行策略可分为独立控制型与混合驱动式。首先对比了不同充磁方式下的电磁损耗,并利用Halbach阵列的强力聚磁与磁路屏蔽的效果,对电机自转永磁体磁场特性进行优化与完善。结合电机的有限元结构,在静态磁场下了分析了自转与偏转磁场的各类特性参数。并于瞬态磁场下求解了电机自转与偏转空载运行时的转矩,均符合预期要求,同时计算了电机自转运行的反电动势与磁链,仿真结果证实了两类模块独立控制的可行性与正确性。     

横向磁通永磁电机定子系统受力分析

横向磁通永磁电机磁路与电路分离,提高磁密或提高电负荷时相互不受影响,在保证二者的同时实现电机的高转矩密度,适用于某些特殊场合,故对该类电机的研究受到越来越广泛的关注.径向结构与盘式结构永磁电机,其振动与电磁噪声特性已经得到深入研究,并取得一定成果,而对于横向磁通永磁电机,其结构复杂,定子系统振动及电机电磁噪声特性极少被研究.由于定子所受电磁力是电机振动及电磁噪声的主要原因,拟对一台15 kW横向磁通永磁电机定子系统进行受力分析.为分析该类电机的振动及电磁噪声特性,文中计算了样机空载气隙磁场、反电动势、定子内外齿气隙磁密、定子内外齿所受径向与切向电磁力,并得出相应结论.     

分数槽Halbach永磁直线同步电机磁场解析计算

分数槽Halbach永磁直线同步电机(fractional-slot Halbach permanent magnet linear synchronous motor,FH-PMLSM)的次级永磁体采用Halbach阵列,初级绕组采用端部不重叠的集中绕组,与常规的分数槽永磁同步直线电机相比,具有推力密度大、损耗小等优点,适用于长行程、大推力驱动场合。文章在Halbach永磁阵列的电流密度等效基础上,对16极15槽FH-PMLSM建立分层解析模型,利用矢量磁位和边界条件推导出气隙区域、齿槽和永磁体区域磁场的解析公式,并结合分布式卡式系数分析FH-PMLSM励磁磁场的分布,进一步对不同气隙长度的FH-PMLSM的电磁推力进行计算。结果表明:解析计算与有限元计算的磁场结果基本吻合,验证了该解析方法的正确性,为分数槽Halbach永磁同步直线电机的工程分析和优化设计提供了依据。     

多相永磁无刷直流电机凸极效应的数学模型

考虑到多相永磁无刷电机转子磁路结构及气隙磁密波形对电机运行性能和控制策略的影响,需要建立准确的电机数学模型。该文根据永磁电机磁场的特性,推导了电磁转矩和反电势的一般表达式,建立了考虑凸极效应和气隙磁密谐波的多相永磁无刷直流电机数学模型,用有限元方法计算模型中的参数。结合一台样机进行了仿真和实验,结果表明该数学模型既准确反映了电机的性能,又可用于多相永磁无刷电机整个系统的仿真计算。     

基于定子齿齿肩削角的内置永磁电机齿槽转矩削弱方法[JP]

为削弱电动汽车用内置式永磁同步电机的齿槽转矩,提出了一种定子齿齿肩削角的方法。建立定子齿齿肩削角前后的气隙长度等效模型,推导有效气隙长度分布函数,分析定子齿齿肩削角降低气隙磁密低次谐波幅值,削弱齿槽转矩的机理;以三相8极36槽内置式永磁同步电机为例,利用有限元法对定子齿齿肩削角的不同形状和尺寸进行仿真分析,获得最优参数匹配。结果表明,定子齿齿肩椭圆形削角有效降低了气隙磁密谐波幅值,提高了电机反电势波形正弦性,削弱了齿槽转矩;优化后的电机齿槽转矩的峰值降低了77.2%,反电动势的9,13,15,17,19和21次谐波幅值明显下降,电机的输出品质显著提高。所提方法通过改变气隙长度分布函数,减小了气隙磁密特定谐波,可有效削弱永磁电机的齿槽转矩,为同类型电机齿槽转矩的优化提供参考。     

铝转子单边盘式感应电机的新型等效电路

铝转子单边盘式感应电机气隙较大,主要参数随半径变化,用传统电机分析法会造成较大误差,且无法准确描述铝转子中集肤效应的影响.采用一种新的电磁模型,利用分环计算和多层行波磁场模型有效解决了该电机存在的特殊问题,提高了模型精度.通过磁场分布计算得到电机的T型等效电路.分析了等效电路中电感和电阻参数.制作样机并通过空载试验和短路试验测定其T型等效电路参数,试验结果与计算结果误差较小,证明该方法能准确估算铝转子单边盘式感应电机的主要参数.计算电机电磁转矩随转差率变化的情况,高转差率下的实验转矩输出值与计算值接近.     

基于Ansoft的稀土永磁无刷直流电机的电磁场分析

以一个三相六状态两极的稀土永磁无刷直流电机作为分析模型,采用Ansoft有限元分析软件对电机电磁场进行了空载和负载两种瞬态的计算和仿真,得到了磁力线、磁通密度、磁阻力矩和反电动势曲线,并对气隙磁密和绕组电流进行了仿真分析.通过对两种工作状态的电磁场仿真结果对比分析,可以减少由于齿槽效应而产生的转矩脉动,为优化电机设计参数提供可靠依据,具有一定的工程意义.     

Halbach磁齿轮复合电机的分析与研究

将磁齿轮与传统永磁电机相结合,构成磁齿轮复合电机,可减小摩擦损耗、提高传动效率。研究复合电机的传动机理,分析比较径向充磁与Halbach充磁复合电机的磁场分布规律,建立电机的时步有限元分析模型,综合考虑谐波磁场和斜槽的影响,对两种电机的气隙磁密及损耗分布进行对比分析,分析不同转速下两种电机的涡流损耗及铁耗分布规律。结果表明,较传统的径向式结构,Halbach磁齿轮传动复合电机具有谐波含量小、铁耗小、效率高等优点,内转子电机的槽口宽度对永磁体涡流损耗产生较大的影响,选择合理的槽口宽度可减小损耗,进一步提高电机的效率。     

考虑铁芯磁饱和的开关磁阻电机电感及转矩解析建模

针对开关磁阻电机电感的非线性问题,提出了一种开关磁阻电机非线性电感解析计算模型,并在此基础上完成了电磁转矩的解析计算。运用分布式等效磁路法并考虑铁芯磁饱和的影响,通过分别确定各条磁路中气隙和铁芯的等效长度及磁导率,建立了含电机参数的非线性电感解析模型,并通过电感的有限元仿真结果验证了解析模型的准确性。在利用该电感解析模型求解得到磁链曲线族的基础上,使用能量法对电磁转矩进行了解析计算,并将电磁转矩的解析结果与有限元仿真结果进行了对比,结果表明:建立的非线性电感解析模型能够准确地预测出电机的动态电感,相对误差在9%以内,电磁转矩峰值处误差在6%以内,提出的电感解析模型能够获得较高精度的电感和转矩解析结果。     

表贴式永磁电机阶梯形永磁体设计及特性分析

调速永磁同步电动机要求永磁体产生的气隙磁密波形呈正弦分布,以此产生正弦形的空载反电动势,为此文章设计出一阶梯形永磁体结构以产生近似正弦分布的气隙磁密波形;对一矩形周期函数和阶梯形周期函数分别进行傅里叶级数展开,得出在特定条件下阶梯形周期函数的各次谐波幅值比矩形周期函数小,鉴于此提出阶梯形永磁体结构;在磁场分析软件Magnet中,分别搭建了阶梯形调速永磁同步电机及瓦片形调速永磁同步电机的有限元分析模型并仿真,对仿真获取的气隙磁密做谐波分析,结果表明阶梯形永磁体产生的气隙磁密的各次谐波幅值明显小于瓦片形永磁体。     

可变磁通永磁游标电机设计及静态特性分析

为实现永磁电机在体积和槽数不增加情况下产生低速大转矩输出,将混合励磁概念引入永磁游标电机,提出了一种新型可变磁通永磁游标电机。通过将磁通调制极引入到电机定子齿以及在相邻磁通调制极间布置励磁绕组,实现了电机磁通可控,从而保证在增磁及弱磁过程中宽调速范围运行。分析了其工作原理,采用时步有限元方法计算了电磁特性,包括空载永磁磁链、空载感应电动势、齿槽转矩和输出转矩,对其增磁弱磁过程进行了分析。制作了一台1 kW样机;并对其静态特性进行了测试。结果表明该电机具有转矩密度大、齿槽转矩小、调速范围宽特点,适用于风力发电、电动汽车领域。