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.     

永磁直流电机定子的振动分析

永磁直流电机的定子振动具有鲜明的特性,对它的分析对于分析其他各类电机的振动具有借鉴作用。该文用解析法分析了电机内的磁场和径向电磁激振力,从物理概念上定性解释了直流电机振动的特征。特别地,指出永磁直流电机槽频电磁激振力的阶数与定子振动形态的空间阶数不同。为准确计算电机振动,利用电磁场有限元仿真了电机内的磁场与电磁力分布,并采用结构场有限元对定子振动进行了仿真。针对试验测试,指出为得到定子振动形态特征,需要在定子上测量足够多的测点。并在一台实际的直流电机上进行振动测试,试验结果与仿真结果相符。     

一种新型10/4开关磁阻电机电磁力分布及其振动特性研究

径向电磁力是导致开关磁阻电机振动和噪声的主要原因之一.为此,本文提出了一种新型五相10/4开关磁阻电机的本体结构,通过增加定子极对数以增大气隙磁通和电磁转矩,通过提前关断定子绕组励磁电流以减小径向电磁力.同时建立了这一新型开关磁阻电机的电磁有限元模型,仿真结果表明,在同样的励磁条件下,新型开关磁阻电机的电磁转矩较传统开关磁阻电机增大了51.7%,同时其径向电磁力却降低了45.3%.进一步分析了励磁绕组导通与关断时刻对电机的影响程度;提前2°左右机械角关断励磁绕组电流,能在保证电磁转矩输出的基础上较大程度地减小开关磁阻电机的径向电磁力.最后,仿真验证了这一新型开关磁阻电机结构减振降噪的效果.     

联合控制策略与多物理域有限元仿真的异步电机软启动瞬态振动分析

为抑制异步电机软启动过程因电磁力所致的瞬态振动,提出了一种联合控制策略与多物理域有限元仿真的电机瞬态振动分析方法。构建了电机软启动过程的电磁力解析模型,用于定性分析低阶电磁力波频率和幅值在启动过程中的变化规律。以直流换流站的主泵电机为研究对象,考虑电机输入和负载之间的耦合影响,建立其软启动过程的仿真模型,为后续的电磁力分析提供初始条件;基于准稳态假设将电机软启动过程看作是多个离散的准稳态工况点的集合;采用二维电磁有限元计算每个准稳态工况点的瞬态磁场,对所有准稳态下的电磁力插值拟合以获取整个启动过程的电磁力,作为振动仿真的激励;通过三维完全法瞬态动力学计算随时空变化的瞬态电磁力所引起的结构振动响应。仿真结果在时域波形和频域成分两方面均与现场实测振动信号较好地吻合,该方法可为分析各型电机在非稳态工况下产生的瞬态振动提供参考。     

交流永磁同步电机电磁噪声的分析与仿真

相比于电励磁电机,交流永磁同步电机具有效率高、运行可靠、维护简单等优点,这些优点使交流永磁同步电机得到了快速发展.电机运行过程中都会产生振动,所以对其电磁振动和噪声的仿真分析是研究低噪声交流永磁同步电机的基础.根据理论分析得出电机产生电磁振动的原因主要是由于电机内部产生了径向电磁力.首先建立电机的电磁力计算模型,提取径向磁通密度和径向电磁力,通过电磁力和声网格耦合建立电磁噪声模型,将结果与实验结果进行较验.验证结果一致,表明计算模型可靠,对交流永磁同步电机噪声情况预测提供了依据.     

基于解耦算法轮毂电机偏心故障补偿控制研究

轻型电动车用外转子永磁同步电机的定转子气隙会随路面激励和载荷而产生形变偏心。偏心导致电机气隙磁感应强度改变,引起磁感应强度径向和切向的不均匀分布,以致加剧电机的转矩波动,影响车辆的舒适性和安全性。现提出一种外加独立补偿绕组方法,基于空间解耦理论,研究补偿电流通入补偿绕组所产生的电磁力与电磁转矩谐波的耦合关系,实现削弱电磁转矩谐波的目的。仿真结果和试验结果表明,此方法对偏心造成的转矩波动有一定抑制效果,对轮毂电机转矩波动抑制具有实际应用价值。     

永磁球形电动机定子线圈座的应变分析

利用气隙磁通密度解析模型和洛仑兹力公式建立了球坐标系下空心定子线圈所受切向电磁力和径向电磁力的解析模型。利用定子壳体和线圈座的有限元模型计算定子线圈座在电磁力作用下的应变,分析了定子壳体厚度、线圈座连接杆长度和直径对应变的影响。最后利用有限元法和解析法对样机进行分析并对结果进行比较,验证了解析模型的正确性和准确性。分析表明,当定子壳体厚度和连接杆直径线性减小而连接杆长度线性增大时,定子线圈座在电磁力作用下产生的应变量在一定范围内线性增加,然后显著增加。     

基于定子槽结构的永磁同步电机振动噪声优化

为了改善永磁同步电机一阶齿谐波引起的振动噪声,本文基于ANSYS Workbench多物理场耦合平台,对电机电磁噪声进行联合仿真,优化电机振动噪声。分析了一阶齿谐波引起的振动噪声所在的空间与时间阶次,通过对定子结构优化的方式降低电机的振动噪声。分析了定子槽的各种参数对电机气隙磁通密度的影响,并通过回归分析的方式得到其对电机气隙磁密的回归模型,通过优化算法找到最适合定子槽参数。经仿真分析表明优化后的电机气隙磁密得到明显改善,0空间阶次由12倍电磁频率引起的48时间阶次的电磁噪声得到了显著降低,证明了优化方案的可靠性。     

车用内置径向式永磁同步电机的降振优化设计

为降低永磁同步电机径向电磁力所引起的电磁振动噪声,基于电磁场、结构场以及声场有限元分析方法,提出了一种基于隔磁磁桥偏移的优化方法.以一台车用内置径向式永磁同步电机为研究对象,将电机隔磁磁桥所在位置沿转子外径的圆周轨迹向磁极方向偏移,同时对隔磁磁桥相邻间距与隔磁磁桥长度进行优化,在综合考虑电机振动噪声水平与电机性能的前提...     

磁悬浮开关磁阻电机电磁力耦合特性的有限元分析

以一台12／8结构的磁悬浮开关磁阻电机为对象,分析了悬浮力产生机理．借助有限元分析软件MAXWELL2D建立了实体仿真模型,分析了电磁力的耦合特性,包括悬浮力在径向两自由度上的耦合特性、悬浮力和转矩的耦合特性以及转子径向位移对电磁力耦合的影响．分析结果表明,悬浮力的径向耦合主要体现在定转子齿极交叠初期,悬浮力和转矩的耦合主要表现为转矩调节对悬浮力的影响,径向位移的出现在一定程度上影响了悬浮力的径向耦合关系．这些结论为电机优化设计、数学模型研究及解耦控制算法的设计提供了有益的参考．     

开关磁阻电机定子两侧极靴和转子两侧开槽的优化

针对开关磁阻电机表现出较高的转矩脉动和较大的振动幅度,本文提出一种改进的开关磁阻电机结构,即在定子齿两侧添加极靴和转子极两侧开槽。在定子齿两侧添加极靴,提高电机的最小电感,来增大换相区间的最小转矩,以降低电机的转矩脉动;在转子两侧开槽,改变气隙磁密的方向,增大气隙磁密的切向分量的同时减小气隙磁密的径向分量,来减小径向力的波高,进而减小电机的振动。对于极靴参数和开槽参数最优值的确定,本文通过改进的NSGA-Ⅱ算法将控制参数(开通角和关断角)与结构参数(极靴参数和开槽参数)进行协同优化。通过仿真和实验证明,优化后的电机模型相较于初始模型,电机的平均转矩得到提高、转矩脉动得到降低,且电机的振动得到了减小。     

同步发电机偏心与绕组短路故障对磁场及电磁振动的影响

以1台6 MW汽轮同步发电机为例,对转子静偏心、定子匝间短路及其联合故障下的磁场、电磁力和电磁振动进行研究。在气隙磁场不对称情况下,以等效电路为基础的经典算法将不再适用,为此建立发电机的有限元模型,基于瞬态磁场的计算结果,给出不同故障类型下的气隙磁场变化特征,并得到发电机不同运行状态下的径向电磁力及其与对应故障参数的变化关系。将电磁力作为载荷,对发电机的电磁振动进行研究,通过比较正常运行和故障运行状态下的位移曲线,定性分析不同故障对电磁振动的影响。研究结果表明:且该振动特征可以为发电机偏心和绕组短路故障诊断提供理论依据。     

考虑动圈偏心的电动振动台等效电磁力计算方法

为了反映动圈激励电磁力对偏载工况下电动振动台横向振动的影响,提出了一种考虑动圈偏心影响的电动振动台等效电磁力计算方法。综合选取动圈通电电流、垂向位置、翻转偏心角度、径向平移偏心距及方向等5个因素,通过求取径向平移偏心距极限及假设虚拟偏心距进行变量代换,解决了现有正交试验设计方法难以应用于多个因素之间存在取值相互约束情况的问题。通过电磁有限元仿真获得了与动圈分布电磁力等效的集中电磁力样本,采用神经网络方法进行样本拟合获得了动圈全运动工况等效电磁力。仿真结果表明:径向等效电磁力主要随翻转偏心角度的增加而增加,且在大电流工况增加更迅速;采用所提方法获得的等效电磁力相对误差均在10%以内,可在满足工程误差要求的同时快速实时获得动圈全运动工况等效电磁力,解决了由有限元及精确解析方法计算等效电磁力速度慢所导致的无法进行电动振动台电磁-结构双向耦合仿真的问题。该方法也可应用于其他相似的运动系统受力计算问题。     

含辅助槽轴向永磁电机的电磁力波分析及抑制

为了有效抑制轴向永磁电机的主要电磁力波,针对2类主要电磁力波来源不同的轴向永磁电机,通过解析的方法推导出可以有效削弱其主要电磁力波的定子齿辅助槽位置规律;将该辅助槽位置规律应用到16极24槽和30极27槽2款主要电磁力波来源不同的轴向永磁电机,分别分析了定子齿辅助槽宽度和深度对主要电磁力波的影响;通过有限元法计算了这2款轴向永磁电机在定子齿添加辅助槽前后的电磁噪声及转矩特性,结果表明,2款轴向永磁电机的主要电磁力波幅值分别下降了38%和76%,电磁噪声均降低了3dB以上,同时,电机输出性能的降幅在3%以内。     

双定子无轴承开关磁阻电机径向力解析模型

传统双绕组无轴承开关磁阻电机旋转转矩与悬浮力之间存在着复杂的耦合关系,而双定子无轴承开关磁阻电机结构上实现了转矩和悬浮力的独立控制,从而简化了控制的复杂性.基于双定子无磁阻电机的结构和运行原理,提出了一种考虑转子偏心影响的径向力分析方法,推导出了该电机的径向力解析模型.在建立内定子等效磁路的基础上,求取了由气隙磁导表示的悬浮绕组的自感和互感表达式,进一步分析出转子偏心位移、电机结构参数、悬浮绕组电流与转子径向受力之间的数学关系,与有限元分析结果比较验证了数学模型的正确性.该数学模型的重要贡献在于提供了转子偏心运行时径向力的解析计算方法,为双定子无轴承开关磁阻电机的稳定悬浮旋转控制提供了基础,同时为磁轴承和无轴承类电机转子偏心时的径向受力分析提供了参考.     

考虑饱和的开关磁阻电机径向电磁力解析建模

为了对开关磁阻电机径向电磁力进行快速计算和分析,提出了一种开关磁阻电机电磁力的解析计算模型.该模型考虑了饱和的影响,且能够反映电磁力的分布特征.基于磁通管法推导了磁动势和等效磁导,通过磁势乘磁导建立气隙磁场模型;分析了饱和对气隙磁场的影响,并引入修正系数对模型进行修正;基于麦克斯韦张量法建立了径向分布电磁力解析计算模型,并通过有限元方法证明了该解析模型的准确性.模型可以反映电磁力与电机结构的关系,适合电机设计和改进,以及振动噪声研究时快速计算电磁力.     

无轴承异步电机的定子磁场定向解耦控制

集旋转与悬浮于一体的无轴承异步电机是一个非常复杂的非线性系统,电磁转矩与径向悬浮力的非线性解耦是实现电机稳定悬浮运行的基础.为了降低控制系统对电机参数的依赖程度,本文采用定子磁场定向控制,同时为了克服此方法在低速时的不足,应用U-I法和I-ω法相结合观测定子磁通和气隙磁通,在matlab/simulink中构造了定子磁场定向控制的无轴承异步电机矢量控制系统.仿真结果表明:实现了电磁转矩与径向悬浮力之间的解耦,验证了此方法的有效性.     

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.     

永磁电机不平衡磁拉力及脉动转矩相位调谐分析

为了揭示永磁电机的电磁激励规律，根据该电机的机械及电磁对称性，采用叠加方法研究了槽极组合对不平衡磁拉力及脉动转矩的影响，揭示了槽极组合与径向及切向磁拉力之间的刚体相位调谐规律，澄清了现有文献结论之间的分歧．解析结果表明：最大公因子大于1的槽极组合可有效抑制径向磁拉力．有限元仿真结果证明了理论分析的正确性．该研究提供了一种可有效预测和抑制磁致振动的相位调谐方法，同时为该类电机的动态设计提供了依据．     

车用永磁同步电机的结构振动分析

以某车用永磁同步电机为研究对象,使用HyperMesh软件建立其有限元模型并进行结构模态分析,使用Ansoft软件进行电磁径向力波仿真分析;将模态分析结果与径向力波仿真结果相比对,从磁固耦合角度对该驱动电机的振动噪声特性进行了分析.分析结果为车用电机的结构优化设计提供了依据.