双定子永磁无刷电机建模及其控制方法探析

本文建立了一个在双定子永磁无刷电机的三相定子坐标系中的数学模型,并在这个模型中,使用计算机的Matlah/Simulink建立起定子永磁无刷电机原型本体的仿真模型和控制该仿真模型的系统模型。为研究计算机的系统模型对双定子永磁无刷电机的仿真控制策略,使用了基于id=0的矢量控制手段确定双定子永磁无刷电机的动态运行性能。研究结果不仅表明了该仿真模型建立的正确性,而且针对双定子永磁无刷电机在运行时需要的控制方法进行了探究。     

考虑磁场饱和的电动汽车用永磁电机控制仿真

针对电机弱磁控制系统中电机参数选取单一,没有考虑到电机不同工况下的参数变化,而导致没有充分利用电机性能的问题,研究了交直轴电感变化对弱磁控制系统的影响.以一台电动汽车用永磁同步电机为例,分别建立了电机的二维磁场模型和在不同矢量控制方法下的数学模型.根据交直轴磁链方程,考虑交直轴磁路耦合对磁场饱和的影响,利用有限元法计算了不同交直轴电流下的交直轴电感.将得到的电感矩阵代入id=0控制、弱磁控制等矢量控制系统中,比较在不同控制方法下考虑磁场饱和与不考虑磁场饱和的电机控制特征量.结果表明考虑磁场饱和的弱磁控制系统能够更充分地利用电机的性能,同时在仿真中能更准确地计算电机性能.     

基于田口迭代法的高速永磁同步电机电磁优化设计

为优化高速永磁同步电机在额定工况下运行的性能,本文以电机的额定转矩、转矩脉动、定子铁芯损耗和磁密幅值作为待优化性能,采用改进的田口迭代优化算法研究定子外径、气隙长度、磁钢外径、轴向长度和定子槽深对上述性能的影响．通过建立正交试验矩阵,利用ANSYS电磁仿真软件仿真计算出各参数组合下的电机性能,在确保反电势线电压和额定转矩性能在限制范围内,优先选择定子铁芯损耗最低和磁密幅值最小的参数组合．仿真计算显示,用改进的田口法迭代优化后的性能较原始相比,均有较大的提升．其中,额定转矩性能降低了5.2%,转矩脉动减小49.3%,定子铁芯损耗降低了35.5%,磁密幅值降低了13.1%,电机整体性能得到优化．同时与传统全参数正交优化方法相比,该设计减少了仿真的次数,提高了优化设计效率,具有一定的实用性．      

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。     

永磁无刷电机的建模与仿真分析

从直流电机的基本原理出发，分析了永磁无刷电机的电磁关系，着重推导了电机的电磁力矩和反电动势的一般表达式，在此基础上建立了带中线的永磁无刷电机的电路模型，在Matlab/Simlink平台下的仿真结果证该模型具有计算稳定，执行效率高的优点，与永磁无刷电机的状态方程型相比，电路模型不仅使仿真更加简便，而且具有更强的适用性。     

三次谐波抑制的五相永磁电机容错控制策略及仿真分析

针对列车风机用五相永磁同步电机(FPMSM)一相断路故障情况,基于五相电机特有的三维子空间,提出一种考虑三次谐波抑制的五相永磁电机容错控制策略。建立五相永磁同步电机数学模型,根据驱动拓扑结构分析空间电压矢量分布规律,利用五相电机三维空间中大矢量与中矢量对磁链作用效果相反的特点,构建虚拟电压矢量抑制相电流三次谐波;根据不同扇区中虚拟电压矢量对转矩及磁链的作用效果,建立故障前后电压矢量开关选择表对转矩和磁链进行调节,降低一相断路故障引起的转矩脉动,使五相电机发生故障后仍能稳定运行,提高风机驱动系统运行可靠性。在MATLAB/Simulink环境下搭建五相电机系统仿真模型,对不同负载情况进行仿真,仿真结果表明:五相永磁电机在一相断路故障前后输出转矩和转速基本不变,风机驱动系统仍能稳定运行,证明了容错控制策略的有效性。该方法可扩展到多相永磁电机容错控制。     

新型聚磁式横向磁场永磁推进同步电动机

针对现有的各种聚磁式横向磁场永磁电动机的定子结构较为复杂的问题,该文提出了一种新型聚磁式横向磁场永磁推进同步电动机结构。其主要特点是转子永磁体磁极采用三面墙式聚磁式结构,定子铁心由U形硅钢叠片构成,在提高了气隙磁密的同时简化了定子铁心的结构。利用三维电磁场有限元数值计算对该种电机的磁场进行了分析,并根据磁场分布计算了该种电机的电磁参数。实验结果与计算结果吻合较好。新型横向磁场永磁推进电机在保证电机性能的基础上简化了定子铁心结构。     

三段式Halbach阵列永磁电机解析建模与研究

针对传统子域模型在分析电机电磁性能时无法考虑软磁材料磁导率的缺陷,提出了一种考虑软磁材料磁导率为具体值的三段式Halbach阵列永磁电机多层解析模型。根据内部激励源和媒介的不同,将永磁电机全域划分成Halbach阵列永磁体层、气隙层、定子齿尖层和电枢绕组层4类磁场求解层。利用柯西乘积和复数形式的傅里叶级数来描述磁场求解层中媒介磁导率分布情况。基于麦克斯韦方程组建立了每个磁场求解层的拉普拉斯方程或泊松方程,结合边界条件求解出每个磁场求解层的磁矢位。利用多层解析模型计算了电机的气隙磁密、空载反电动势和输出转矩等电磁特性,并与有限元模型计算结果进行了对比。计算结果表明：多层解析模型和有限元模型计算得到的气隙磁密波形吻合得很好,两者的空载反电动势峰值和输出转矩平均值的相对误差均小于1%,证明了多层解析模型的正确性。最后利用多层解析模型研究了槽开口宽度、磁极宽度和充磁夹角对电机输出转矩的影响规律,给出了输出转矩最优的设计方案。仿真结果表明：优化后的输出转矩脉动削减了75.7%,证明所提出的多层解析模型不仅计算准确而且计算速度快,在电机的初始设计和电磁性能影响规律的探究上具有明显的优势。     

多相永磁推进电机的外部短路分析

为了定量评估短路电流对多相永磁推进电机转子磁钢的危害,并为短路保护提供依据,建立了该类电机基于场路耦合的非线性电磁暂态数学模型。据此以一台50kW极18相永磁无刷直流电机为例,计算了发生外部单相对地和两相对地突然短路故障时的短路电流波形,并分析了发生短路时阻尼绕组对电磁暂态过程的影响,其仿真结果与实验结果吻合较好。研究结果表明,该方法可以有效地计算该类电机的暂态短路电流,可用于设计阻尼绕组和校核永磁磁钢的最大退磁工作点。     

多相永磁推进电机的外部短路分析

为了定量评估短路电流对多相永磁推进电机转子磁钢的危害,并为短路保护提供依据,建立了该类电机基于场路耦合的非线性电磁暂态数学模型。据此以一台50 kW 4极18相永磁无刷直流电机为例,计算了发生外部单相对地和2相对地突然短路故障时的短路电流波形,并分析了发生短路时阻尼绕组对电磁暂态过程的影响,其仿真结果与实验结果吻合较好。研究结果表明,该方法可以有效地计算该类电机的暂态短路电流,可用于设计阻尼绕组和校核永磁磁钢的最大退磁工作点。     

四足机器人电驱关节用轴向磁通永磁电机设计

针对现有四足机器人电驱关节用径向磁通永磁电机存在轴向尺寸长、转矩密度低的缺陷,基于电驱关节对电机的性能指标要求,提出了一种采用双定子单转子结构的轴向磁通永磁同步电机电磁设计方案。采用Maxwell软件建立了电机的三维有限元模型,进行了电磁仿真分析。仿真结果表明：轴向磁通永磁电机额定功率为260 W,额定输出转矩为2.53 N·m,电机效率为85.36%;峰值功率为630 W,峰值转矩为7.52 N·m,仿真结果满足电机性能指标要求。对轴向磁通永磁电机与径向磁通永磁电机在相同工况下的转矩进行分析,轴向磁通永磁电机输出转矩高于径向磁通永磁电机。该轴向磁通永磁电机电磁方案为四足机器人电驱关节用电机的高转矩密度、高功率密度设计提供了新的思路。     

控制棒可动线圈电磁驱动机构电磁力增强机理

为了解释控制棒可动线圈电磁驱动机构加入永磁后电磁力增强的机理,对机构的电磁机理及分布进行了研究。利用Maxwell张量法及有限元分析技术,计算了加装永磁前后衔铁表面的电磁力的分布,分析了加装永磁前后磁密矢量和主气隙的磁通变化规律,并与传统螺管电磁铁进行了比较。分析得出,上永磁使磁密矢量方向向主气隙方向偏转,下永磁使衔铁内的磁通量增加,两者均增加了主气隙的磁通量,这是电磁力提高的主要原因。     

多相交流电机端部漏感系数的计算与测量

对多相交流电机端部漏感系数进行了计算与测量.在用气隙电流代替气隙的作用,用镜像电流代替铁磁媒质的作用,把电机端部磁场问题简化为均匀空气媒质中磁场问题的基础上,根据毕奥-萨法定理,对交流电机端部磁场作了进一步分析,推导出了定子线圈磁通量的有关计算公式,并对一交流电机端部的自感互感系数进行了计算和测量.     

永磁非金属液体电磁泵磁场数值分析

将电磁泵体求解场域按二维平面场处理,考虑了外磁场对永磁体的磁化效应,用有限元法对永磁非金属液体电磁泵的磁场进行了数值分析,得到了该电磁泵气隙中的磁密曲线以及载流海水在气隙中流动所受到的电磁力.实验证明该数值分析的结果是准确的,这些数据为永磁非金属液体电磁泵的设计和应用提供了可靠依据,同时也说明了可用永磁体代替价格昂贵的超导磁体应用于非金属液体电磁泵的磁极设计.图7,参7.     

永磁无刷直流电机优化设计与仿真

利用遗传一模拟退火混合算法,以磁钢厚度、气隙高度、磁钢宽度、极孤系数、电枢长径比为优化变量,以起动电流、转子轭部磁密、起动转矩、槽满率为约束条件,以减小电机的转矩脉动为目的,编写永磁无刷直流电动机的优化设计程序。利用ANSOFT有限元软件对电机进行优化前后动静态仿真对比实验。结果表明,永磁无刷直流电机优化后的转矩脉动明显减小。     

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。     

基于等效磁路的并列结构混合励磁发电机磁场仿真分析

分析了切向永磁和爪极电励磁在转子中并列组合的混合励磁发电机的结构特点和工作原理,建立了等效磁路模型．由等效磁路模型推导了气隙磁密与励磁电流、磁钢厚度和极对数等参数的关系式,给出了参数计算的方法,并计算了等效磁路模型不同励磁电流下的气隙磁密大小．采用有限元分析软件对发电机建模,仿真分析了发电机的磁场分布,得到气隙磁密与各参数之间的变化关系曲线．仿真结果与等效磁路模型相符,验证了等效磁路模型的正确性和参数计算的有效性,为并列结构混合励磁发电机的设计和参数分析提供了参考．     

电动汽车用双层内置式永磁电机的设计与分析

永磁电机具有高效、高功率密度、高转矩密度等优点在车用驱动电机中得到广泛的关注。针对现有车用驱动电机的指标,分析车用永磁电机的工作原理,并设计一款100 kW双层内置式车用永磁驱动电机,利用有限元分析软件建立电机的二维有限元分析模型,分析电机的空载气隙磁密、反电势及齿槽转矩,初步验证了设计的合理性;在此基础上,计算电机的转矩电流特性、电机过载特性及转速-转矩特性,结果表明,所设计的电机的峰值转矩达1 100 N·m,电机的峰值转速可达9 000 r/min,弱磁扩速范围达到3倍以上,满足指标需求。     

新型混合径向磁轴承结构及其磁力特性

针对当前永磁偏置径向磁轴承的永磁磁路的磁通密度低,磁力小,缺乏自稳定的问题,提出一种应用于立式轴流泵的新型混合径向磁轴承结构.应用分子电流法及虚位移定理建立新型混合径向磁轴承承载力的非线性模型及其线性化方程,分析得出新型径向混合磁悬浮轴承在径向某个自由度上具有自稳定的特点,且永磁轴承可以减小系统总的位移负刚度.研究结果表明,采用Halbach阵列结构后,混合磁轴承气隙的磁通密得到很大提高.电流刚度和位移刚度与平衡点的初始电流及初始间隙密切相关,在平衡位置附近电流刚度和位移刚度呈线性变化,当气隙增大时仍保持较好的线性度,而当气隙减小时呈现一定的非线性特性.     

高效永磁调速器的损耗计算与分析

针对高效永磁调速器各部件的电磁损耗相关问题,以一台1 MW高效永磁调速器为例,基于对损耗的理论分析和涡流场理论,建立了运动涡流场的三维有限元分析模型.利用时步有限元法,对1 MW高效永磁调速器的铜盘损耗、永磁体涡流损耗以及永磁体背衬钢盘对转矩的影响进行了详细的分析与计算.通过对1 MW高效永磁调速器的实验分析和有限元仿真,验证了分析与计算的正确性和规律的实用性.最后深入分析了分段永磁体对永磁体涡流损耗的影响,为永磁调速器的效率分析、散热设计以及损耗优化提供了理论依据.