高速永磁电机综合设计与分析

高速非晶合金永磁电机设计受电磁、机械、温升的制约,因此高速非晶合金永磁电机的设计是一个多物理场综合设计的过程。针对高速非晶合金永磁电机设计受多物理场制约的问题,基于多物理场的分析方法,分析了非晶合金材料对高速永磁电机电磁性能的影响；研究了内置式永磁转子在高速运行状态下的应力分布,并分析了轴承支撑刚度对转子系统临界转速的影响；针对高速非晶合金永磁电机损耗分布特点研究了其温度场的分布。基于提出的多物理场综合设计方法,设计并制造了一台额定功率15 kW、最高转速30 000 r/min的高速内置式非晶合金永磁电机,并对样机进行了试验,验证了仿真分析与设计方法的可行性,为高速非晶合金永磁电机的设计提供参考。     

非晶合金电机空载铁耗研究

为了体现非晶合金低损耗性能的优越性,对1台15 kW、1 000 Hz电机进行空载铁耗仿真计算分析。电机定子铁心为非晶合金材料,定子铁心采用浸漆、固化加工工艺。电机空载铁耗的计算主要包括非晶定子基本铁耗的分离以及空载杂散损耗的计算,得出了非晶合金电机杂散损耗是基本铁耗的6.03倍;并与定子为50DW310时进行对比,得出空载运行时,非晶合金空载铁耗约为硅钢片50DW310的18.82%,电机的效率可以提高3.48个百分点。     

模块化永磁直线游标电机等效磁网络及漏磁分析

在模块化永磁直线游标电机的初始设计及优化设计中,使用有限元方法(FEM)计算漏磁系数时需要耗费大量的建模和计算时间。针对这一问题,建立该种电机的等效磁网络模型,在建模期间,考虑气隙中的边缘效应,并计算永磁体组与定子齿在不同相对位置时的等效磁导,得到该种电机在一个周期内不同相对位置时的漏磁磁导和漏磁系数的数学解析表达式。采用FEM验证了该数学解析表达式的准确性。研究结果为模块化永磁直线游标电机的设计提供了理论依据。     

梯形Halbach永磁阵列空心直线同步电动机特性的解析计算与优化

提出了一种新型的双边不对称梯形永磁空心直线电动机。首先使用等效磁荷法建立了梯形单块磁体的三维空间磁场解析模型,再由叠加原理得到双边Halbach阵列空心电机的气隙磁密三维模型。在考虑线圈横向端部效应的基础上,推导出电机运行过程中的反电动势与电磁推力的表达式。利用解析模型分析了梯形磁体阵列气隙磁密谐波分布的规律,并对其进行优化;三维有限元仿真结果表明所提解析模型具有较高的准确度,同时采用经过优化的梯形阵列定子,可以达到提高气隙磁密正弦性从而减小推力波动的目的。     

电动汽车驱动非晶开关磁阻电机静态测试与性能仿真

试制了1台8 kW电动汽车驱动非晶开关磁阻电机(SRM),并对其进行了静态性能测试。使用有限元方法对电机在低速大扭矩及高速小扭矩共计4种工况下的铁耗、铜耗、扭矩和效率等性能进行了仿真计算。结果表明,相对于硅钢,非晶合金的高磁导率特性可有效保持SRM在高频激励条件下的相电感值;非晶合金的低损耗特性可有效降低电机铁耗值,尤其在铁耗为电机主要损耗的高速小扭矩工况下,可显著提升电机效率(3%~9%)。然而,非晶合金的饱和磁密较低,非晶电机的磁链-电流曲线相对于硅钢电机会有区别,应在其工作磁密、结构尺寸及控制参数上进行调整和优化以获得最佳性能。     

计及多因素影响的永磁电机空载气隙磁密解析计算法

为准确而快速地计算与评估电机的性能,以I型转子结构永磁电机为例,提出了一种计及多因素影响的空载气隙磁密的解析计算法,并用有限元进行了仿真验证。分析了永磁体尺寸、隔磁桥高度和极弧系数等参数对气隙磁密的影响规律,为优化电机方案提供了思路。     

基于转子再设计的电动汽车永磁同步电机再制造研究

随着电动汽车的发展,淘汰替换的旧电机越来越多,对旧电机的再制造研究也越发必要。通过对转子外圆优化以减小饱和磁密面积和优化气隙结构来提升电机性能,分析了不同偏心圆对电机齿槽转矩的影响规律,对比了旧电机和再制造电机的性能变化,研究了不同倒角圆对电机磁密谐波和齿槽转矩的影响趋势。结果表明电机齿槽转矩随着偏心圆的增大先增大后减小,不同倒角圆对再制造电机谐波影响较小;在额定情况下,再制造电机偏心圆为36 mm、倒角圆为4 mm时,再制造电机铁心损耗下降6.55 W/kg,再制造电机效率提高0.05%,输出转矩收缩4%,再制造电机在减小损耗提高效率的同时减小了输出转矩。     

高速开关磁阻电机用纳米晶定子铁心磁特性研究

以1台4/2极结构高速开关磁阻电机(SRM)为研究对象,研究纳米晶铁心磁特性及其对电机性能的影响。将采用叠块切割法制备的纳米晶定子铁心与传统硅钢冲片铁心做对比测试。搭建电机测试系统,对分别装配两种定子铁心电机的静态特性和负载运行性能做对比分析。结果表明:纳米晶合金铁心具有高磁导率、低矫顽力及低损耗特性,在1 kHz、1 T条件下,其损耗仅为35W300硅钢铁心的1/20；纳米晶合金铁心提高了SRM在铁心不饱和区的相电感峰值,并在转速25 000 r/min负载运行下显著降低了电机温升和输入功率。研究结果可为高效、高速SRM设计提供参考。     

一种内置式永磁同步电机直接转矩控制系统的效率优化方法

提出了一种适用于内置式永磁同步电机(IPMSM)直接转矩控制驱动系统的效率优化方法。基于考虑铁心损耗的IPMSM模型,对电机损耗与运行转速、电磁转矩以及定子磁链三者之间的关系进行了研究分析。根据典型的IPMSM直接转矩控制不使用零电压矢量的特点,对电机功率损耗计算式进行了简化,推导得出在一定运行工况条件下IPMSM的效率最优定子磁链幅值。仿真结果验证了该方法不仅可以保持直接转矩控制动态响应的快速性,而且有效地提高了电机在稳态运行时的效率。     

永磁同步直线电机建模及混沌搜索优化设计

建立了永磁同步直线电机的电磁场有限元物理模型,以此对气隙磁密波形畸变率进行了深入的分析。通过电机参数样本空间设计,利用正交试验设计方法进行非线性回归建模分析,给出了气隙磁密波形正弦度可行的电磁方案。基于混沌搜索理论和适应函数对永磁同步直线电机结构参数进行优化。仿真结果表明,在此结构参数基础上,电机磁极偏移后其三相反电势依然有较好的对称性,为永磁同步直线电机及其他的电磁工程设计提供了一种新的思路。     

储能飞轮用大功率高速永磁同步电机电磁设计

储能飞轮用高速电机的工作状态包括电动机、发电机及空载三种。提高储能飞轮的能量转换效率、降低电机在各种运行状态的损耗成为其电磁设计的主要任务。从工程应用的角度,对储能飞轮用大功率高速永磁同步电机的绕组损耗、铁心损耗及涡流损耗进行了分析,重点分析了定转子间隙对转子构件涡流损耗的影响,同时提出了一种阶梯式转子永磁体结构,可满足永磁同步电机(PMSM)对空载反电动势的低谐波要求,并提出了转子护套材料的选取原则。最后通过一个算例介绍了电机的设计分析及性能参数的计算。     

高过载永磁同步电动机设计研究

永磁同步电动机(PMSM)的过载能力受到铁心饱和、电枢反应的制约,常规设计PMSM无法满足一些高过载应用场合的需求。分析PMSM过载能力的影响因素,研究定子裂比和气隙长度等结构参数对其影响方式,进而分析得出相关结构参数对于PMSM过载能力的影响规律。设计了1台额定功率1 kW的高过载能力PMSM,有限元仿真结果显示该电机可达到5.26倍过载能力。     

分数槽集中绕组表贴式永磁同步电机转子损耗

针对损耗模型很难准确地计算转子损耗且三维有限元方法占用大量时间的问题,基于二维运动瞬态有限元法,研究了1台36槽42极单层分数槽集中绕组永磁同步电机在恒转矩区和弱磁区以最大转矩运行时的转子损耗,并且研究了高速工况下永磁体轴向分段数量、槽口宽度以及气隙厚度对永磁体损耗的影响。研究发现,在整个转速区间永磁体损耗占转子总损耗的90%以上；转速低于1 500 r/min时,转子铁心磁滞损耗高于涡流损耗,高于1 500 r/min时涡流损耗明显高于磁滞损耗。永磁体分段能明显降低永磁体涡流损耗;负载工况下改变槽口宽度,永磁体涡流损耗几乎没有变化；增大气隙厚度虽然能降低永磁体损耗,但是效果并不明显；同时,更改槽口和气隙厚度会使电感发生变化,并进而影响电机的运行性能。     

U型无铁心永磁同步直线电机磁场建模与分析

传统的铁心式直线电机由于铁心开断的影响,造成了横向和纵向边端效应,使推力输出波动较大;无铁心永磁直线电机具有零齿槽效应的优点,结构简单,控制灵活。采用两种解析法求解无铁心永磁同步直线电机气隙磁场的问题,即等效磁势法和等效磁化电流法,同时采用有限元法对电机磁场进行有限元分析,验证解析法磁场解析计算的准确性。最后分析电机主要尺寸对气隙磁场的影响。通过改变电机参数,进行了优化设计,为同类电机的设计与分析提供了参考。     

下一代地铁车辆TQ250永磁同步牵引电机研制

介绍了下一代地铁车辆用TQ250永磁同步牵引电机的研制情况。主要从总体技术要求、设计难点、关键技术、样机试验等方面进行了论述。根据下一代地铁车辆永磁同步牵引电机的技术特点及主要技术参数指标要求,通过对等效定额设计、电磁设计、轻量化设计及冷却结构设计等关键技术攻关,研制了1台永磁同步牵引电机,并进行了试验。样机试验结果分析表明,该电机满足下一代地铁车辆指标要求,验证了所设计的可行性。     

高速无轴承永磁电机设计与分析

高速电机具有高功率密度、能够减小设备体积与重量,可以直接驱动负载、提高传动效率,在航空航天、新能源、精密制造等领域具有广阔的应用前景。将无轴承永磁电机应用于高速驱动系统,在推导无轴承永磁电机数学模型基础上,提出了高速无轴承永磁电机设计方法。通过对一台额定功率2 300 W、额定转速8 000 r/min、调速范围0~60 000 r/min的高速无轴承永磁电机进行电磁和机械一体化设计,并采用有限元法对样机的电磁性能和动力学性能进行优化。仿真试验结果验证了所采用的设计方法的正确性。     

混合动力汽车ISG用混合永磁同步电机转子研究

设计了一款混合动力汽车集成式起动发电机(ISG),用钕铁硼和铁氧体混合永磁的永磁同步电机(PMSM)。分析了两种永磁体的结构参数对电机磁路的影响规律,推导了钕铁硼和铁氧体并联磁路的约束条件；以铁氧体的不可逆退磁量和电机的基本性能为优化目标,通过场-路结合的方法,确定了钕铁硼和铁氧体的结构参数；并与传统的钕铁硼PMSM在电机性能和永磁体成本等方面进行了比较分析。研究结果表明,所提出的ISG混合永磁电机能有效地减少永磁体材料成本和铁氧体退磁风险,电机性能达到了设计要求。     

轴向磁场永磁同步电机转子涡流损耗研究

为解决轴向磁场永磁同步电机温度过高导致电机运行性能降低的问题,针对电机转子进行了深入研究。先利用Maxwell三维电磁场有限元分析软件建立电机有限元模型,仿真电机磁场分布和气隙磁密波形,并计算平均涡流损耗;采用铜层屏蔽减小转子涡流损耗,并仿真出转子涡流损耗随铜层厚度变化情况。