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混合永磁轴向磁场磁通切换记忆电机分段弱磁控制

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中国电机工程学报 2017年第22期37卷 6557-6566页

作者：杨公德林明耀李念付兴贺刘凯谭广颖张贝贝孔永东南大学伺服控制技术教育部工程研究中心江苏省南京市210096

混合永磁轴向磁场磁通切换记忆电机(hybrid permanent magnet axial field flux-switching memory machine,HPM-AFFSMM)采用钕铁硼和铝镍钴两种永磁励磁,既具有轴向磁通切换永磁同步电机转矩和功率密度高的优点,又具有记忆电机永磁磁化... 详细信息

混合永磁轴向磁场磁通切换记忆电机(hybrid permanent magnet axial field flux-switching memory machine,HPM-AFFSMM)采用钕铁硼和铝镍钴两种永磁励磁,既具有轴向磁通切换永磁同步电机转矩和功率密度高的优点,又具有记忆电机永磁磁化状态在线可调的特点。在研究HPM-AFFSMM调磁原理、电磁参数及数学模型的基础上,提出了一种HPM-AFFSMM宽调速控制方法。基于分区控制,低速区采用永磁饱和磁化方式运行,高速区采用分段弱磁方式运行。在分段弱磁区域,所需永磁磁链满足给定转速所在区间内的最大转速对应的永磁磁链。在全速度范围内,为实现充去磁,提出了一种对电机参数敏感性较低的自适应永磁磁链观测器设计方法。仿真和实验结果表明,在低速区,饱和增磁运行缩短了电机的起动过程;在高速区,分段弱磁运行优化了永磁磁链的控制,拓宽了电机的调速范围。因此,HPM-AFFSMM非常适合应用于电动汽车起/发一体机。

关键词：混合永磁磁通切换记忆电机在线调磁分段弱磁自适应永磁磁链观测器

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轴向磁场混合永磁记忆电机电磁转矩精确分离

东南大学学报（自然科学版） 2024年第3期54卷 730-737页

作者：杨公德饶飞林明耀福州大学电气工程与自动化学院福州350108 东南大学电气工程学院南京210096

为了解决传统记忆电机转矩密度较低,电枢绕组与励磁绕组空间位置冲突等问题,结合轴向磁场永磁电机,提出一种新型轴向磁场混合永磁记忆电机.该电机采用定子分离结构,使用NdFeB与AlNiCo混合励磁,实现宽调速范围和高转矩密度.为了分析不同... 详细信息

为了解决传统记忆电机转矩密度较低,电枢绕组与励磁绕组空间位置冲突等问题,结合轴向磁场永磁电机,提出一种新型轴向磁场混合永磁记忆电机.该电机采用定子分离结构,使用NdFeB与AlNiCo混合励磁,实现宽调速范围和高转矩密度.为了分析不同永磁体对新型电机输出转矩的贡献,解决传统冻结磁导率法无法准确分离电磁转矩的问题,提出一种新型冻结磁导率法,并对比分析了2种方法的分离结果.结果表明:在不同磁化状态下,新型转矩分离方法的分离精度始终高于传统转矩分离方法,与有限元计算结果的相对误差始终小于5%;在正向完全充磁状态下,新型转矩分离方法与有限元计算结果的相对误差仅为0.94%.所提转矩分离方法实现了新型记忆电机中电磁转矩的精确分离.

关键词：混合永磁记忆电机定子分离冻结磁导率转矩分离

混合永磁记忆电机磁链观测器设计与协调控制研究

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混合永磁记忆电机磁链观测器设计与协调控制研究

作者：祁武刚兰州理工大学

学位级别：硕士

为了实现顶驱系统低速大转矩和大范围高效平滑调速的特性,在该系统中引入混合永磁记忆电机（Hybrid Permanent Magnet Memory Machine,HPM-MM）构成新型直驱式顶驱系统。本文以混合永磁记忆电机为研究对象,从电机数学模型出发,研究了该... 详细信息

为了实现顶驱系统低速大转矩和大范围高效平滑调速的特性,在该系统中引入混合永磁记忆电机（Hybrid Permanent Magnet Memory Machine,HPM-MM）构成新型直驱式顶驱系统。本文以混合永磁记忆电机为研究对象,从电机数学模型出发,研究了该电机控制的两个重要环节:转子磁链的观测以及结合磁化状态的控制策略。主要完成的研究内容如下:（1）在传统记忆电机拓扑结构以及相关的控制策略分析的基础上,介绍了本文所研究HPM-MM电机的结构以及调磁机理,推导了在三相静止坐标系和两相dq旋转坐标系下HPM-MM的数学模型,为后续研究混合永磁记忆电机奠定基础。（2）ALNE自适应磁链观测器。针对传统自适应算法中PI自适应率不能在线修正的问题,本文提出一种能够在线调整权重的自适应线性神经元（Adaptive Linear neural Element,ALNE）永磁磁链观测器。仿真结果表明,ALNE自适应算法在快速性和稳定性均优于传统的自适应算法。（3）STA滑模磁链观测器。针对传统滑模观测抖振较大以及观测精度较差的问题,本文设计了基于q轴的超螺旋（Super Twisting Algorithm,STA）滑模永磁磁链观测器,并与传统的指数滑模进行仿真对比,结果表明STA磁链观测器的收敛速度与观测精度均高于传统的滑模观测器。（4）根据不同速度区间与低矫顽力永磁体充/去磁状态的映射关系,在定子电压和电流允许的范围之内,提出了结合分区控制的最优转矩控制策略。为了提高整个系统的控制性能,还采用了工程设计方法设计了电流环、转速环以及调磁绕组的PI调节器。仿真结果表明,此控制方法有效的避免了电机参数变化对最优转矩输出工作点的影响,实现了HPM-MM在全速域内最大转矩输出。同时,该方法还降低了电机的铜耗,提升了整个电机控制系统的效率。本文所提出的方法实现了混合永磁记忆电机高转矩输出和弱磁扩速的能力,为混合永磁记忆电机进一步的研究提供一定的参考意义。

关键词：混合永磁混合永磁记忆电机磁化状态永磁磁链观测器最优转矩控制

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复合结构混合永磁电机抗退磁性能分析及优化

电子测量技术 2023年第11期46卷 1-6页

作者：陈云云李紫茵周鑫蔡同乐扬州大学电气与能源动力工程学院扬州225127

针对传统稀土永磁电机的稀土永磁材料用量高的问题,本文提出一种由钕铁硼和铁氧体混合永磁的交替极加局部Halbach结构的少稀土永磁同步电机,分析了该复合结构混合永磁电机的结构特点。比较分析了该电机与传统一字型钕铁硼稀土永磁电机... 详细信息

针对传统稀土永磁电机的稀土永磁材料用量高的问题,本文提出一种由钕铁硼和铁氧体混合永磁的交替极加局部Halbach结构的少稀土永磁同步电机,分析了该复合结构混合永磁电机的结构特点。比较分析了该电机与传统一字型钕铁硼稀土永磁电机的电磁性能,并依据退磁特性建立了该电机的局部退磁有限元模型,通过磁路耦合联合仿真对电机多运行工况进行了仿真,针对高速弱磁和变载运行工况下电机局部退磁的性能损耗,以提高永磁体工作点和降低退磁率为优化目标,给出了该电机的抗退磁优化设计方案。仿真结果验证了所提电机结构的合理性,电机抗退磁性能较优化前提升了10.3%。

关键词：内置式永磁同步电机混合永磁铁氧体退磁有限元分析场路耦合

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轴向磁通混合永磁电机齿槽转矩削弱方法研究

Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 2021年第5期38卷 726-736页

作者：王晓光刘城周晟万子威刘毅湖北工业大学电气与电子工程学院太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室中国武汉430068 华中科技大学电气与电子工程学院中国武汉430074

随着对永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor,PMSM)驱动系统机械振动和噪声的要求不断提高,对降低永磁同步电机齿槽转矩的需求也大大增加。为了解决轴向PMSM齿槽转矩过大的问题,提出了一种带有混合永磁体的转子拓扑结构来... 详细信息

随着对永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor,PMSM)驱动系统机械振动和噪声的要求不断提高,对降低永磁同步电机齿槽转矩的需求也大大增加。为了解决轴向PMSM齿槽转矩过大的问题,提出了一种带有混合永磁体的转子拓扑结构来削弱齿槽转矩。首先,推导了轴向磁通电机齿槽转矩的表达式,分析了永磁极弧比对齿槽转矩的影响。其次,采用混合永磁转子结构降低齿槽转矩。通过分析得到了混合永磁体之间的尺寸和极弧比的约束条件,确定了与最小齿槽转矩相关的两种永磁体,有限元仿真验证了分析结果。最后,比较了使用和不使用混合永磁体的电机性能。比较结果显示,采用本文提出的混合永磁体的转子结构,齿槽转矩显著降低。

关键词：轴向磁通永磁同步电机转子结构齿槽转矩混合永磁极弧比

混合永磁式内置V型可调磁通电机结构优化及性能分析

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混合永磁式内置V型可调磁通电机结构优化及性能分析

作者：马晓宁哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

永磁同步电机常用的调节气隙磁场的方法(例如,弱磁扩速技术,混合励磁技术等)有许多不足之处。本文研究了一种混合永磁式内置V型可调磁通电机(Hybrid Permanent-Magnet Interior V-Shape Variable-Flux Machine,HPI-V-VFM)。该电机磁极... 详细信息

永磁同步电机常用的调节气隙磁场的方法(例如,弱磁扩速技术,混合励磁技术等)有许多不足之处。本文研究了一种混合永磁式内置V型可调磁通电机(Hybrid Permanent-Magnet Interior V-Shape Variable-Flux Machine,HPI-V-VFM)。该电机磁极采用钕铁硼和铝镍钴两种永磁材料,高剩磁的钕铁硼材料可以确保电机满足最大出力指标,具有低矫顽力特性的铝镍钴材料可以使得电机通过通入脉冲电流调节气隙磁密,拓宽电机转速范围,并且提高电机高速范围内的工作效率。本文的主要工作包括HPI-V-VFM的工作原理分析、解析计算、转子结构设计与优化、电磁性能分析、机械强度分析和宽调速性能分析。首先分析铝镍钴永磁材料的工作曲线和HPI-V-VFM的调磁扩速原理,并给出了电机的主要技术指标。然后分别搭建正向和反向磁化状态下的电机等效磁路模型,编写基于等效磁路模型的电磁计算程序,采用场路结合法对电机进行电磁计算,并将解析计算结果与有限元结果进行对比分析。其次,以电磁性能为目标优化两种永磁材料的尺寸,探寻两种材料尺寸对电机性能的影响规律,然后以提高转矩质量和减小交轴电枢反应对调磁影响为目标设计气隙和转子结构,分析不均匀气隙结构和隔磁槽对电机电磁性能的影响。再次,对HPI-V-VFM的电磁性能进行有限元仿真研究,包括四种不同磁化状态下的磁场分布、气隙磁密、空载反电动势、恒转矩区的转矩特性、电感特性、铝镍钴永磁体的工作点分析,然后对最高转速下的转子应力和形变进行有限元仿真分析,验证HPI-V-VFM转子结构强度设计的合理性。最后,分析HPI-V-VFM矢量控制方法,利用HPI-V-VFM不同磁化状态具有不同电磁性能,采用合适的矢量控制方式。利用有限元仿真计算电机在四种磁化状态下的转矩-转速特性和电机效率;通过比较给出HPI-V-VFM在整个速度范围内的最优效率以及相对应的最佳磁化状态分布。

关键词：混合永磁可调磁通电机解析计算有限元分析电磁性能扩速

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混合永磁型少稀土永磁无刷电机的设计与研究

混合永磁型少稀土永磁无刷电机的设计与研究

作者：吴伟强江苏大学

学位级别：硕士

近年来,随着能源环保的不断深入,以“智能化、电动化、电商化、共享化”为设计理念的新能源电动汽车获得了国内外众多汽车企业和研究学者的密切关注,推动了电动汽车的迅猛发展。考虑到各种复杂的工况条件,电动汽车对其驱动电机提出了较... 详细信息

近年来,随着能源环保的不断深入,以“智能化、电动化、电商化、共享化”为设计理念的新能源电动汽车获得了国内外众多汽车企业和研究学者的密切关注,推动了电动汽车的迅猛发展。考虑到各种复杂的工况条件,电动汽车对其驱动电机提出了较高的性能需求。稀土永磁电机由于具有高功率密度、高效率与高可靠性等优点,在电动汽车驱动电机领域获得了广泛应用。然而,由于不断扩大的市场需求与不合理的开采利用等引发了稀土资源危机,非稀土或少稀土类永磁电机逐渐成为了电动汽车驱动领域的研究热点方向之一。本文为了降低对稀土永磁的依赖性,引入多励磁源共同励磁的概念,提出了一种混合永磁型少稀土永磁无刷电机(less-rare-earth permanent magnet brushless motor with hybrid permanent magnet material,简称LRE-PMBL电机),并对该电机的电磁优化设计与实验等进行了研究。首先,论述了电动汽车的研究背景以及非稀土或少稀土类电机的研究意义,针对电动汽车驱动电机的性能需求,提出了一种LRE-PMBL电机,该电机采用稀土钕铁硼和非稀土铁氧体永磁共同励磁的形式。其次,通过对两种永磁材料共同励磁的可行磁钢结构进行对比分析,确定了LRE-PMBL电机的初始拓扑结构。基于稀土永磁电机提出了一种励磁源等效方法,推导了两种永磁材料的用量关系,完成了LRE-PMBL电机的初始设计。然后,为了获得LRE-PMBL电机的最优性能,提出了一种多目标分层优化策略。通过敏感度分析法获得了关键设计参数对输出转矩、永磁材料成本、转矩脉动、定位力矩和效率这五个优化目标的影响程度,将这五个优化目标分为两个优先级,并结合高效的优化算法进行有序优化,实现了多个优化目标之间的综合权衡最优,为该类永磁电机提供了一种高效的优化设计方法。接着,利用有限元法对LRE-PMBL电机的相关性能进行了一系列仿真研究分析,并与稀土永磁电机进行对比与验证。不仅对两台电机的空载磁场分布、空载反电势、电感特性、转矩性能等基本电磁性能展开了详细的对比与分析,还对永磁材料的工作点与相应的退磁特性进行了校验。通过对比分析,验证了LRE-PMBL电机的设计与优化方法的正确性与可行性。最后,加工了上述两台原理样机,搭建了实验测试平台,对两台电机的空载反电势、稳态运行特性与变速变载动态响应特性进行了实验分析与对比,结果进一步验证了LRE-PMBL电机的设计与优化方法的正确性与可行性。

关键词：少稀土永磁电机混合永磁多目标优化

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双定子混合永磁游标电机的分析与优化设计

双定子混合永磁游标电机的分析与优化设计

作者：吕盈盈兰州理工大学

学位级别：硕士

顶驱电机应用于石油钻机顶部驱动系统时,因机械齿轮箱等传动机构造成故障率和运行维护成本居高不下,直驱式顶驱机组的提出为这一问题的解决提供了解决方案。近年来,具有低速大转矩特点的高功率密度永磁游标电机(Permanent Magnet Vernie... 详细信息

顶驱电机应用于石油钻机顶部驱动系统时,因机械齿轮箱等传动机构造成故障率和运行维护成本居高不下,直驱式顶驱机组的提出为这一问题的解决提供了解决方案。近年来,具有低速大转矩特点的高功率密度永磁游标电机(Permanent Magnet Vernier Machine,PMVM)引起了学术界与工业界的广泛关注,已经在风力发电、电动汽车等直驱领域得到了初步应用。本文基于现有双定子PMVM电磁特性分析,提出具有混合永磁结构的新型双定子PMVM设计,可以实现气隙磁通在线灵活调节,确保顶驱机组在大范围调速过程中的高效运行能力。主要研究内容如下:(1)根据电机设计流程由技术指标要求确定基本参数,对比不同槽极配合与绕组类型对电机性能的影响,提出一种用于顶驱机组的22极12槽双定子PMVM。对定子与转子的各尺寸参数分别做单步优化,再通过遗传算法进行全局优化,综合考虑工艺条件在最优集合中得到一组非劣解,在soilworks平台建立三维虚拟样机模型展示设计效果。将所设计电机与一台直口槽双定子PMVM进行电磁特性对比分析,校验所设计电机的合理性。(2)为使所设计电机具备高效的磁通调节能力,提出两种不同类型的永磁体采用串联结构共同励磁。对低矫顽力(Low Coercivity Force,LCF)永磁体位置和尺寸进行优化设计,结果显示LCF永磁体采用径向充磁厚度为6mm时具备良好的电磁性能。对优化后的双定子混合PMVM在两种不同工况下的交叉耦合效应,并通过注入短时脉冲电流改变LCF永磁体磁化状态校验其调磁性能。(3)由于双定子混合PMVM存在漏磁严重的现象,提出在分裂齿部填充高温超导块材(High Temperature Superconductor,HTS)用于改善该问题。通过对两种不同类型的填充材料对电机性能的影响,对填充材料尺寸优化后进行电磁特性分析。结果显示填充材料厚度为3mm的HTS可显著提高电机的转矩输出能力,该材料的完全抗磁性可使电机效率达到89.26%。

关键词：永磁游标电机磁场调制混合永磁交叉耦合高温超导

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顶驱钻井用混合永磁游标电机设计与优化

顶驱钻井用混合永磁游标电机设计与优化

作者：何逍兰州理工大学

学位级别：硕士

作为石油钻井平台的关键部件,顶驱电机的性能直接关系到钻井的工作效率。为解决传统顶驱电机存在的转矩密度低、体积大等问题,基于永磁游标电机自身多谐波工作的特性,本文结合顶驱电机具有低速大转矩及一定过载能力的要求,设计了表贴式... 详细信息

作为石油钻井平台的关键部件,顶驱电机的性能直接关系到钻井的工作效率。为解决传统顶驱电机存在的转矩密度低、体积大等问题,基于永磁游标电机自身多谐波工作的特性,本文结合顶驱电机具有低速大转矩及一定过载能力的要求,设计了表贴式永磁游标电机,并制作了样机。同时为了满足不同调速工况下电机的高效运行,提出一种具有新型串联磁路的混合永磁游标电机,通过调节调磁绕组的电流,改变低矫顽力永磁体的磁化状态,从而实现电机的气隙磁通调节,解决了传统顶驱电机在弱磁时损耗高、逆变器容量大等问题。主要研究内容如下:（1）针对表贴式永磁游标电机基本结构,利用等效磁路法详细分析了该电机的磁场调制工作原理,说明了其具有低速大转矩特点的本质在于基波磁场和调制谐波磁场共同参与机电能量转换,并通过与传统永磁同步电机的对比分析,说明了此类电机在顶驱机组应用中具有省略变速齿轮箱,提高装置转矩密度的优越性。（2）根据顶驱机组的运行工况,制定了游标电机的设计指标,并推导了电机的转矩与主要尺寸的关系式,为电机的主要参数选取提供了理论依据。基于有限元法,探究了极比、极槽配合对漏磁的影响,分析了裂比、齿宽、槽深、永磁体厚度以及极弧系数等参数与转矩、空载反电势之间的关系,以输出转矩为目标进行主要结构尺寸优化设计,在此基础上制作了实验样机,实验测试结果证明了设计方案的正确性。（3）提出了一种新型串联磁路混合永磁游标电机,分析了调磁绕组在对低矫顽力永磁体进行充去磁时气隙磁通的变化,运用有限元优化了低矫顽力永磁体的尺寸,对其在弱磁情况下的电磁特性进行了分析,并与原样机进行了对比,验证了其实现对气隙磁通调节的合理性。本文开展基于新型永磁游标电机的研究工作,为提升顶驱机组性能提供了新的选择方案,同时也为其它低速大转矩电力传动以及直驱式发电系统设计提供了参考依据,具有一定的实用价值。

关键词：顶驱电机有限元永磁游标电机混合永磁尺寸优化