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新型永磁无刷直流电机气隙磁密分析

机械设计与制造 2024年

作者：俞建荣张业帅马丽梅刘强北京石油化工学院精密电磁装备与先进测量技术研究所

针对微纳卫星飞轮用单圈磁钢无刷直流电机气隙磁密低且干扰磁密大的缺陷，提出了一种新型双圈磁钢构型的无刷直流电机。介绍了飞轮及新型无刷直流电机的结构和工作原理，基于等效面电流法建立新型无刷直流电机的数学模型，推导了气隙磁... 详细信息

针对微纳卫星飞轮用单圈磁钢无刷直流电机气隙磁密低且干扰磁密大的缺陷，提出了一种新型双圈磁钢构型的无刷直流电机。介绍了飞轮及新型无刷直流电机的结构和工作原理，基于等效面电流法建立新型无刷直流电机的数学模型，推导了气隙磁通密度公式。采用有限元法对有效气隙磁密和干扰磁密进行了磁密分析，结果表明，与传统无刷直流电机相比，新型无刷直流电机有效气隙磁密由0.45T提高到0.55T，气隙平顶宽度由54°拓宽到87°，干扰磁密由0.31T降低到0.065T，有效提升了电机的稳定性能和力矩输出性能，降低了功耗。

关键词：微纳卫星新型无刷直流电机等效面电流有限元法磁密分析

计及周期/半周期性边界条件的永磁电机子域模型

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中国电机工程学报 2023年

作者：刘辉吴新振陈春涛郑晓钦青岛大学电气工程学院青岛大学自动化学院

本文提出了计及周期/半周期性边界条件的表贴磁极永磁电机子域模型，为舰船大容量直驱多相永磁推进电机的设计优化提供了一种快速、高效工具。说明了周期性边界条件和半周期性边界条件的原理及实现方法，并将其应用到基于等效面电流的... 详细信息

本文提出了计及周期/半周期性边界条件的表贴磁极永磁电机子域模型，为舰船大容量直驱多相永磁推进电机的设计优化提供了一种快速、高效工具。说明了周期性边界条件和半周期性边界条件的原理及实现方法，并将其应用到基于等效面电流的子域模型中求解电机气隙磁场，而后通过有限元仿真验证了解析计算的准确性。对比了三种求解域下子域模型中谐波系数矩阵的维数和求解速度，表明考虑周期/半周期性边界条件的子域模型在保证结果精度的前提下能大幅降低矩阵维数并显著减少求解时间。对实验样机进行空载和负载实验，空载反电势与负载转矩实验结果与解析结果吻合较好，进一步说明了周期/半周期性边界条件下所用子域模型的正确性。

关键词：表贴磁极永磁电机周期性边界条件半周期性边界条件子域法等效面电流

基于保角变换的多相表贴式永磁电机电磁性能研究

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基于保角变换的多相表贴式永磁电机电磁性能研究

作者：丁壮青岛大学

学位级别：硕士

作为一种高效率、低振动噪声的驱动装置,大容量多相表贴式永磁同步电机近年来被广泛应用于大型舰船电力推进系统。永磁电机的电磁性能与气隙磁场密切相关,因此,快速精确计算出永磁电机的气隙磁场对电机运行性能的分析以及电机优化设计... 详细信息

作为一种高效率、低振动噪声的驱动装置,大容量多相表贴式永磁同步电机近年来被广泛应用于大型舰船电力推进系统。永磁电机的电磁性能与气隙磁场密切相关,因此,快速精确计算出永磁电机的气隙磁场对电机运行性能的分析以及电机优化设计具有重要意义。本文以舰船大容量多相永磁电机为研究目标,基于改进的保角变换法对一台九相表贴式永磁小样机展开具体研究。以等效面电流法和保角变换法为基础建立了永磁电机解析计算模型。将永磁体等效成沿其表面分布的等效电流模型,采用基于Hague方程的传统保角变换法和基于复势函数的改进保角变换法分别建立电机开槽气隙区域与无槽气隙区域之间的保角变换关系,求出等效电流在无槽气隙区域的对应位置,并且得到永磁电机气隙磁密的计算表达式。最后,对比两种保角变换法的求解过程,表明改进保角变换法的便捷性。根据永磁电机的气隙磁场分析了不同工况下的电机运行性能。首先,采用两种保角变换法分别对永磁电机的空载、电枢反应以及负载气隙磁场进行了解析计算,并通过有限元仿真对传统保角变换法及改进保角变换法的求解结果进行验证,进一步说明了改进保角变换法的准确性、快速性及通用性;其次,根据气隙磁场计算结果,对永磁电机的空载感应电动势、齿槽转矩、负载感应电动势和负载转矩进行解析计算,并在实验样机上分别进行空载和负载实验,再次验证了本文所提解析计算方法的正确性。以改进永磁电机的转矩脉动、气隙磁密等电磁性能为目标进行优化设计。首先,根据优化目标和优化变量,采用Taguchi法建立正交试验表,确定不同的电机参数组合方案;其次,结合改进保角变换法对不同优化方案下电机的电磁性能进行解析计算,并对计算结果进行平均值分析和方差分析;最后,根据分析结果确定能够最大程度上满足各优化目标的设计方案。本文研究可为具有各种复杂气隙结构的多相表贴式永磁电机气隙磁场计算、电磁性能分析以及电机优化设计等方面提供理论指导。

关键词：多相永磁电机保角变换等效面电流复势函数气隙磁场

考虑定转子双边开槽时表贴式永磁电机空载磁场解析计算（英文）

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中国电机工程学报 2017年第8期37卷 2399-2408页

作者：薛志强周羽李槐树海军工程大学电气工程学院湖北省武汉市430033

该文推导了考虑定转子双边开槽情况下表贴式永磁电机空载磁场的直接解析计算方法。根据永磁体的面电流等效法,径向和平行充磁的永磁体等效为面电流产生的空载磁场。在推导过程中,将电机分为三种类型的子区域,然后根据电机子区域间的接... 详细信息

该文推导了考虑定转子双边开槽情况下表贴式永磁电机空载磁场的直接解析计算方法。根据永磁体的面电流等效法,径向和平行充磁的永磁体等效为面电流产生的空载磁场。在推导过程中,将电机分为三种类型的子区域,然后根据电机子区域间的接口条件和边界条件求解得到一对线圈在每个子区域的矢量磁位和磁密。然后根据磁场叠加原理得到等效面电流产生的空载磁场。4极/24定子槽/20转子槽样机的空载磁场有限元计算结果证明了文中空载磁场解析计算结果的有效性。

关键词：永磁电机等效面电流空载磁场槽子区域模型

盘式异步磁力联轴器三维气隙磁场计算及试验研究

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电机与控制学报 2013年第1期17卷 51-57页

作者：杨超君管春松徐燕飞胡友江苏大学机械工程学院江苏镇江212013

为研究盘式异步磁力联轴器气隙内磁场的空间分布,首次利用等效电流模型对联轴器的气隙磁场建立三维解析模型,推导出了气隙处任意场点的磁感应强度解析公式。针对一台18极的盘式异步磁力联轴器,采用Matlab编程求解得出了气隙磁场沿轴向... 详细信息

为研究盘式异步磁力联轴器气隙内磁场的空间分布,首次利用等效电流模型对联轴器的气隙磁场建立三维解析模型,推导出了气隙处任意场点的磁感应强度解析公式。针对一台18极的盘式异步磁力联轴器,采用Matlab编程求解得出了气隙磁场沿轴向、径向及周向的三维空间分布。同时采用试验测量装置对不同气隙厚度下的气隙磁场分布进行了三维磁场测量,测量结果与解析结果具有很好的一致性,都表明轴向磁场为气隙磁场的主要分量,并且轴向磁场的波形为近似正弦波,可传递稳定的转矩;随着气隙厚度的增大,气隙磁密幅值将会迅速降低。通过对三维气隙磁场的分析,为联轴器的转矩特性计算和结构优化提供了依据。

关键词：盘式异步磁力联轴器三维磁场等效面电流气隙磁场解析计算试验

双层实心异步磁力联轴器三维静态气隙磁场解析计算

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机械传动 2013年第7期37卷 43-46,57页

作者：杨超君徐燕飞陈晓平杜怿江苏大学机械工程学院江苏镇江212013 江苏大学电气信息工程学院江苏镇江212013

为了得到双层实心异步磁力联轴器三维静态气隙磁场的空间分布,首先运用等效电流法建立了联轴器气隙磁场的三维解析模型,推导了气隙内任意一点磁感应强度的解析表达式。然后针对一台14极磁力联轴器样机,采用MATLAB软件编程求解得到了气... 详细信息

为了得到双层实心异步磁力联轴器三维静态气隙磁场的空间分布,首先运用等效电流法建立了联轴器气隙磁场的三维解析模型,推导了气隙内任意一点磁感应强度的解析表达式。然后针对一台14极磁力联轴器样机,采用MATLAB软件编程求解得到了气隙平均半径处径向、周向及轴向磁感应强度的空间分布情况,结果表明径向磁感应强度解析值在-0.36T～0.36T之间变化,周向磁感应强度解析值在-0.6T～0.6T之间变化,轴向磁感应强度解析值在-0.35T～0.35T之间变化。最后采用实验装置对三维静态气隙磁场进行了测量测量结果与解析结果具有很好的一致性证明了解析法的正确性。

关键词：双层实心异步磁力联轴器三维气隙磁场等效面电流解析计算

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磁悬浮陀螺飞轮用双磁钢无刷直流电机磁设计

磁悬浮陀螺飞轮用双磁钢无刷直流电机磁设计

作者：李文娟北京石油化工学院

学位级别：硕士

磁悬浮陀螺飞轮(MSFW)用无刷直流电机(BLDCM)采用杯型定子代替传统定子铁心,消除了传统定子铁心在电机高速旋转时产生的涡流损耗和齿槽转矩脉动。现有磁悬浮陀螺飞轮用无定子铁心无刷直流电机采用单圈磁钢方案。通过定量分析可知其等效... 详细信息

磁悬浮陀螺飞轮(MSFW)用无刷直流电机(BLDCM)采用杯型定子代替传统定子铁心,消除了传统定子铁心在电机高速旋转时产生的涡流损耗和齿槽转矩脉动。现有磁悬浮陀螺飞轮用无定子铁心无刷直流电机采用单圈磁钢方案。通过定量分析可知其等效气隙磁密波形平顶宽度较窄,等效气隙磁密幅值较小,导致电机输出转矩较小,转矩精度较低。为克服上述缺点,本文提出一种无定子铁心双圈磁钢结构并对其进行了详细的实例设计。本文具体工作如下:(1)介绍无定子铁心无刷直流电机磁路设计原理,引入用于定量分析无定子铁心无刷直流电机气隙磁密分布特性的等效极弧系数和等效漏磁系数概念及具体计算方法。(2)运用等效漏磁系数和等效漏磁系数的概念对两种电机方案的气隙磁密分布特性进行定量分析,得到相同厚度的双圈磁钢结构较单圈磁钢结构获得的等效气隙磁密磁密波形平顶宽度更宽,气隙磁密幅值更大,由此引出本文的研究重点为无定子铁心双圈磁钢方案无刷直流电机。(3)在恒定磁场基本理论的基础上引出用于电机气隙磁场解析计算的等效面电流原理。并基于等效面电流原理建立单、双圈磁钢方案气隙磁密数学模型,得到影响气隙磁密分布的关键结构参数。(4)采用有限元法软件对比分析单、双圈磁钢方案的等效气隙磁密波形随磁钢结构的变化规律。进一步验证双圈磁钢方案较单圈磁钢方案具有更好的气隙磁密特性。(5)为进一步改善电机气隙磁密分布特性,本文在双圈磁钢方案的基础上又提出一种双圈非等厚磁钢方案,并对其进行了详细实例设计。设计结果表明,等效极弧系数和等效气隙磁密幅值由单圈的0.76和0.45T增大到0.847和0.463T增幅分别为11.5%和2.9%。改进后的双圈磁钢方案BLDCM可有效的实现对MSCSG转子的高速驱动和精确变速。

关键词：磁悬浮陀螺飞轮直流无刷电机气隙磁密有限元等效面电流

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非线性结构无源互调分析的等效电路法

非线性结构无源互调分析的等效电路法

作者：王佩西安电子科技大学

学位级别：硕士

无源互调（PIM）非线性的产生机理主要包括接触非线性和材料非线性。本文主要考虑接触非线性，对金属丝网非线性结构的无源互调问题进行了研究，主要工作如下： 1.基于无源互调的基本理论，推导了各阶PIM频率的计算公式，可对PIM频率和... 详细信息

无源互调（PIM）非线性的产生机理主要包括接触非线性和材料非线性。本文主要考虑接触非线性，对金属丝网非线性结构的无源互调问题进行了研究，主要工作如下： 1.基于无源互调的基本理论，推导了各阶PIM频率的计算公式，可对PIM频率和阶数进行预测，同时，总结了金属丝网中引起PIM非线性的原因。 2.基于GW接触模型，利用等效电路法模拟计算金属丝网的PIM功率电平。首先研究金属丝单个接触点的等效电路，然后根据金属丝网的编织结构得到金属丝网单元的等效电路，最后通过谐波平衡仿真得到金属丝网单元的近场PIM电平及等效面电流。 3.利用雷达方程和等效面电流两种方法分别对等效电路法计算得到的近场PIM电平和等效面电流进行外推，通过分析金属丝网单元及金属丝接触点对远场某一点PIM非线性的贡献，从而求得整个金属丝网在远场产生的PIM功率电平，并与实验测量结果进行对比，验证了方法的有效性。

关键词：无源互调接触非线性等效电路法雷达方程等效面电流

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基于子域模型的永磁同步电机内外部磁场研究

基于子域模型的永磁同步电机内外部磁场研究

作者：赵胜华青岛大学

学位级别：硕士

永磁电机具有效率高、功率密度大、形状和结构设计灵活等优点,已经越来越多地应用在工业、商业和军事领域。永磁电机气隙磁场分析是电机各种性能计算的基础和关键,是电机设计过程中的重要步骤,目前气隙磁场的计算方法主要有解析法和有... 详细信息

永磁电机具有效率高、功率密度大、形状和结构设计灵活等优点,已经越来越多地应用在工业、商业和军事领域。永磁电机气隙磁场分析是电机各种性能计算的基础和关键,是电机设计过程中的重要步骤,目前气隙磁场的计算方法主要有解析法和有限元法,具有高计算精度的子域模型法是解析法的典型代表。永磁电机磁场分布较为复杂,除内部主磁通及漏磁通以外,还存在外部泄漏磁场。“泄漏”磁场对电机的运行性能基本没有影响,但会对以该电机为驱动装置特种舰艇的安全隐蔽性产生不利作用,所以外部磁场的计算在一些特殊领域也很有必要。本文以舰船推进多相永磁直驱电机为研究对象,针对电机内外部磁场进行研究,建立电机内外部磁场的子域法解析模型,并以二维有限元仿真及部分实验验证所用解析法的准确性。对于表贴式偏心削极永磁电机,由于其磁极不等厚,所以不能用传统的子域模型进行求解。本文引入面电流来等效永磁体,用载流导体产生的磁场替代永磁体产生的磁场。在建立单根载流导体子域模型的基础上,应用叠加定理将所有载流导体产生的磁场合成从而求得整个永磁体产生的磁场。基于子域模型分别计算了空载状态下与仅考虑电枢反应时的气隙磁场,将空载磁场和电枢反应磁场叠加就可以得到电机负载磁场,并解析求解了感应电动势、齿槽转矩和电磁转矩。通过电机内部电磁场解析计算结果和有限元法结果对比,表明基于等效面电流法的子域模型具有很高的计算精度。为求解电机外部磁场,在内部磁场等效的基础上,首先建立了包含电机外部区域的无齿槽子域模型,通过推导得到了无齿槽模型电机外部磁场的解析公式,通过引入磁场修正系数,考虑了定子齿槽的作用。将包含外部磁场的子域模型与包含外部磁场的有限元模型所求得的外部磁场进行对比,验证了考虑电机外部磁场的子域模型的有效性。为了找出影响永磁电机外部磁场的因素及作用大小,本文分别通过改变永磁电机极对数、铁芯厚度、机壳厚度和铁芯相对磁导率进行电机外部磁场的分析计算,分析结果表明外部磁场磁密与测量点与电机轴心距离呈指数衰减关系,且极对数越多衰减速度越快。外磁场大小和铁芯相对磁导率、机壳厚度、铁芯厚度皆成反比,且随着极对数的增多,其对外部磁场的影响减小。本文对永磁电机外部磁场的研究工作可为其他类型电机外围环境磁场分析、地磁磁场补偿、传感器的抗电磁干扰、电机故障诊断等提供思路

关键词：解析法等效面电流子域模型气隙磁场电机外部磁场