双向交链横向磁通平板型永磁直线同步电机_寇宝泉_杨国龙_周维正_张赫

双向交链横向磁通平板型永磁直线同步电机_寇宝泉_杨国龙_周维正_张赫
双向交链横向磁通平板型永磁直线同步电机_寇宝泉_杨国龙_周维正_张赫

第32卷第33期中国电机工程学报V ol.32 No.33 Nov.25, 2012

2012年11月25日Proceedings of the CSEE ?2012 Chin.Soc.for Elec.Eng. 75 文章编号:0258-8013 (2012) 33-0075-07 中图分类号:TM 351 文献标志码:A 学科分类号:470?40

双向交链横向磁通平板型永磁直线同步电机

寇宝泉,杨国龙,周维正,张赫

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江省哈尔滨市 150001)

Bidirectional Crosslinking Transverse Flux Flat Type

Permanent Magnet Linear Synchronous Motor

KOU Baoquan, YANG Guolong, ZHOU Weizheng, ZHANG He

(School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, Heilongjiang Province, China)

ABSTRACT: A bidirectional crosslinking transverse flux permanent magnet motor was presented, which had larger space utilization ratio than traditional transverse flux machine. The primary core unit can make full use of secondary permanent magnets, effectively reduce the flux leakage, and increase the winding flux and no-load back-EMF, with the features of easy manufacture. The three-dimensional magnetic circuit model was established and the analytical expression of no-load back-EMF and the thrust were derived. In additional, the magnetic field and thrust were analysised by 3-D finite element method. A prototype was designed and manufactured. The back-EMF and static thrust experiments were carried out. The theoretical analyses agreed with the experiment results well. That verified the validity of the theoretical analysis.

KEY WORDS: transverse-flux; linear motor; bidirectional crosslinking; thrust density

摘要:提出双向交链横向磁通平板型永磁直线同步电机的方案,克服了传统横向磁通永磁电机初级空间利用率不高的缺陷。初级铁心单元加工方便,能够充分利用次级永磁体,有效减小次级永磁体的极间漏磁,增加与绕组相交链的磁链,提高电机的空载感应电动势。文章介绍了电机的结构并阐述了其工作原理,利用磁路法建立了电机的三维等效磁网络模型,推导出了电机的空载主磁通和空载感应电动势表达式,将次级永磁体等效成面电流,获得了推力表达式,通过三维有限元方法计算电机磁场和推力。研制了一台实验样机,测得了空载感应电动势和静态推力。理论分析与实验结果基本吻合,验证了理论分析的有效性。

关键词:横向磁通;直线电机;双向交链;推力密度

基金项目:国家科技重大专项(2010ZX04010-041);国家自然科学基金项目(51177023)。

National S&T Major Project (2010ZX04010-041);Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51177023).0 引言

横向磁通永磁电机(transverse flux permanent magnet motor,TFPM)由德国学者Herbert Weh在1986年提出[1]。这种新结构电机的磁通平面与运动方向相互垂直,克服了由于电负荷和磁负荷在空间上相互制约而产生的不利于提高电机转矩密度的缺点,具有设计灵活、相间电磁解耦,易于实现多相、多极结构和低速大转矩等特点[2-5]。

横向磁通永磁直线同步电机是在永磁同步电机的基础上发展而来的,兼具横向磁通和直线传动的特点[6-8]。根据永磁体放置方式的不同,可以将其分为表贴式、聚磁式和磁阻式3类[9-11]。各国学者在不同类型的横向磁通永磁直线同步电机中,又提出了多种拓扑结构的初级铁心单元。以Weh原型机为代表的U型结构的初级铁心以2倍极距分布,相邻铁心之间的永磁体没有和初级铁心形成磁通回路,次级漏磁较大[12-13]。英国Rolls-Royce公司提出的C型初级铁心结构可以在体积增加较少的情况下获得加倍的转矩,但其铁心加工和装配工艺较为复杂[14-15]。Z氏结构的横向磁通电机虽然让所有次级永磁体均处于有效工作状态,但由于实际电机磁路并不理想,漏磁路径复杂,气隙磁密不高,最后制作的样机并没有展现出优良的特性[16-18]。

本文在总结目前国内外现有的横向磁通永磁电机拓扑结构的基础上,提出了一种新结构双向交链横向磁通永磁直线同步电机(bidirectional crosslinking transverse flux permanent magnet linear synchronous motor,BCTF-PMLSM)的方案。这里所说的双向交链是对同一组绕组来说的,与之相交链的磁链方向在相邻2个初级铁心单元中的方向相

网络出版时间:2012-12-10 14:17

网络出版地址:https://www.360docs.net/doc/3315663003.html,/kcms/detail/11.2107.TM.20121210.1417.007.html

76 中 国 电 机 工 程 学 报 第32卷

反。不同于U 型、C 型等初级铁心单元中的磁通方向相同、相邻初级铁心单元间隔2倍极距的结构特点,BCTF-PMLSM 的初级铁心单元的齿距等于极距,能够充分利用次级永磁体,有效减小极间漏磁,增加与绕组相交链的磁链。同时初级铁心单元可由硅钢片叠压而成,工艺简单,制造方便,能有效降低电机的铁耗。

1 BCTF-PMLSM 的基本结构与工作原理

1.1 基本结构

图1

给出了单相BCTF-PMLSM 的拓扑结构图。主要包括初级铁心、绕组、次级永磁体和轭板。BCTF-PMLSM 的次级采用表面永磁体平铺排列结构,相邻2块永磁体的充磁方向相反;相邻2个初级铁心单元采用一种冲片结构,排列次序相反,一相中的铁心单元沿运动方向依次等间距排列,齿距等于极距;电机绕组为跑道形。

初级绕组 初级铁心单元

次级永磁体

轭板

图1 单相BCTF-PMLSM 结构 Fig. 1 Structure of one phase BCTF-PMLSM

相比于传统的横向磁通永磁电机,BCTF- PMLSM 的主要结构特点如下:

1)初级铁心单元的齿距等于极距,能够充分利用次级永磁体。与传统的U 型结构铁心相比,在相同的初级空间内,铁心单元的个数增加一倍,使得与绕组相交链的总磁链理论上可增加一倍,同时也减小了次级永磁体的极间漏磁,提高了电机的空载反电动势,电机结构也更为紧凑。

2)初级铁心单元可由硅钢片叠压而成,能有效降低电机的铁耗,具有加工简单、模块化等特点。

3)次级永磁体可以做成表贴式或聚磁式。图1所示为表贴式结构,永磁体为平板形,垂向充磁,固定在平板形的轭板上。沿横向,相邻两块永磁体的极性相反;沿运动方向,永磁体N 、S 极交替排列。另外可以在横向或运动方向相邻永磁体之间加细条形横向充磁永磁体,形成Halbach 磁体结构,以达到聚磁的目的,同时又可减少极间漏磁。

1.2 工作原理

BCTF-PMLSM 中磁通通过的路径可以从电机横向剖视图中看出,如图2所示。相邻2块次级永磁体的充磁方向相反,使相邻2个初级铁心单元中的磁通方向相反,但由于初级铁心交错排列使一相中与绕组匝链的磁通方向在任意时刻均相同。当初级移动时通过初级铁心的磁通量就会发生变化,使得与绕组相交链的磁链发生变化而产生感应电动势。本文采用的铁心单元冲片结构起到类似桥式整流的作用,对每相绕组来说,将本来不同方向的磁路转化成同一方向。

图2 双向交链式的磁通路径

Fig. 2 Bidirectional crosslinking magnetic flux path

初级绕组中通入交变电流时,电枢磁场与次级永磁体磁场相互作用,使动子向前移动,如果有多相,电机就能够自起动,且相数越多,运行越平稳。与普通永磁电机相同,其速度正比于电流频率,反比于极对数。由于横向磁通电机易于实现多极结

构,因此在相同供电频率下,能够达到更低的速度,并具有较高的力密度,适用于低速大推力的直接驱动场合。

2 BCTF-PMLSM 的磁路计算与推力分析

2.1 磁路计算

以相邻2个铁心单元为研究对象建立的BCTF-PMLSM 空载等效磁路如图3所示,初始的动子位置是初级铁心厚度的中心线与次级永磁体运动方向的中心线对齐的位置。由于没有忽略永磁体横向和运动方向的漏磁,所以电机的等效磁路模型是三维立体的。图3中,R pm 为永磁体的等效内磁阻;R δ为气隙磁阻;R σc 、R s 、R rt 、R rc 分别为运动方向气隙漏磁阻、初级铁心单元磁阻、次级轭部横向磁阻和次级轭部运动方向磁阻;Φδ、Φσc 、Φσt 、

Φ分别为磁路的主磁通、运动方向永磁体之间的漏

磁通、横向永磁体之间的漏磁通和永磁体对外提供的磁通。为简化分析,引入一个气隙漏磁阻R σ表示永磁体所产生的所有漏磁通,则一个铁心单元的磁路图可以简化成图4所示。

根据空载等效磁路图,利用网络方程法可列出

第33期 寇宝泉等:双向交链横向磁通平板型永磁直线同步电机 77

rt

图3 BCTF-PMLSM 的等效磁路

Fig. 3

R F 图Fig. 4 m m 2F F Φ?=?

??

=?式中:F m F m =H c h m ;H c 求解式Φδ式中σ0为空载漏磁系数:

s rt 0222R R R R ΦΦR δσ

δ

σσ+++=

= (3)

需要指出的是,方程中所涉及的气隙磁阻和漏磁阻均是电机位置的函数,随位置的改变而改变。

BCTF-PMLSM 的运行过程中,空载磁链在铁心单元齿与次级永磁体中心线对齐时达到最大值,定义此时为初始位置,则空载磁链的表达式为

s cos nN K t δΦΨΦω= (4)

式中:n 为铁心单元个数;N s 为绕组匝数;K Φ为气

隙磁通的波形系数;28

sin 2i i

K Φααπ=π;Φδ为单个

铁心单元回路的主磁通,可由式(2)求得。则电机空载感应电动势为

s d 2sin d e K fnN t t

ΦδΨ

Φω=?

=π (5) 每相空载感应电动势的有效值为

0s E K fnN ΦδΦ= (6)

可见,BCTF-PMLSM 的空载感应电动势与铁心单元的个数n 、频率f 和绕组匝数N s 成正比。与

传统的U 型铁心结构的横向磁通电机相比,本文所提出的电机方案在相同的初级空间内,布置的铁心

(7)表示

(7)

(8)

) (9)

m m u 12m m u 0s m m p m m e (

)22

4sin()

2

sin vt l N iI b I b t μτωδ+?π

=?π (10)

式中b m 为永磁体横向长度。

由于力的作用是相互的,在实际运动中假定初级运动,次级固定,则初级所受的力为次级所受力的反方向。前面是只考虑一个铁心单元的一侧,则一相n 个初级铁心单元所受的总合成力为

u 0s m m p a e p

8sin()2

sin(

)l n N iI b x

F μτδτπ

π=

π

(11)

78 中 国 电 机 工 程 学 报

第32卷

当电机通以正弦波电流,即sin i t ω=,并运行于同步速度v =2τp f 时,一相的推力公式为

p 0s c m m 2a e p 0s c m m e sin

2sin ()sin

11

2 [cos(2)]22

N IH h b F t N IH h b t αμωδαμωδπ

=

=

π

π

?π (12)

可见,单相电机的推力与铁心单元的个数n 、安匝数N s I

与气隙长度单相的max F =

A B C F F F ???

?

??

???

F 相推力峰BCTF-PMLSM 为模型,研究电机尺寸和比例参数对推力的影响。

3 BCTF-PMLSM 的有限元分析

BCTF-PMLSM 磁场呈三维分布,其极间漏磁不能忽略,同时也很难简化为二维模型,故采用三维有限元法对电机进行磁场分析。电机设计参数如表1所示。

由于横向磁通电机三相之间电磁解耦,所以在采用有限元分析时可只分析一相[19-20]。图5给出了单相电机空载和负载在对齐位置和90°电角度位置的磁密幅值云图。

从图5中可以看到,在空载对齐位置时,初级

表1 BCTF-PMLSM 设计参数

Tab. 1 Design parameters of BCTF-PMLSM

参数 数值 参数

数值

初级冲片宽度/mm 68 永磁体材料 N38H 初级冲片高度/mm 55 永磁体横向宽度/mm

25

初级冲片齿宽/mm 12 永磁体厚度/mm 4 初级冲片叠厚/mm

10

极弧系数 0.8 气隙长度/mm 1

极距/mm 12.5

每相单元数 6 绕组匝数 280 次级轭板厚/mm 6 裸线线径/mm 0.69

1.500 1

1.312 6 1.125 1 9.376 5

7.501 7×10?1 5.626 9×10?1 3.752 0×10?1 1.877 2×10?1 2.371 1×10?4

B /T

1.521 1 1.330 9 1.140 8

9.5068 87.605 45.704 13.802 71.901 44.399 3B /T 空载90°位置

(c) 负载对齐位置

1.495 8 1.308 9 1.121 9

9.349 9×10?1 7.480 5×10?1 5.611 1×10?1 3.741 7×10?1 1.872 3×10?1 2.893 8×10?4

B /T

负载90°位置

1.583 7 1.385 8 1.187 8

9.899 07.919 75.940 33.961 01.981 72.317 7

1.43 T ,初级铁心单。当采用i d =0的位置时初级绕组电流为零。在负载90°位置时初级绕组中电流的幅值最大,此时初级铁心磁密为1.83

T ,气隙磁密为0.73 T 。磁场分析结果表明,电机尺寸设计合理。

利用建立的3D 模型,在绕组电流i a =0时给动子设置相应的速度,就可以得到空载感应电动势的波形。图6给出了动子移动速度为0.5 m/s 时,三相

BCTF-PMLSM 空载感应电动势的波形图,其幅值为32.4 V 。

在建立的有限元模型中,采用用i d =0的控制方式,给绕组通以交变电流时,可得到电机的动态推力波形。图7给出了在电流幅值为1 A 时,单相和

第33期 寇宝泉等:双向交链横向磁通平板型永磁直线同步电机 79

t /ms

e /V

??

图6 BCTF-PMLSM 空载时的感应电动势 Fig. 6

F /N

图7 Fig. 7 三相110 N 到1304.1 空载反电动势的测试

双向交链横向磁通平板型永磁直线同步电机的样机采用短初级长次级结构,初级作为动子,固定在导轨滑块上。电机绕组可以通过绕线机自动成型,绕组作为整体下入到各个铁心单元,再将初级每相整体固定。初级铁心冲片如图8(a)所示,上方

2孔为定位销孔,用来将每相的各个铁心单元连同该相绕组固定到平板机壳上,样机各个组装部件如图8(b)所示。电机设计时为了使三相结构紧凑,采用三相初级互差60°电角度排列,实际应用时将B 相反接即可。

图8(c)为搭建的BCTF-PMLSM 样机实验平台。

(a) 初级铁心单元

及绕组

伺服电机

V ,仿表明了

BCTF-PMLSM 磁场有限元分析的有效性,并验证了电机原理的正确性。

实验值

仿真值

05

10 15 20 25

t /ms

e /V

40 20

0?20?40

图9 BCTF-PMLSM 的空载反电动势波形 Fig. 9 No-load EMF waveform of BCTF-PMLSM

80 中 国 电 机 工 程 学 报 第32卷

4.2 静态推力的测试

对电机静态推力进行测试,单独给电机一相通直流电,电流取值从0.25 A 到4.00 A 变化。由于静态推力是动子位置的函数,在不同位置时静态推力不同。实验时将滚珠丝杠上的滑块通过压力传感器和样机初级动子相联接,伺服电机以非常低的转速带动滚珠丝杠旋转,使得初级动子做直线运动,运动的速度为2.85 mm/min ,从压力传感器中可以读出初级在不同位置时的静态推力值,记录不同电流下对应的最大静态推力与电流的关系如图

F /N

图Fig. 10 从图105 结论

本文提出了一种双向交链横向磁通平板型永磁直线同步电机的方案,它比传统U 型铁心的横向磁通电机具有更高的初级空间利用率,提高了电机的空载感应电动势。论文根据磁网络法建立了BCTF-PMLSM 的三维等效磁路模型,推导出了电机的推力表达式。通过有限元方法的分析,研制了一台样机,进行了空载反电动势和静态推力的测试,通过对比实验和仿真结果,验证了电机原理的正确性和理论分析的准确性。可见,结构紧凑、加工方便的双向交链横向磁通平板型永磁直线同步电机适用于低速大推力直驱系统,具有很好的应用前景。

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收稿日期:2012-05-28。 作者简介:

寇宝泉(1968),男,教授,博士生导师,主要研究方向为特种电机及其驱动控制技术,koubq@https://www.360docs.net/doc/3315663003.html, ;

杨国龙(1986),男,博士研究生,主要

从事新型永磁电机及其优化设计的研究;

周维正(1987),男,硕士研究生,主要从事新型永磁电机及其优化设计的研究。

寇宝泉

(责任编辑 王剑乔)

横向磁场永磁电机的发展和研究现状

横向磁场永磁电机的发展和研究现状 【摘要】横向磁场永磁电机因其高转矩密度和高效率的优点,吸引各国电机设计人员们对其结构设计、制造工艺、磁场分析及运行性能等方面展开了具体研究。在查阅现有的国内外相关文献资料的基础上,系统介绍了横向磁场永磁电机的主要拓扑结构的特点,分析了当前国内外横向磁场电机的主要研究方向,最后对其应用前景进行了展望。 【关键词】横向磁场;拓扑结构;自定位转矩;功率因数 1.引言 横向磁场永磁电机(Transverse Flux Permanent Magnet Machine,简称TFPM)是由德国著名电机专家H.Weh教授率先于1986年提出的一种新型电机结构,与传统电机相比,横向磁场电机具有以下特点[1][2]: (1)电机的每相都完全独立,因此相与相之间没有电磁耦合,可提高电机的容错能力。 (2)电机磁路呈三维分布,磁路与电路(线圈部分)处于不同平面,定子尺寸和线圈尺寸相互独立,从而使TFPM能够同时获得较大的定子齿横截面和线圈横截面,大大提高了电机的转矩密度,其输出大约是标准工业用异步电机的5~10倍。 (3)在保持转速、电机主要尺寸、气隙磁密等参数不变时,TFPM的功率与电机的极对数成正比,适用于低速、大转矩场合。 近几年来,随着电动车、电力直接推进装置和风力发电技术研究的深入,对高转矩密度、低速直接驱动电机的要求更为迫切,于是横向磁场永磁电机因其上述优点成为了新型电机的研究热点之一。许多欧美经济发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行横向磁场电机的理论和应用研究,丰富了横向磁场永磁电机的拓扑结构,促进了横向磁场电机的发展。本文较系统地介绍分析了当前横向磁场永磁电机的主要拓扑结构,阐述了当前国内外横向磁场电机的主要研究方向和方法,并对横向磁场电机存在的问题也做了简单介绍。 2.横向磁场电机的拓扑结构形式 按照永磁体的有无及安装方式来分,横向磁场电机拓扑结构可以分为四类:平板式、聚磁式、无源转子式和磁阻式[3]。 图1为德国亚琛的G.Henneberger教授设计的外转子平板式横向磁场永磁电机。这种结构中,永磁体被均匀地平铺于转子表面,相邻的永磁体被充磁成不同的极性,充磁方向一般为径向,U形定子铁心以两倍极距均匀分布在圆周上,其

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横向磁场直线开关磁阻电机及其控制系统 葛宝明1,赵楠1,Aníbal T. de Almeida2,Fernando J. T. E. Ferreira2 (1.北京交通大学电气工程学院,北京市海淀区100044; 2.科英布拉大学电气工程系,葡萄牙科英布拉市3030) 摘要:研究了基于横向磁场直线开关磁阻电机(TFLSRM)、全数字控制器与新型位置传感器的直线电机驱动系统,建立了TFLSRM 数学模型。新型位置传感器利用了TFLSRM次极边极形,无需在次极安装任何元件,改善了系统可靠性。为改善系统性能,在电流环进行了从牵引力到平均电流的非线性转换,在速度环采用离散时间趋近率控制。基于DSP设计了控制器,测试了新型位置传感器与所提驱动系统的动、静态性能。实验结果验证了新型位置传感器与TFLSRM驱动系统的优良性能。 关键词:数字控制、直线开关磁阻电机、位置传感器、横向磁场电机 0 引言 近年来,开关磁阻电动机(SRM)获得了的广泛关注,但无数的有关建模、分析和旋转开关磁阻电机的控制文章已经被发表。虽然有许多的文献介绍纵向磁通型线性开关磁阻电机,但是很少有文献是介绍横向磁通型线性开关磁阻电机。横向磁通开关磁阻电机线性(TFLSRM)利用了垂直于运动的方向和电流流动的方向的磁回路,其结果为磁回路从电路中分离。这种结构使得它非常适合容易制造和维护,同时离散极简化了线性电动机的设计,相比于纵向磁场直线开关磁阻电机,这种结构可以降低总成本。单位体积的高力密度和高效率是其主要优点。因此,TFLSRM作为一个有吸引力的旋转电动机代替品,正在成为直线运动的最优选择。此外,TFLSRM是相当适合高速直线运动应用,由于增强了整个系统的电磁侧力。 横向磁通式的线性开关磁阻电机的原型建筑是有史以来提出的第一个有

U型无铁心永磁同步直线电机磁场建模与分析

喏名L 乃农别名阄2018,45 (2)研究与设计I EMCA U 型无铁心永磁同步直线电机磁场建模与分析 李争",张家祯",王群京2 (1.河北科技大学电气工程学院,河北石家庄 050018; 2.安徽大学高节能电机及控制技术国家地方联合工程实验室,安徽合肥230601) 摘要: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 直线电机 槽 的优点,结构简单,控制灵活。采两种 铁心 直线电机 的问题, 和 电 , 采 电机 , 验 计算的 。 电机 的影响。 电机 , 了 优化设计,为 电机的设计与 了 。 关键词:无铁心"直线电机;磁场分析;解析法"有限元法中图分类号: TM 351 文献标志码:A 文章编号:1673-6540(2018)02-0075-06 Magnetic Field Modeling and Analysis of U-Shaped Ironless Permanent Magnet Synchronous Linear Motor * Ll Zheng 1, ZHANG Jiazhen 1, WANG Qunjing 2 (1. School of Electrical Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuan 2. National Engineering Laboratory of Energy-saving M otor & Control Technique,Anhui University , Hefei 230601,China ) Abstract : Due t o the influence of tlie core breaking ,the traditional iron core linear motor had the end-effect of lateral and vertical side ,which m ade the output of the thrust line fluctuate greatly. The ironless permanent magnet synchronous linear motor has the advantages of zero slot effect , simple structure and flexible control. Based on the analysis of air gap magnetic field ironless permanent magnet synchronous linear motor problems by using two kinds of analytical method ,namely e quivalent magnetic potential method and the equivalent magnetizing current method ,and the finite element analysis of the magnetic field using the finite element method. The analytical m field analysis was verified to be accurate. By changing the motor parameters ,the optimization design was achieved , which provided the r eference for the design and analysis of same kind of motors. Key words : ironless ; linear motor ; magnetic field analysis ; analytical method ; finite element method 0 ^ * 更小、效率更高,系统的精度、稳定性和响应速度0 能 优越。齿槽 和端 直线电机把电能直 成直线推 于铁心式 直线电机中,会造成电机动态动力能的 ,与传统的 电 机 ,直线电机 能差、振动 高、系统 ,影响电机 传动 , 统结构更简单、 和 [1]; 铁心 直线电 *基金项目:国家自然科学基金项目(51577048,51637001,51107031);河北省留学人员科技活动项目择优项目(C 2015003044);高节 能电机及控制技术国家地方联合工程实验室开放课题基金项目( K F K T 201601) 作者简介:李争(1980—),男,博士,教授,硕士生导师,研究方向为特种电机及其控制。 张家祯(1993—),女,硕士研究生,研究方向为直线电机设计与控制技术。王群京(I 960—),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为电机及其控制技术。 一 75 —

径向磁通开关磁阻电机的发展历史及趋势

文献检索 径向磁通开关磁阻电机的发展历史及趋势 姓名 学号825 所在学院电气与电子工程学院 专业班级12电气7班 日期2014年12月26日

一、开关磁阻电机发展简介 开关磁阻电机是80年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而发展起来的一种新型调速驱动系统,具有结构简单、运行可靠及效率高等突出特点,成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者,引起各国学者和企业界的广泛关注。跨国电机公司Emerson电气公司还将开关磁阻电机视为其下世纪调速驱动系统的新的技术、经济增长点。目前开关磁阻电机已广泛或开始应用于工业、航空业和家用电器等各个领域。 1970年,英国Leeds大学步进电机研究小组首创一个开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor, SRM)雏形,这是关于开关磁阻电机最早的研究。1972年,进一步对带半导体开关的小功率电动机(10w~1kw)进行了研究。到了1975年有了实质性的进展,并一直发展到可以为50kw的电瓶汽车提供装置。1980年在英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司(SRD Ltd.),专门进行SRD系统的研究、开发和设计。1983年英国(SRD Ltd.)首先推出了SRD系列产品,该产品命名为OULTON。1984年TASC驱动系统公司也推出了他们的产品。另外SRD Ltd. 研制了一种适用于有轨电车的驱动系统,到1986年已运行500km。该产品的出现,在电气传动界引起不小的反响。在很多性能指标上达到了出人意料的高水平,整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。 从上世纪90年代国际会议的上有关SRD系统的文章来看,对SRD系统的研究工作已经从论证它的优点、开发应用阶段进入到设计理论、优化设计研究阶段。对SR电机、控制器、功率变换器等的运行理论、优化设计、结构形式等方面进行了更加深入的研究。 二、开关磁阻电机的分类 按气隙磁通方向分类方法将开关磁阻电机分为两类:径向磁通开关磁阻电机和横向磁通开关磁阻电机。这里,着重分析径向磁通开关磁阻电机。 1、径向气隙磁通 发电机依靠转子对定子的相对运动来发电,在定子与转子之间的间隙称为气隙。在传统电机结构中,定子在外围,转子在中间旋转,见图1右图,定子与转

永磁直线电机精确相变量建模方法(精)

第29卷第9期中国电机工程学报V ol.29 No.9 Mar.25, 2009 98 2009年3月25日 Proceedings of the CSEE ?2009 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号:0258-8013 (2009 09-0098-06 中图分类号:TM 351;TM 359 文献标志码:A 学科分类号:470?40 永磁直线电机精确相变量建模方法 曾理湛1,陈学东1,李长诗2,农先鹏1,伞晓刚1 (1. 数字制造装备与技术国家重点实验室(华中科技大学,湖北省武汉市 430074; 2. 郑州轻工业学院机电工程学院,河南省郑州市 450002 Accurate Phase Variable Modeling of PM Linear Motors ZENG Li-zhan1, CHEN Xue-dong1, LI Chang-shi2, NONG Xian-peng1, SAN Xiao-gang1 (1. State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment & Technology (Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, Henan Province, China ABSTRACT: This paper proposes a general finite element (FE based phase variable modeling method of permanent magnet (PM linear motors for the accurate dynamic simulation of drive systems. A general phase variable model of PM linear motors is established taking account of the effects of the nonideal geometrical structure on the thrust force, in which the mover position dependent variables are obtained from FE

新型轴向磁场磁通切换型永磁电机外围漏磁有限元处理方法

….堕壁皇型…竺望然舅……………………………………蟛望‰√j新型轴向磁场磁通切换型永磁电机外围漏磁有限元处理方法 张磊,林明耀,李鑫 (东南大学,江苏南京210096) 摘要:针对轴向磁场磁通切换型永磁电机,提出了一种电机外围漏磁有限元处理方法——能量法,即电机有限元模型外围模拟空气环境的虚拟空气罩尺寸的确定方法。不同虚拟空气罩尺寸下,工作气隙永磁磁通幅值计算 结果的变化趋势说明了该方法的可行性。研究表明,使用该方法可以在计算时间和精度之间实现最优化,该方法 同样可以推广到双【fll极电机等定子永磁型电机的有限元分析。 关键词:外围漏磁:能量法;虚拟空气罩;永磁电机;有限元仿真 中图分类号:TM351文献标识码:A文章编号:1004-7018(2010)01一∞眇一舛 FiniteElementProcessingMethodtoPeripheralFluxLeakageinaNovelAxialField Flux-SwitchingPermanentMagnet Machine ZHANGLei。uNMing-yao,LIX/n (SoutheastUniversity,Nanjing210096,China) Abstract:Anewmethodbasedonthemagneticenergytoperipheralfluxleakageinanovelaxialfieldflux-switchingpermanentmagnet(AFFSPM)machinewagpresented.11lesizeofsuppositionalperipheralaircylindersusedtosimulate theairconditioninfiniteelementanalysismodeloftheAFFSPMmachinewasdeterminedbythesuggestedmethod.Thus,a balancebetweenthecalculationprecisionandtimeWasachieved.Thecalculationresultswereconsistentwiththatbytheva- fianceofPMfluxmaximumvalue.TheinvestigationshowsthatthismethodisusefulintheapplicationofmachineswithPM instator. Keywords:peripheralfluxleakage;energymethod;suppositionalaircylinder;PMmachine;finiteelementsimulation 0引言 传统的永磁电机将永磁体放置在转子上,为防止电机高速运行时永磁体受到离心力作用而被甩落,通常在转子上安装不锈钢或非金属纤维材料制成的固定套,但这会导致转子散热困难。过高的温升会使永磁体发生不可逆退磁,限制电机出力,减小电机输出功率。近年来,以新型双凸极永磁(以下简称DSPM)电机和磁通切换型永磁(以下简称FSPM)电机为代表的定子永磁电机可以较好地解决上述问题‘1-4]。图1为一台三相12/10极径向磁场磁通切换型永磁(以下简称RFFSPM)电机截面图,该电机通过定、转子相对位置的变化,引起电机内磁路改变,从而使得电机内的电磁场发生变化,以实现电机的电动或发电运行。但是由于将永磁体置于定子中,电机外围漏磁将导致感应电势幅值的有限元计算结果大于实测值一j。为了使有限元计算结果更接近实际情况,建模过程中,应该计及电机外围漏磁的影响,习惯的做法是在电机有限元模型外围加 收稿日期:2009—05—18 基金项日:江苏省自然科学基金项目(BK2008306) 9上模拟空气环境的虚拟空气罩‘引,然而附加的虚拟空气罩在剖分、求解及数据后处理过程中都会增加工作量,延长求解时间。因此,确定空气罩的尺寸,在计算时间和求解精度之间达到最优化,不仅具有重要的理论意义,也具有很好的应用价值。 图l三相12/10极RFFsPM电机截面图 目前,有限元建模时,在电机外围加模拟空气环境的虚拟空气罩的做法已被广泛采用,但有关确定其尺寸的方法尚未见诸文献。本文以一台三相12/10极轴向磁场磁通切换型永磁(以下简称AFF.SPM)电机为例,基于全场域三维有限元分析方法,提出了一种在有限元程序中容易实现的电机外围模拟空气环境的虚拟空气罩尺寸确定方法——能量法,分析了不同虚拟空气罩尺寸对该电机工作气隙永磁磁通幅值计算结果的影响。最后,运用此法对一台三相12/10极RFFSPM电机有限元模型中电机外围的虚拟空气罩尺寸进行分析,说明提出的方法 万方数据

一种微小型永磁直流直线电机

第10卷 第1期2006年1月   电 机 与 控 制 学 报 EL EC TR IC MACH I N ES AND CON TROL   Vol 110No 11Jan .2006 一种微小型永磁直流直线电机 王坤东, 颜国正 (上海交通大学电信与电气工程学院820所,上海200030) 摘 要:针对永磁直流直线电机的微型化问题,提出了近似拼接的设计方案,优化了结构参数,并 加工出样机进行了试验。在尺寸所限下,该电机使用多个长方体永磁块拼接的正八边形来近似逼近全径向磁化管形磁铁励磁。利用有限元分析软件Max W ell910优化了气隙和磁铁厚度等结构参数。对样机进行了试验分析,结果表明电机驱动力和电流呈线性关系,在整个行程中,输出力均匀,驱动力在电流01004A 时可达0172N,线圈温度在5516°C 。关键词:微小型;永磁;直线电机;有限元优化 中图分类号:T M351 文献标识码:A 文章编号:1007-449X (2006)01-0070-04 A m i n i a ture per manent magnet li n ear DC motor WANG Kun 2dong, Y AN Guo 2zheng (School of Electrical and I nf or mati on Eng .,Shanghai J iaot ong Univ .,Shanghai 200030,China ) Abstract:This paper p resented a method based on j ointed per manents for m iniature of DC linear mot or .Structural para meters were op ti m ized .Pr ot otype was manufactured t o make s ome experi m ents .Under the constraint of m icr o di m ensi on,several rectangular per manent magnets were j oined t o be octagon,whose field app r oaches the filed of tube 2shaped per manent magnetized at radial directi on .Based on the FEA s oft w are Max W ell 910,the structural para meters such as dep th of air gap and per manent magnet were op 2ti m ized .The characters of mot or are analyzed thr ough experi m ents .Research de monstrates that driving f orce is p r oporti onal with the current,and driving force is stable in the whole str oke,and driving force reaches 0172N when the current strength is 01004A ,and the te mperature of coil rises t o 5516°C .Key words:m iniature;per manent;linear mot or;FE op ti m is m 收稿日期:2004-10-21;修订日期:2005-06-15 基金项目:国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2001AA422210) 作者简介:王坤东(1978-),男,博士研究生,研究方向为微型特种机器人; 颜国正(1960-),男,博士后、教授、博士生导师,研究方向为特种机器人、仿生机械。 1 引 言 在微小空间进行作业的行走机构,如工业细小管道或人体消化道的检测机器人等,要求直径在10~15mm 之间,同时对驱动技术也提出了新的要求, 如驱动力大、控制方便、可靠等[1,2] 。微型旋转电机受尺寸的限制,加上将旋转运动变为直线运动的中间机构也占有一定空间,因此将外形尺寸控制在直径为10mm 以下比较困难 [3] 。压电驱动器行程较 短,一般都是在μm 量级,存在如何将位移进行放大 的问题,而且驱动力很难控制[4] 。形状记忆合金驱动器由于记忆合金的加热变形—冷却回复的时间较 长,因此速度较慢[5] 。直线电机是近年来出现的一种新型驱动技术,它将电能直接转换为直线运动的机械能,不需要运动转换的中间机构,因此结构尺寸上能够进一步减小。直线电机种类繁多,其中永磁直流直线电机由永磁励磁,结构简单,控制方便。从现有的产品看,还没有出现直径在10mm 以下的圆

新型横向磁通永磁电机磁场研究

第27卷第24期中国电机工程学报V ol.27 No.24 Aug. 2007 2007年8月Proceedings of the CSEE ?2007 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号:0258-8013 (2007) 24-0058-05 中图分类号:TM341 文献标识码:A 学科分类号:470?40 新型横向磁通永磁电机磁场研究 褚文强,辜承林 (华中科技大学电气与电子工程学院,湖北省武汉市 430074) Study on Magnet Field of Novel Transverse-flux Permanent Magnet Machine CHU Wen-qiang, GU Cheng-lin (College of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China) ABSTRACT: Firstly,a novel transverse-flux permanent magnet machine(TFPMM) is introduced.Then its no-load magnetic field is analyzed, including flux curve, the influence of different air gap/permanent magnet weight on magnetic field. Beside its cogging torque is also calculated.Finally, The experimental data is given and compared with the magnetic field computation results to prove the method above is available. KEY WORDS: transverse-flux; permanent-magnet machine; magnetic field computation 摘要:简要介绍了一种新型横向磁通电机,然后针对该电机进行了空载磁场分析,给出了磁通变化曲线,分析了气隙长度、永磁体宽度对磁场的影响,同时还计算了电机定位力矩。给出了样机实验数据,并与磁场计算结果进行了对比分析,比较结果说明以上方法是有效的。 关键词:横向磁通;永磁电机;磁场计算 0 引言 横向磁通永磁电机(Transverse-flux permanent magnet machine,TFPMM)是20世纪80年代末由德国的H.Weh教授提出的一种新型电机结构形式[1-2]。磁路结构的改变使其从理论上克服了传统电机齿槽位于同一截面,几何尺寸相互制约,电机转矩难以根本提高的缺陷,特别适合低速、大转矩、直接驱动等应用场合。德国于1988年率先研制了首台45kW横向磁通永磁电机样机,1999年又将TFPMM作为电动车发展优选部件之一;英国Rolls- Royce国际研发中心于1997年设计并制作了3.0MW采用C形定子铁心的TFPMM样机,目前正在研制16相20MW横向磁通永磁电机[3-5];美国通用汽车Allsion传动部着手于研究复合软磁材料(SMC)成形定子的横向磁通电机和爪形齿横向磁通电机,并研制了30kW电动车用横向磁通电机[6-8];国内对横向磁通电机的研究开展较晚,但目前已有不少样机研制成功[9-11]。此外TFPMM还被应用于磁悬浮[12-14]、风力发电、直线驱动[15]等领域。但是上述各种拓扑结构都存在工艺复杂,加工困难,基本上不适合中小功率低速直驱式场合应用。文献[16]提出了一种新型TFPMM拓扑形式,简化了电机结构,降低了对制造工艺的要求,使得TFPMM有可能应用于中小功率场合。本文在文献[16]基础上,利用有限元方法分析了该电机的空载磁场,给出了磁通变化曲线,分析了气隙长度、磁体宽度对磁场的影响,同时还计算了定位力矩,最后对样机的实验数据进行了比较分析。 1 新型横向磁通永磁电机 TFPMM磁路呈三维分布,其拓扑结构变化较为丰富,按其永磁转子结构和磁路特点,可以分为平板式、聚磁式、磁阻式、无源转子式4类[17]。文献[16]正是在德国G.Henneberger教授设计的单边定子平板式TFPMM结构[18]基础上提出一种新型横向磁通电机拓扑结构(内定子、外转子),其定转子结构如图1、2所示,主要结构特点如下: (1)永磁体轴向磁化,相邻磁体极性相反,各相磁体(2p个)沿转子内表面均布,m相磁体轴向分隔,周向对齐。 (2)U形磁轭以两倍极距均布(每相p个),各相独立,三相定子轴向互错120o电角度被固定在非磁性定子支架上。 (3)电枢绕组由同心绕制在U形磁轭中的周向线圈组成。

一种轴向磁通永磁电机的设计

Analytical Design of an Axial Flux Permanent Magnet In-Wheel Synchronous Motor for Electric Vehicle C. Versèle1, Z. De Grève1,2, F. Vallée1, R. Hanuise1, O. Deblecker1, M. Delhaye1 and J. Lobry1 1Electrical Engineering Department – Faculté Polytechnique de Mons 2 Belgian National Fund for Research, FNRS Boulevard Dolez, 31 7000 Mons – Belgium Tel.: +32 / (0)65 – 374123 Fax: +32 / (0)65 – 374120 E-Mail: christophe.versele@umons.ac.be Keywords ?AC machine?, ?Electric vehicle?, ?Permanent magnet motor?, ?Synchronous motor?. Abstract This paper deals with the analytical design of an axial flux permanent magnet (AFPM) in-wheel synchronous motor for electric vehicles (EVs). AFPM motor is a pancake-type high torque density motor that fits perfectly the wheel of an automobile vehicle and that can, thus, be easily and compactly integrated into the wheel. Therefore, AFPM motor seems to be a better choice than radial flux permanent magnet (RFPM) motor for this kind of application. First, a design program of AFPM synchronous motors developed by the authors in Matlab environment is presented and validated by experimental results.This program is very simple to use and useful during the first stage of the design of a new motor in order to evaluate its performances and overall dimensions with reasonable accuracy (although more sophisticated methods, such as Finite Element Analysis (FEA), are required in more advanced phases of the design). In a second time, this program is used to design one of the four in-wheel motors of an urban EV. The results confirm that AFPM motor is a competitive choice for this application. Indeed, it meets all the requirements of the EV and fits perfectly the shape and size of a classical rim of an automobile vehicle wheel. Moreover, the results are compared with those obtained for a more conventional RFPM motor. This comparison shows that AFPM motor is a better choice than RFPM motor for in-wheel motor applications. Introduction Since Neodymium-Iron-Bore (NdFeB) permanent magnet (PM) materials were invented in 1980’s, PM machines are more and more used in large-scale industrial applications where other types of machines were preferred before. Moreover, this invention gave new possibilities for the use of axial field machines until then very limited in industrial applications. It was also found out that AFPM machines are a better choice or, at least, an alternative in some applications compared to RFPM machines [1] such as in-wheel motors for EV, wheelchair motors, generators dedicated to wind energy application, etc. The concept of in-wheel motors for EVs appeared in the 1990’s and in the last twenty years some attempts have been proposed. Several different types of motors have been considered. In 1994, Caricchi et al. [2] developed a slotless AFPM motor as an in-wheel motor to an electrical scooter. However, the slotless type stator is a strong limitation for traction applications where the motor is subjected to several types of stresses [3]. Then, in 1997, Bernot et al. [4] showed that in-wheel motors are a good solution to motorise heavy electrical vehicles, such as buses, but it leads to use two, four or six motorized wheels and power drives. The motor studied in that paper was a RFPM synchronous one with an inverted structure. In 2001, Tutelea and Ritchie [5] analyzed the design of a four wheels drive system for a small city car using induction motor (IM) with outer rotor. More recently, during the last

磁通切换永磁电机等效模型与控制策略分析

第13卷 第5期2009年9月   电 机 与 控 制 学 报 EL EC TR IC MACH I N ES AND CON TROL   Vol 113No 15Sep.2009 磁通切换永磁电机等效模型与控制策略分析 贾红云, 程明, 花为, 赵文祥 (东南大学伺服控制技术教育部工程研究中心,江苏南京210096) 摘 要:针对传统转子永磁型电机散热困难导致永磁体发生不可逆退磁、限制电机出力、减少功率 密度等问题,提出了一种定子永磁型磁通切换永磁(FSP M )电机,并对该电机结构特点与等效模型进行了分析,比较了定子磁场定向控制(SF OC )、直接转矩控制(DTC )及基于空间矢量调制的直接转矩控制(S VM 2DT C )三种控制方法在FSP M 电机上的应用效果。运用dSP ACE 的实验平台,对基于SF OC 的FSP M 电机驱动系统进行了实验研究。仿真与实验结果表明,采用SF OC 的FSP M 电机转矩脉动小、电流正弦度好以及低速性能优越,更适合于低速驱动领域的应用。关键词:磁通切换;定子永磁电机;等效模型;定子磁场定向;直接转矩控制 中图分类号:T M 351 文献标志码:A 文章编号:1007-449X (2009)05-0631-07 Equi valent model and control strategi es analysis for flux 2switchi n g per manent 2magnet motor J I A Hong 2yun, CHENG M ing, HUA W ei, ZHAO W en 2xiang (Engineering Research Center forMoti on Contr ol of MOE,Southeast University,Nanjing 210096,China ) Abstract:Traditi onal r ot or 2per manent magnet (P M )mot or cooling p r oble m s lead t o irreversible P M de 2magnetizati on li m iting the electrical out put capacity,reducing the power density and s o on .A ne w stat or 2per manent magnet flux 2s witching P M (FSP M )is put f or ward .Its configurati on and equivalent mathe matic model are analyzed,and three contr ol strategies,na mely stat or flux 2orientati on contr ol (SF OC ),direct t orque contr ol (DTC )and s pace vect or modulati on DTC (S VM 2DT C ),are compared for a FSP M mot or on app licati on effects,res pectively . Further more,the SF OC syste m is i m p le mented in a real 2ti m e dSP ACE contr ol p latf or m f or the experi m ental test of a p r ot otyped FSP M mot or drive .The si m ulated and experi m ental results indicate that the SF OC method has p ri or perfor mances including the sinus oidal phase current and l ow t orque and s peed pulsati ons,which is suitable f or the request of l ow s peed operati on .Key words:flux 2s witching;stat or per manent magnet mot ors;equivalent model;stat or flux 2orientati on;direct t orque contr ol 收稿日期:2009-04-14 基金项目:国家自然科学基金(50729702;50807007);航空科学基金(20080769007);江苏省2008年度研究生科技创新计划基金(CX08B_067Z )作者简介:贾红云(1979—),女,博士研究生,研究方向为新型电机驱动与控制; 程 明(1960—),男,教授,博士生导师,研究方向为电动车驱动控制技术、新能源发电技术、微特电机及测控系统等;花 为(1978—),男,博士,讲师,研究方向为新型电机设计与控制; 赵文祥(1976—),男,博士研究生,讲师,研究方向为永磁电机及其驱动系统的可靠性分析。 0 引 言 随着控制理论、永磁材料和电力电子技术的发 展,基于磁场定向控制(flux 2orientati on contr ol, F OC )、直接转矩控制(direct t orque contr ol,DT C )等先进控制算法的转子表面贴装式永磁(surface 2

SMC-Si钢组合铁心盘式横向磁通永磁无刷电机及其驱动控制研究

SMC-Si钢组合铁心盘式横向磁通永磁无刷电机及其驱动控制研 究 经济社会的快速发展在为我们的生活带来便利的同时,也造成了日益严峻的资源短缺、环境污染等问题。大力发展电动汽车是一种有效的解决途径。 对于电动汽车驱动电机,永磁无刷电机以其高效率、高功率密度、高转矩密度的优势得到了广泛的应用。为了提高永磁无刷电机在运行效率、功率密度和转矩密度等方面的性能,研究开发了各种不同结构的永磁无刷电机。 其中,盘式横向磁通永磁无刷电机(Disk Transverse-Flux Permanent Magnet Brushless Motor,简称 DTFM)综合了集中绕组电机、盘式电机以及横向磁通电机的优势,具有绕组端部短、容错能力高、转矩密度高、电磁负荷独立设 置的特点。但由于其定子铁心全部采用硅钢片或SMC制成,导致其齿槽转矩脉动大和空载反电动势过低的问题。 若通过硅钢片齿身和SMC齿靴的设计,将SMC和硅钢片相结合构成基于SMC-Si钢组合铁心的DTFM,能够有效地解决齿槽转矩脉动大和反电动势过低的 问题。另外,永磁无刷电机的控制算法普遍采用矢量控制技术。 但目前的矢量控制系统通用性差,对于不同的电机需要专门研制配套的矢量控制系统才能发挥其最佳性能。另外,控制器硬件电路的设计以及软件算法的合理性仍然有很大的提升空间。 本文在阐述DTFM和矢量控制技术的发展研究现状的基础上,首先,针对Si 钢铁心DTFM以及SMC铁心DTFM的缺陷,提出了一种基于SMC-Si钢组合铁心的DTFM,并详细分析了其结构特点及优越性;其次,对比分析了 SMC-Si钢组合铁心DTFM、Si钢铁心DTFM以及SMC铁心DTFM的齿槽转矩和空载反电动势,突出了

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