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新型结构永磁屏蔽电机三维磁场分析和电感计算倪有源;黄亚;赵亮【摘要】采用三维有限元方法对一台用于屏蔽泵系统的新型结构永磁屏蔽电机进行了分析与计算.电机无转子铁心,结构简单且无转子铁耗.由于绕组端部漏感较大,必须采用三维数值方法计算.首先对电机进行了三维磁场分析,接着采用三维瞬态有限元方法计算了屏蔽套的涡流损耗,然后运用能量摄动法计算出额定负载时电机各绕组不同转子位置角的自感和互感值,再通过坐标变换获得电机的交直轴电感值.最后对实际样机的电感参数进行测量,测量结果与计算结果的一致性验证了计算结果的正确性.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2015(030)001【总页数】7页(P98-104)【关键词】永磁屏蔽电机;三维有限元;涡流损耗;能量摄动法;电感计算【作者】倪有源;黄亚;赵亮【作者单位】合肥工业大学电气与自动化工程学院合肥 230009;工业节电与电能质量控制省级协同创新中心合肥 230601;合肥工业大学电气与自动化工程学院合肥 230009;合肥工业大学电气与自动化工程学院合肥 230009【正文语种】中文【中图分类】TM3511 引言管道屏蔽电泵具有低噪声、无泄漏、环保、外形美观、安装方便以及运行可靠等优点，可用于单管和双管供热系统和大型系统中的混合回路；也可适用于城市公寓、市郊别墅、住宅供水增压和热水循环，冷却系统和空调系统里的液体的循环、锅炉太阳能供水等不同领域。
屏蔽电泵的主体是屏蔽电机。
屏蔽电机是一种具有特殊结构的电机，其定转子结构与普通电机完全相同，但在定转子气隙中加入了定子屏蔽套和转子屏蔽套。
屏蔽套在电机运行的过程中会受到旋转磁场切割而产生涡流，产生涡流损耗[1-6]。
另外由于屏蔽套的引入，使得电机的工作气隙长度增大，电机的效率和功率因数都会受到一定的影响。
本文研究一种新型结构的永磁屏蔽电机，6 槽4极，无转子铁心，转子永磁，且极弧系数为1，结构简单且成本低，便于生产制造。
高速永磁爪极电机铁耗与空气摩擦损耗计算刘光伟;赵新刚;张凤阁;赵鑫;Wenping Cao【摘要】高速电机由于采用高频电源供电,铁心损耗较常规电机突出,且高速旋转引起的空气摩擦损耗亦非常严重.此外爪极电机磁路结构复杂且其磁通呈三维分布,因此需要考虑三维磁场、高频谐波和高速旋转等因素,针对该种高速电机损耗计算模型进行研究.首先通过三维有限元电磁仿真软件对该种电机的磁场分布特点进行分析;然后采用三维正交交变磁化近似等效旋转磁化建立铁耗计算模型,并考虑高频谐波对其影响,通过与有限元软件计算结果对比,验证了计算模型的准确性;此外针对转子转速、转子表面光滑度、轴向风速等因素对空气摩擦损耗的影响进行分析;最后通过实验验证了铁心损耗和空气摩擦损耗计算方法的准确性.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2015(030)002【总页数】7页(P148-154)【关键词】高速电机;永磁电机;爪极电机;铁耗;空气摩擦损耗【作者】刘光伟;赵新刚;张凤阁;赵鑫;Wenping Cao【作者单位】沈阳工业大学电气工程学院沈阳 110870;沈阳工业大学电气工程学院沈阳 110870;沈阳工业大学电气工程学院沈阳 110870;沈阳工业大学电气工程学院沈阳 110870;Queen's University Belfast Belfast BT9 5AH U.K.【正文语种】中文【中图分类】TM3511 引言高速电机作为高速驱动系统的核心部件，具有体积小、效率和功率密度高、一体化程度好等突出优点，已成为高端装备制造领域研究热点之一。
在飞轮储能系统、石化产品加工、高速机床主轴电机等领域应用前景广阔[1-3]。
高速永磁爪极电机（HPCM）不仅具有效率和功率密度高的特点，与同功率常规电机相比体积小、重量轻，此外该电机还继承了常规爪极电机所具有的结构简单和成本低等优点，该电机爪极部分采用软磁复合材料（Soft Magnetic Composite，SMC）制成，该材料具有低涡流损耗、各向同性、可加工成任意形状的优点，特别适合应用于高速爪极电机[4-6]。
爪极式永磁同步电机电容
爪极式永磁同步电机（Claw Pole Type PMSM）是一种类型的永磁同步电机，它的转子上
安装有爪形极，这些爪形极有助于提高电机的扭矩密度和效率。
在爪极式PMSM中，电容
器通常用于转子位置检测和控制系统中，它们在电机运行过程中起着重要作用。
电容器在爪极式PMSM中的应用主要包括：
1. 转子位置检测：在无刷直流电机（BDC）和PMSM中，电容器可以用于检测转子的位置。
这种方法通常称为电容式位置检测，它通过测量电容器两端的电压变化来确定转子的位置。
这种方法简单且成本较低，但精度可能受到电容器特性和外部干扰的影响。
2. 控制电路：在PMSM的控制系统中，电容器可以用于滤波、储能或耦合信号。
例如，电容器可以用于平滑电源电压的波动，或者在电路中提供额外的能量存储，以改善系统的动态响应。
3. 保护电路：电容器还可以用于保护电路，例如，通过限制电流或电压的峰值，以防止
电路过载或损坏。
在设计爪极式PMSM的电容器时，需要考虑电容器的额定电压、容值、频率特性和温度特性。
电容器的选择和布局对于确保电机性能和可靠性至关重要。
如果你需要更详细的信息或者有特定的问题，可以提供更多的上下文，我会尽力提供帮助。
基于ANSOFT的永磁球形电动机三维有限元分析作者：祝胜涛来源：《硅谷》2013年第03期摘要为了研究永磁球形电动机的运行性能，对电机的空载特性和带载启动特性进行了分析。
建立了永磁球形电动机三维有限元模型，对定子线圈进行分相。
仿真分析得出永磁球形电动机空载下自转磁阻转矩及自转反电势随时间变化的波形图并讨论了永磁球形电动机不同电机参数对自转反电势特性的影响；仿真还得到了带载情况下启动自转转速随时间的变化曲线。
仿真结果为进一步优化永磁球形电动机结构以及改善永磁球形电动机性能奠定了一定的理论基础。
关键词永磁球形电动机；有限元分析；启动特性；自转反电势中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）021-071-03近年来，随着永磁材料的发展和在电动机中的广泛应用，具有多个自由度的永磁球形电动机因其体积小、重量轻、力能指标高、控制简单等优点，成为多自由度电动机研究的热点。
目前，永磁球形电动机尚处于理论探索阶段，对磁场方面的研究主要局限于永磁球形电动机静态特性方面的研究，无法全面展现永磁球形电动机的性能，这也大大制约了球形电动机控制方面的研究进展。
本文对永磁球形电动机的空载特性及带载启动特性进行了研究。
1 永磁球形电动机运行原理永磁球形电动机的基本结构如图1所示，电机主体由半壳型定子和球形转子组成，沿球形转子赤道分布有呈N、S交替排列的永磁体，定子内壳上放有多层均匀分布的定子线圈。
当给永磁球形电动机的定子绕组通上电流时，转子永磁体自身的磁场与电磁感应生成的磁场会相互作用，由此产生的电磁力矢量主要由定子电流的幅值和球形电动机转子位置矢量来决定，即式中，是在球坐标下的转子位置矢量。
每个电磁力矢量都会在转子表面上产生一个切向电磁转矩矢量。
每个受到激励的定子线圈均会产生一个电磁转矩分量。
如果不计铁心饱和，总转矩矢量可以用定子各个通电线圈产生的转矩矢量线性叠加得到，则每个时刻的转矩总矢量表示为下式：式中，ik为第k个定子线圈的电流；n为当前时刻定子通电线圈的个数。
有限元软件在爪极交流发电机上的分析及应用有限元软件是目前应用相当广泛的一种分析和处理工具，它能够精确地模拟实际复杂系统，并进行参数优化和优化设计，因此在爪极交流发电机的分析和应用中得到了广泛的应用。
爪极交流发电机是一种直接驱动发电机，其中转子上的爪极（或称为嵌极）通过压缩定子上的电线圈生成电流。
与传统的通用型发电机相比，爪极交流发电机具有更高的效率和更低的损耗，是一种适用于小型和微型发电系统的理想选择。
在爪极交流发电机的设计过程中，有限元软件可用于进行有限元分析，主要包括结构分析和电磁分析两部分。
结构分析的目的在于确定转子和定子的设计参数和尺寸；而电磁分析则用于确定电流的大小和方向、磁通分布的形态等电磁参数。
在有限元分析中，转子被分为若干个小尺寸的有限元单元，每个有限元单元的参数可以通过计算求解得到。
有限元分析通过电磁场分析软件进行电磁特性计算，然后通过磁路分析软件进行磁路参数计算，最终通过数值计算得到整个发电机的电磁、结构特性。
此外，在仿真结果的基础上，可以根据需求进行参数调整和优化设计，从而得到更为优化的爪极交流发电机。
总之，有限元软件在爪极交流发电机上的应用已经得到广泛的认可，它具有高度精度、可靠性和灵活性等优点，成为现代科技领域中不可或缺的一部分。
在未来，有限元软件将继续在绿色能源领域中发挥重要的作用，为人们的生活和社会的发展做出贡献。
除了在爪极交流发电机的设计过程中应用有限元软件，有限元分析也可以用于发电机的运行状态监测和故障诊断。
通过有限元分析，可以得到发电机的机械参数、电磁参数和热力学参数等，从而判断发电机是否正常运行，并能够快速准确地定位故障的位置和原因。
一般来说，故障分析主要分为机械故障和电磁故障。
机械故障包括转子异步、轴承损坏、转子偏心等；电磁故障则包括转子短路、定子短路、绕组开路等。
通过有限元软件进行故障分析，可以提高故障定位的准确性和速度，从而降低故障排除的成本和时间，为工程师提供更加高效、精准的技术支持。
采用三维有限元设计高速爪极式永磁电机4 收稿日期:2006-12-26基金项目:国家自然科学基金资助(50477021)黄允凯1,2,胡虔生1,朱建国2(1.东南大学,南京210096;2.悉尼理工大学,澳大利亚悉尼,NS W 2007)摘 要:设计并制造了一台以采用软磁复合材料的爪极式永磁电机,结构复杂,通过三维有限元分析,对该电机的磁通、磁链、电感、转矩和铁耗等参数的计算提出了解决方法,通过与样机实验结果相比较,证明了所用方法的正确性,得到的结论对软磁复合材料的应用及爪极式电机的设计与分析都具有一定参考价值。
关键词:三维有限元;爪极式永磁电机;软磁复合材料;参数计算中图分类号:T M 355 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2007)07-0004-04D esi gn of a H i gh Speed C l aw -Pole Per manen tM agnetM otor by 3-D FEAHUAN G Yun -kai 1,2,HU Q ian -sheng 1,ZHU J ian -guo2(1.Southeast University,Nanjing 210096,China;2.University of Technol ogy,Sydney,NS W 2007,Australia )Abstract:The design of a three stack claw -pole per manent mot or with an s oft magnetic composite (S MC )core was p resented in this paper .Three -di m ensi onal (3D )finite ele ment analysis (FE A )of magnetic fields was used f or di m ensi on op ti m izati on,para meters and perf or mance calculati on .Considering the i m portance of core l oss f or the design of high s peed mot ors,r otati onal core l oss model was e mp l oyed in this paper .The p r ot otype and test results were discussed finally .The method and result p resented in this paper were useful t o the app licati on of S MC materials .Key words:3D FE A;cla w -pole per manent mot or;S MC material;para meters calculati on0引 言高速电机与普通电机相比较,具有功率密度大、几何尺寸小、转动惯量小、响应快等优点,可以直接与高速机械设备连接,省去了传统的机械变速装置,不但能减小机械噪声,还可以提高传动系统的效率。
由于电力电子技术、铁磁材料、轴承和计算机辅助设计技术的飞速发展,高速电机已广泛应用于航空航天、飞轮蓄能、电动工具、离心压缩机、微汽轮发电机等许多领域,转速从20000～200000r/m in,并且应用领域仍在不断扩大。
软磁复合材料采用粉末冶金技术制造,由表面绝缘的金属粉末颗粒组成,可以一步压制成具有复杂形状的部件,并具有涡流损耗小和良好的各向同性磁性能[1]。
高速电机由于工作频率较高,因此具有较大的铁耗,特别是涡流损耗,所以软磁复合材料适合用于高速电机中。
为了研究该材料的实际应用,本课题设计制造一台以S OMALOY T M500(一种软磁复合材料)为定子铁芯的高速爪极式永磁电机,额定数据为三相、4极、20000r/m in 、2k W 。
1电机结构三相爪极式永磁电机的定子由三个相同结构的部件彼此错开120°电角度而组成,每个部件由两个相同的带有爪极的法兰盘组成,如图1所示。
两个图1 爪极式永磁电机单部件示意图法兰盘相对放置,爪极相互交错,并沿圆周间隔分布,每一部件的爪极总数与电机极数相同,在两法兰盘之间嵌有单相集中绕组。
对此类电机的设计与分析常用的有等值磁路法[2]和等效二维磁场[3]法,这些方法虽然简单,但是都无法模拟爪极定子中完全三维结构的磁场,因此最有效的方法是三维磁场数值计算,在设计初期确定结构尺寸参数时,可以使用较大尺寸的剖分单元,以减少三维磁场计算量;在计算电机性能、优化结构时可采用较小尺寸的剖分单元以提高计算精度。
2三维磁场数值计算爪极式永磁电机各相之间不但在结构上没有联采用三维有限元设计高速爪极式永磁电机5 图2 磁场计算求解区域系,磁路上也没有关联,再鉴于电机结构的对称性,分析电机内磁场时只需考虑一个部件中的一个极距即可。
磁场计算模型如图2所示。
在两个径向平面施加半周期边界条件(采用三维极坐标系):φm (r ,Δθ2,z )=-φm (r,-Δθ2,-z )(1)式中:Δθ=90°为一个极距所占的机械角度。
2.1每极磁通图3是空载时定子磁密分布矢量图,主磁通路径为:从永磁体的北极→气隙→一个爪极→定子轭部→另一法兰上的相邻爪极→气隙→永磁体的南极→转子→永磁体的北极形成一个闭合路线。
计算每极磁通,可以在定子轭A -A ′线处作一个轴向切面,计算这个面上的磁通即是每极磁通。
图3 空载定子磁密分布矢量图2.2绕组磁链在电机旋转过程中,绕组磁链随转子的位置发生变化,并因此在绕组中产生感应电势(E MF );感应电势的频率取决于转子的转速,波形则取决于绕组磁链的波形对时间求导。
在爪极电机中,绕组磁链等于每极磁通乘以极数和绕组匝数,要获取磁链波形,就要在不同转子位置计算每极磁通。
为了保持定转子剖分在转子不同位置时保持一致,本文采用运动边界法,即沿电机气隙的中心线画两条完全重合的圆弧,将气隙一分为二,它们分别属于定子和转子。
在公共运动边界上,定转子网格重合,并且保证相邻节点圆周方向上间距相等,这样转子旋转后运动边界上的节点重合,保持了网格的连续性。
将一个极距范围分成12步后计算得到的单匝绕组磁链波形如图4所示。
图4 空载时单匝绕组磁链随转子位置变化波形2.3力和转矩采用虚位移法计算转子所受的电磁力,计算的精度与剖分的密度有很大关系,剖分越密精度越高。
力矩可以通过下式计算(Z 轴为旋转轴):T =ρNi =1(F y i x i -F x i y i )(2)式中:N 为转子上的单元总数,x i 、y i 为第i 个单元中心在直角坐标系中的x 、y 坐标,F x i 、F y i 为第i 个单元所受电磁力在x 、y 方向的分量。
2.4电感电感是影响永磁电机性能的重要参数之一,由于爪极式永磁电机各相磁路互无联系,所以各相线圈只有自感,没有互感。
电感的计算可以使用磁链法,或者能量法:L =λi=N φi (磁链法)(3)L =2W fi2 (能量法)(4)式中:λ和φ分别是当N 匝绕组中通入电流i 时的绕组中的磁链和磁通,W f 为整个电机中储存的磁场能量。
要注意的是,λ、φ和W f 应仅仅是由电流i 产生的,所以计算电感时应忽略永磁体的作用,可以将永磁体的矫顽力设为0。
本文采用能量法计算,因为有限元计算本身就是基于能量最小的原理,所以计算每个单元的磁场能量具有较高的精度。
在线圈中通入额定电流时,计算结果如表1所示,从中可以看到,线圈自感几乎不随转子位置发生改变。
此外由绕组电流产生的电枢磁场对永磁体的影响也非常小,可以忽略不计。
表1 单匝线圈自感及永磁体中的电枢反应转子位置/(°)每匝线圈自感/μH 永磁体中最大B 值/T00.2600.07450.2590.07900.2590.072.5铁耗由于工作频率较高,铁耗在高速电机损耗中占很大比例,因此准确计算铁耗是高速电机设计的重要方面。
爪极式永磁电机由于是三维磁路,无法借鉴传统在硅钢片电机中计算铁耗的经验系数,本文采用旋转铁耗模型[4],通过三维有限元精确计算。
交变磁化下,铁耗分解成三部分计算:P alt =P ah +P ae +P aa =K ah fB hm +K ae (fB m )2+K aa (fB m )32(5)式中:P ah 、P ae 、P aa 分别是交变磁化下的磁滞损耗、涡流损耗和异常损耗。
K ah 、K ae 、K aa 为相应损耗的计算系数,h 为待定指数,B m 为磁密幅值。
旋转磁化下,铁耗也分解成三部分计算:P rot =P rh +P re +P aa =P rh +K re (fB m )2+K ra (fB m )32(6)采用三维有限元设计高速爪极式永磁电机6 流损耗和异常损耗。
K re 、K ra 为相应损耗的计算系数。
旋转磁化下的磁滞损耗与交变磁化下的磁滞损耗有很大的不同,在磁密未饱和区域,它几乎是交变磁滞损耗的两倍,而在饱和区域,它又会迅速减小到0,为此可采用下式来表示旋转磁滞损耗[4]:P rh f =a 11sa 2+1s2+a 23-12-sa 2+12-s2+a 23(7)s =1-B m B s1-1a 22+a 23(8)式中:a 1、a 2、a 3、B s 都是系数,它们连同前面提到的各种损耗系数都是要通过铁磁材料在交变和旋转磁化下的实验来获得。
在二维铁耗测试仪上对S O 2MALOY T M500进行实验,经计算得到各项系数为K h =0.1402,h =1.548,K e =1.233×10-5,K a =3.645×10-4,K re =2.303×10-4,K ra =0,a 1=6.814,a 2=1.054,a 3=1.445,B s =2.134T 。
在爪极式永磁电机中,定子某一位置上的磁化方式通常是椭圆形的,图5是定子轭部一个典型单图5 定子轭部一典型单元的磁密变化轨迹图元的磁密轨迹。
椭圆形磁化方式下铁耗采用式(9)计算:P fe =R B P rot +(1-R B )2P alt(9)其中:R B =B m in B maj,B maj 和B m in 分别是椭圆形轨迹中的长轴和短轴。
铁耗计算采用时步法有限元,计算定子每一个单元的铁耗再累加得到电机铁耗。
图6是空载时额定转速下计算得到的定子铁耗图6 空载时定子铁耗分布图分布图,可以发现爪极的铁耗较定子其他部分要大,这是由于这个区域的磁场变化幅度较大所导致的。
