一种新型的定子分区磁通反向永磁电机外文翻译资料

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题 目一种新型的定子分区磁通反向永磁电机

一种新型的定子分区磁通反向永磁电机

最近，科学家提出了一个新的理论：磁通反向永磁电机是一种新的定子磁链反向永磁直线电机。文章介绍了电机的基本结构和工作原理，并对其主要设计参数进行了优化。一个周期模型适用于分析为了突出对机器性能的纵向边端效应的显著影响，特别是在偏磁电路和齿槽力。此外，该机与传统的FRPM电机相比，它的结论是，更高的推力，更少齿槽力并且最终更少推力脉动可通过该机获得。

索引词——磁通反向，直线电机，纵向端部效应，分区定子，永磁体，推力

1. 介绍

直线电机在需要直接驱动的领域中已成为有前途的选择。这是由于用直线电机可以实现直线运动，而不需要任何旋转的直线运动转换设备[1]。因此，系统结构得以简化，系统效率得意提高[2]，[3]。

永磁电机具有高功率密度、高效率、低维护等优点，是高能量的永磁材料产品[4]。由于永磁直线电机的特点，包括永磁旋转和直线电机，他们已经收到了大量的研究，并被应用在许多领域中。永磁直线电机可以设计不同的配置。在这些拓扑结构中，永磁直线电机，其中无论是永磁电机和电枢绕组放置在一台机器的一部分（无论是动或定子），和其他只是用铁制作的部分，是更可取的，因为他们结合了永磁电机和开关磁阻电机的优点。

作为上述机器的一种类型，FRPM磁通反向永磁电机的概念首先在[5]中提出。一般来说，FRPM具有许多优点，如结构简单、磁链双极性和高可靠性[6]。单相FRPM振荡机在[7]中被提出。据说该机可以提供高推力和效率。另一方面，[8]从旋转相对物方面介绍了三相线性机。因此，对绕组配置的影响和磁铁安排上的机械性能进行了研究。传统的FRPM电机已被修改[9]，通过引入一个突出齿间相邻的属于一个定子（或动子）齿磁铁。据报道，由于漏磁通减少，修改后的电机表现出较高的推力。另外，齿的磁铁磁化极性保持不变使机器制造更容易。然而，在上述的研究中，他们处理了单面FRPM电机。在[10]中，双面FRPM电机被设计出来与常规（单面FRPM）电机进行比较。得出的结论是，引进的电机具有较高的推力与较小的脉动。虽然所有提到的电机拥有一个强大的和简单的铁做的定子，但由于激发源放置在一个电机的一部分，磁性和电负荷之间的冲突可以被认为是他们的主要缺点。

为了克服这种局限性，本文提出了具有一个被动的动机和双主动定子FRPM电机的想法，其中每个定子只有一个激励源。因此，一个被命名为分区定子磁通反向永磁电机的新的拓扑结构将被开发和分析。本论文的主要工作如下：第2部分介绍了该电机的结构和工作原理，并在第3节给出了最大推力的机械优化设计。此外，在第4节中分析了纵向端部效应的影响。此外，第5节比较了所提出的电机和传统的FRPM电机。最后，结论在第6节得出。

1. 基本结构和工作原理

图1显示了PS-FRPM电机横截面。可以看出，该机由一个被动的动机和两个活跃的定子组成。动子是用只带有段结构的铁做的。另一方面，激励源，即永磁电机的绕组，它们位于不同的定子。因此，该电机具有较大的槽面积，这允许高负载和绕组电阻减少和铜损耗减少，从而提高了推力和效率。此外，对永磁电机的不可逆消磁风险由于磁铁从电枢绕组分开减少了。值得一提的是，集中绕组已经被应用，因为他们短端部绕组的优点。其结果是，铜的消耗减少了，因此可以实现减少铜损耗。

PS-FRPM电机的工作原理是基于磁通切换的幅度以及磁链的方向对动机的运动变化。

类似于旋转PS-FRPM机[12]，电度动子的位置可以由决定，、、分别是电角度上的动子位置，在机械度上的东子位置和动杆数。

根据图2，当动子从初始位置移动50度（图1b），电枢绕组的磁链由于永磁机将

图一 PS-FRPM电机的横截面

达到其最大的正面价值，而当动子从A点移动90度时磁链变为零。然后磁链在点C时将变为其负的最大值，当动子移动再90个电角度，再在点D最终成为零。

图二 PS-FRPM电机的磁链

1. 设计优化

通过固定设备总高度，在z方向的轴向长度、有效长度、电流密度、最大推力的全局优化上进行了在有限元分析基础上对遗传算法的援助。其他固定参数列于表1。主要参数说明见图3，而可变参数的定义列于表2。

表1 优化常数参数

图三 PS-FRPM电机参数示意图

1. 纵向末端效应对机械性能的影响

为了在所提出的电机的电磁性能中突出纵向端部效应的效果，一个周期模型，即

表2 为优化各参数的定义

没有纵向端效应，被采用。该模型的横截面如图4所示。值得一提的是，周期模型使用相同的全局优化参数的实际模型。

图四 周期模型横截面

图五 周期和实际电机的磁链比较

比较的有限元分析和实际周期机的电磁性能，磁链波形和频谱显示在图5。可以看出，周期性机器有几乎是对称的，平衡的磁链。相比之下，由于纵向的端部效应，实际的机器具有不对称和不平衡的磁链[13]。

图6比较了两模型的三相back-EMFs。显然，A相和C相比B相被纵向末端效应影响更多，因为A相和C相在定子端都有线圈。周期性机器的二次和三次谐波几乎都减少了。结果和[14]中得到的一致。

图六 back-EMF的周期和实际电机比较

图七 周期和实际电机的齿槽力对比

与旋转对应相类似，永磁直线电机遭受的开路力称为齿槽力。两槽效应和纵向边端效应导致齿槽永磁直线电机的力产生。由于他们比旋转对应具有较高的齿槽力[15][16]。为了研究电机齿槽力的纵向边端效应的影响，对齿槽力的模型进行了比较。周期模型的齿槽力类似于齿槽效应由于纵向边端效应并不在这个模型中存在，而齿槽力的纵向边端效应可以从得到，这里，分别是齿槽力的实践模型的力和周期模型的力，在图7中进行了比较。很明显，周期模型比实践模型具有更少的峰值齿槽力，也可以看出，该电机推力的主要脉动从纵向边端效应的齿槽力开始降低。

图8说明了实践模型和周期模型通过三相正弦电流时候的推力。很明显，实际电机与周期电机相比显示出了较低的推力，较高的脉动。因此，可以证实的是，由于端部效应齿槽力在推力脉动方面有主要贡献。

图八 周期和实际电机的推力比较

1. 提出的PS-FRPM电机与传统FRMP电机的比较

在这一节中，所提出的PS-FRPM电机和传统的FRMP电机将进行比较。

图九 传统FRPM电机的横截面

图十 传统FRPM电机参数示意图

如图9，为公平比较，传统的FRPM电机用提出的相同规格的电机设计。应该指出的是，在PS-FRPM电机处于全局优化情况下，FRPM电机也在相同的条件下优化。FRPM电机的主要设计参数示意图如图10，他们的定义列于表3。

表3 传统FRPM电机为优化各参数的定义

在表3中，SPH和TSH分别表明了定子磁极的高度和定子总高度。MBITH，MH，MTW，MSP分别代表动子背铁厚度，总高度，动齿宽和动槽间距。SPW被称为定子磁极，定子极距SPP则是分母。

图十一 传统和已提出FRPM电机机械推力变化的比较

图十二 传统和已提出的FRPM电机磁链比较

下面对两种永磁电机电磁性能的的厚度的影响进行了研究。图11在提出的电机和传统电机中比较了平均推力与永磁体厚度的变化。很明显，传统的机器有一个最佳的永久磁铁厚度，这个时候其平均推力是最大的，超出这个值它的性能会恶化。相比之下，对于提出的电机，其推力随着永久磁铁的厚度增加而增加。因此，可以得出结论：PS-FRPM电机具有高磁性负载、高推力能力的优点。

图十三 传统和已提出的FRPM的back-EMF比较

图十四 传统和已提出的FRPM电机齿槽力比较

图十五 传统和已提出的FRPM电机平均推力force-q-axis电流特性比较

图12和13显示了两种电机的磁链和A相back-EMF。可以观察到，较高的磁通联动可以由所提出的电机实现，因此PS-FRPM电机与传统的电机相比具有较高的back-EMF。此外，两种电机的齿槽力对比如图14。应该指出的是，传统的电机显示出较高的齿槽力。该电机具有比常规机更高的推力，如图15，,达到~60%额定电流如图16。

图十六 传统和已提出的FRPM电机推力比较

为了计算绕组电感，考虑了电枢磁场与永磁体磁场之间的交叉耦合关系。在负载条件下，该机的总磁通量等于永磁体和电枢磁链的总和，并且可以由[ 11 ]确定。，这里，，L和i分别是总磁链，空载时永磁体磁链，相电感和相电流。

根据d-q轴理论，基于d轴和q轴电感可以通过[17]来计算。，，这里，，，分别是d轴电感，q轴电感，在d轴电流下的磁链，在q轴电流下的磁链。

图十七 传统和已提出的FRPM电机的d、q轴电感比较

两种电机的d-q轴电感如图17。不同于旋转电机中的，和转子位置的很小的变化，可以忽略不计，电机的，随动子位置显著变化。应该注意的是，该电机与传统电机相比，显示较低的，。值得一提的是，在这两种电机的动子位置比的变化要小。

表4 传统和已提出的电机性能比较

表4总结了电机的性能。可以指出，和传统的电机相比，该电机具有更好的空载和负载性能。值得一提的是，两种电机的额定速度设置为1m/s。

1. 结论

本文开发了一种新型PS-FRPM电机。采用恒定电流密度，电机高度和主动长度条件，对电机进行了优化设计。为了研究纵向边端效应对PS-FRPM电机电磁性能的影响，采用虚拟周期模型与实际模型进行比较。结果表明，纵向边端效应对电机性能产生明显的影响，特别是对齿槽力和磁路的不对称和相关参数。此外，进行了所提出电机和传统电机之间相同规格和相同设计优化技术的比较。证明了与传统的FRPM电机相比，提出的PS-FRPM电机具有较高的推力的优点。

鸣谢

作者承认中国国家自然科学基金会的财政支持，以及玛丽-居里EDWTGT FP7欧盟研究国际研究人员交流计划。

参考文献

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[2].C. F. Wang, J. X. Shen, L. L. Wang, and K. Wang, “A novel permanent

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[3]. J. Zou, M. Zhao, Q. Wang, J. Zou, and G. Wu, “Development and

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excitation,” IEEE Trans. Industrial Electronics, vol.59, no.5, pp.2198-

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[4].A. Gandhi and L. Parsa, “Thrust optimization of a five-phase fault-

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[5].R. Deodhar, S. Anderson, I. Boldea, and T. J. E. Miller, “The flux-<!--

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