永磁同步电机故障诊断分析英文材料

永磁同步电机故障诊断分析英文材料
永磁同步电机故障诊断分析英文材料

3676IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,VOL.46,NO.9,SEPTEMBER 2010

Stator Slotting Effect on the Magnetic Field Distribution of Salient Pole

Synchronous Permanent-Magnet Machines

Gurakuq Dajaku 1and Dieter Gerling 2

FEAAM GmbH,D-85577Neubiberg,Germany

Institute for Electrical Drives,University of Federal Defense Munich,D-85577Neubiberg,Germany

This paper deals with a new analytical method for determining the air-gap ?ux density of salient pole synchronous permanent-magnet (PM)machines including the stator slotting effect.The approach to analyze the air-gap ?ux density based on the new model is to deter-mine the air-gap magnetomotive force (MMF)and the ?ux-path permeance function.We determine the ?ux-path permeance function,which includes the stator slotting effect,by using a simple magnetic reluctance network that takes into account the geometry of the machine and the material https://www.360docs.net/doc/fc8769402.html,ing the new model with stator slotting,we calculate the air-gap ?ux density distribution of different electric machines using ?nite-element methods to prove the accuracy of the new model.

Index Terms—Air-gap ?ux density,analytical solution,?nite-element method (FEM),?ux-path permeance,permanent-magnet (PM)machine,stator slotting effect.

I.I NTRODUCTION

P

ERMANENT-MAGNET synchronous machines (PMSMs)gain more and more importance for spe-cial drive applications.Up to recent years,PMSMs were known for small drives,e.g.,for servo applications.In the last years,PMSMs have been increasingly applied in several areas such as traction,automobiles,etc.This type of electrical machines offer many advantages,including a high power-to-weight ratio,constant power over a wide speed range,and high ef?ciency.Magnetic ?eld analysis in PM machines is an important pre-requisite for the prediction of machine parameters,electromag-netic torque,radial forces,and so on.In particular,accurate knowledge of the ?ux density distribution in the air-gap is es-sential for the accurate prediction of the motor performances.Magnet con?guration,magnetization direction,air-gap length,and the number of the pole and slot combination have signi?cant effects on the ?ux density distribution in the air-gap.Further,the presence of stator or rotor slots have a large in?uence on the air-gap magnetic ?eld distribution and therefore on the electro-magnetic torque.The consequences can be cogging torque and torque ripples causing vibration,noise,and speed ?uctuation.Therefore,the detailed knowledge of the ?eld distributions in the air-gap is of main importance for predicting and optimizing the performance of PM machines.

Of course as well known,slotting in?uences the magnetic ?eld in two ways.First,it reduces the total ?ux per pole,an effect which is usually accounted by introducing the Carter co-

ef?cient into the calculation.Second,it affects the distribu-tion of the ?ux density in the air-gap of the electric machines.Therefore,the slotting effect is important to be taken into ac-count during determination of the air-gap ?ux density.

Manuscript received February 26,2010;revised April 09,2010;accepted April 15,2010.Date of publication May 03,2010;date of current version Au-gust 20,2010.Corresponding author:G.Dajaku (e-mail:Gurakuq.Dajaku@unibw.de).

Color versions of one or more of the ?gures in this paper are available online at https://www.360docs.net/doc/fc8769402.html,.

Digital Object Identi?er 10.1109/TMAG.2010.2049269

The air-gap magnetic ?eld with slotting effects can be eval-uated by a variety of techniques including analytical or semi-analytical methods as well as numerical techniques like ?nite elements or boundary integral methods.Finite elements give accurate results considering geometric details and nonlinearity of magnetic materials.However,this method is computer time consuming and poorly ?exible for the ?rst step of design stage of electrical machines.Analytical methods are useful tools for ?rst evaluation of electrical motors performances and for de-sign optimization since continuous derivatives issued from the analytical solution are of great importance in most optimization methods.A signi?cant number of publications on the analytical solution of the air-gap magnetic ?eld in slotted machines can be found in the literature,e.g.,[1]–[17].

Two analytical methods are mainly developed for modeling the stator slotting effect.The ?rst one concerns the use of con-formal mapping to consider slotting effects [1]–[7],and the ac-tual air-gap ?ux density is calculated by multiplying the rela-tive permeance function with the radial ?ux density of a slotless motor.This method has an important drawback since it is as-sumed that the slot width is much smaller than its height.Fur-thermore,even though this method gives information about the air-gap ?ux density ?uctuation due to stator slotting,it doesn’t take correctly into consideration the slotting effect.The reason is that the magnetic ?eld and the slotting effect are determined separately and for different conditions.The second method con-sists of analytical solution of Laplace or Poisson equations in the different sub-domains (magnet,air-gap and slots)by ap-plying the boundary conditions on the interface between sub-do-mains [8]–[13].However,these models are not able to pro-vide an accurate evaluation of air-gap ?ux density if the both stator and rotor slotting have to be considered.Also as will be shown later,the rotor saliency effect on the stator slotting isn’t considered in these works.On the other hand,different from [1]–[13],in [14]–[17]another modeling way for the stator slot-ting is used;the slotting effect is taken into consideration during derivation of the total permeance function for the magnetic ?ux path.However,even this modeling procedure describes accu-rately the air-gap permeance taking into account the stator and

0018-9464/$26.00?2010IEEE

DAJAKU AND GERLING:TATOR SLOTTING EFFECT ON THE MAGNETIC FIELD DISTRIBUTION OF SALIENT POLE SYNCHRONOUS PM MACHINES

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Fig.1.(a)Simple PM machine with inset magnet in the rotor.(b)The corre-sponding?ux-path permeance function.

rotor slotting,it leads to an excessively complex expression for the total permeance function and therefore the obtained total air-gap permeance isn’t suitable for further mathematical op-eration during determination of the air-gap?ux density and also other parameters of electrical machines.

Therefore,in[18]a new and simple calculation model for the analysis of the salient pole PM machines is developed and pre-sented which is validly for different winding and rotor topolo-gies.The approach to analyze the air-gap?ux density based on the new model is to determine the air-gap magnetomotive force(MMF)and the?ux path permeance function.The air-gap MMF is described with the well-known Fourier series func-tion,however,the?ux-path permeance function is determined using a simple magnetic reluctance network.Determination of the air-gap?ux density with the new model considers the MMF harmonics and the rotor permeance harmonics.However,the stator slotting effect is neglected during this analysis.Therefore, the aim of this work was further to improve the new mathemat-ical model developed in[18]considering the stator slotting ef-fect during calculation of the air-gap?ux density.In analogy to [14]–[17]the stator slotting effect is considered during determi-nation of the total permeance function,however using a simple approximation.Further,the new model is valid for smoothed and saliency rotor topologies and also is useful for determining the air-gap?ux density due to stator and rotor excitation.The new analytical model with the stator slotting shows that for the electric machine with saliency rotor topology,the stator slotting effect over the rotor teeth and rotor slot region is different. II.A IR-G AP F LUX D ENSITY OF PM M ACHINES U SING THE

N EW C ALCULATION M ODEL

A simple two-pole PM machine with inset magnets in the rotor core is illustrated in Fig.1(a).However,Fig.1(b)shows the variation of the magnetic?ux-path permeance along the cir-cumferential direction for the given machine.During the?rst approximation of the permeance function,the stator slotting ef-fect is neglected.

According to[18],the approach to determine the air-gap?ux density based on the new model is to determine the air-gap mag-netomotive force(MMF)and the?ux path permeance function

as

(1)

Fig.2.Winding MMF distribution.(a)Distributed winding with q=2.

(b)Concentrated winding with q=0:4.

where is the?ux-path permeance

function,is

the air-gap MMF,

and is the angular displacement along the

stator circumference.The factor“2”in(1)is used to take into

consideration the magnetic coupling between the?ux density of

neighbor poles.

A.Air-Gap Magnetomotive Force(MMF)

For the PM machine,the air-gap MMF consists of two

components:stator MMF(current excitation)and rotor MMF

(magnet?ux).

Stator MMF.When the winding distribution is known,the

MMF created by the current can be described using the Fourier

series function.The MMF characteristics for different winding

types are widely studied in many literatures,e.g.,[20]to[22].A

general expression for the MMF distribution is presented in the

following(2).However,Fig.2show the MMF distribution and

corresponding space harmonics for two different winding

types.

(2)

where is number of

phases is the number of turns

per phase,is stator current(peak

value),is the load

angle,

is the angular

frequency,is the MMF space harmonic,

and

is the winding factor.

Rotor MMF;By the PM machines there are a lot of rotor

topologies that can be used and therefore the rotor MMF dis-

tribution depends on the rotor topology and also on the magne-

tization direction of the magnets.For a simple PM machine with

inset magnets in the rotor as is shown in the Fig.3(a)the rotor

MMF distribution is illustrated in Fig.3(b).A general expres-

sion for the rotor MMF distribution is presented in the following

(3):

(3)

where

and are space harmonics and corresponding am-

plitudes for the rotor MMF.

永磁同步电机的原理及结构

. . . . 第一章永磁同步电机的原理及结构 1.1永磁同步电机的基本工作原理 永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相电流,在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场,由于在转子上安装了永磁体,永磁体的磁极是固定的,根据磁极的同性相吸异性相斥的原理,在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转,最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等,所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步启动的研究阶段中,电动机的转速是从零开始逐渐增大的,造成上诉的主要原因是 其在异步转矩、永磁发电制动转矩、 矩起的磁阻转矩和单轴转由转子磁路不对称而引等一系列的因素共同作用下而引起的,所以在这个过程中转速是振荡着上升的。在起 动过程中,质的转矩,只有异步转矩是驱动性电动机就是以这转矩来得以加速的,其 他的转矩大部分以制动性质为主。在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时,在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速,而出现转速的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后,最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。 1.2永磁同步电机的结构 永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。一般来说,永磁同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似,主要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构,在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择,所以永磁同步电机通常会被分为三大类:内嵌式、面贴式以及插入式,如图1.1所示。永磁同步电机的运行性能是最受关注的,影响其性能的因素有很多,但是最主要的则是永磁同步电机的结构。就面贴式、插入式和嵌入式而言,各种结构都各有其各自的优点。

极槽配合对永磁同步电机性能的影响_新(技术相关)

极槽配合对永磁同步电机性能的影响 摘要:永磁同步电机由于具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转动惯量小、过载能力强,运行可靠等特点,在家用电器、医疗器械和汽车中得到广泛使用。永磁同步电机的齿槽转矩会引起输出转矩的脉动和噪声,不平衡径向电磁力则是电机的主要噪声源。本文着重研究极槽配合对永磁同步电机性能的影响,主要包括齿槽转矩和径向电磁力两个方面。详细介绍了齿槽转矩和径向电磁力的相关原理,并通过仿真对8极9槽和8极12槽两种极槽配合的电机进行分析比较,验证了相关的理论的正确性,最后得出电机设计中应综合考虑齿槽转矩、径向电磁力等相关因素合理选择极槽配合。 关键词:极槽配合;齿槽转矩;永磁同步电机;径向力 Influence of Pole-Slot Combination on The Performance of Permanent Magnet Synchronous Motor Abstract: Permanent magnet synchronous motor has simple structure, small volume, high efficiency, high power factor, small moment of inertia, strong overload capacity, reliable operation, widely used in household appliances, medical equipment and vehicles. Cogging torque will cause output torque ripple and noise of PMSM ,And unbalanced radial electromagnetic force is the main reason of noise of motor. In this paper,we focuses on the research of pole-slot combination effects on the performance of PMSM, including two aspects:the cogging torque and radial electromagnetic force. The relevant principles of the cogging torque and radial electromagnetic force were introduced in detail, and through the simulation of 8 poles 9 slots and 8 poles 12 slots motors,the two kinds of pole-slot combination motor were analyzed and compared, verified the related theory.Finally, we conclude that the cogging torque and radial electric force and so on related factors should be considered into the motor design when selecting reasonable pole-slot combination. Key words: pole-slot combination; cogging torque;PMSM; radial force 1引言 永磁同步电机结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转动惯量小、过载能力强,运行可靠,且其

交流永磁同步电机结构与工作原理

交流永磁同步电机结构与工作原理 2。1。1交流永磁同步电机得结构 永磁同步电机得种类繁多,按照定子绕组感应电动势得波形得不同,可以分为正 弦波永磁同步电机(PMSM)与梯形波永磁同步电机(BLDC)【261.正弦波永磁同步电机 定子由三相绕组以及铁芯构成,电枢绕组常以Y型连接,采用短距分布绕组;气隙场 设计为正弦波,以产生正弦波反电动势;转子采用永磁体代替电励磁,根据永磁体在 转子上得安装位置不同,正弦波永磁同步电机又分为三类:凸装式、嵌入式与内埋式。 本文中采用得电机为凸装式正弦波永磁同步电机,结构如图2一l所示,定子绕组一 般制成多相,转子由永久磁钢按一定对数组成,本系统得电机转子磁极对数为两对, 则电机转速为n=60f/p,f为电流频率,P为极对数。

图2一l凸装式正弦波永磁同步电机结构图 目前,三相同步电机现在主要有两种控制方式,一种就是她控式(又称为频率开环 控制);另一种就是自控式(又称为频率闭环控制)[27】。她控式方式主要就是通过独立控 N#l-部电源频率得方式来调节转子得转速不需要知道转子得位置信息,经常采用恒压 频比得开环控制方案。自控式永磁同步电机也就是通过改变外部电源得频率来调节转子 得转速,与她控式不同,外部电源频率得改变就是与转子得位置信息就是有关联得,转子

转速越高,定子通电频率就越高,转子得转速就是通过改变定子绕组外加电压(或电流) 频率得大小来调节得。由于自控式同步电机不存在她控式同步电机得失步与振荡问 题,并且永磁同步电机永磁体做转子也不存在电刷与换向器,降低了转子得体积与质 量,提高了系统得响应速度与调速范围,且具有直流电动机得性能,所以本文采用了 自控式交流永磁同步电机.当把三相对称电源加到三相对称绕组上后,自然会产生同 步速得旋转得定子磁场,同步电机转子得转速就是与外部电源频率保持严格得同步,且 与负载大小没关系. 2。1.2交流永磁同步电机得工作原理 本系统采用得就是自控式交直交电压型电机控制方式,由整流桥、三相逆变电路、 控制电路、三相交流永磁电机与位置传感器构成,其结构原理图如图2-2所示.在 图2-2中,50HZ得市电经整流后,由三相逆变器给电机得三相绕组供电,三相对称 电流合成得旋转磁场与转子永久磁钢所产生得磁场相互作用产生转矩,拖动转子同步

调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析

调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比,永磁同步电动机具有结构简单,运行稳定;功率 密度大;损耗小,效率高;电机形状和尺寸灵活多变等显著优点,因此在航空航 天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降,越来越多的直流电 动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代,变频调速 永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电 动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另 一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变 频器频率的逐步升高来起动,在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell 软件中的RMxprt 模块进行了一种调速永磁同步电 动机的电磁设计,并对电机进行了性能和参数的计算,然后将其导入到Maxwell 2D 中建立了二维有限元仿真模型,并在此模型的基础上对电机的基本特性进行 了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子 冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 永磁同步电动机的效率η、功率因数cos ?、起动转矩st T 和最大转矩max T 。本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下: 额定数据 数值 额定功率 N 30kw P = 相数 =3m 额定线电压 N1=380V U 额定频率 =50Hz f 极对数 =3p 额定效率 N =0.94η 额定功率因数 N cos =0.95? 绝缘等级 B 级 计算额定数据:

永磁同步电机失磁故障的对策分析

永磁同步电机失磁故障的对策分析 1.引言 永磁同步电机由于其结构简单、运行可靠、损耗少、功率密度高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点,应用范围极为广泛,遍及航空航天、国防、工农业和产和日常生活的各个领域。目前,永磁电机的应用领域仍在不断的拓展,风力发电、电动汽车等新能源领域也在大量使用永磁电机。因此,为了确保像电动汽车这样的应用系统以及其它对可靠性要求更高的应用领域的安全性,必须重视永磁同步电动机运行的可靠性和稳定性。 嵌入电机内的永磁体是永磁同步电机重要的结构部件,它的磁性能直接影响永磁同步电机的效率、性能和可靠性。在温度、电枢反应及机械振动等因素影响下,嵌入电机内的永磁体可能会产生不可逆失磁,使电机性能急剧下降,甚至有可能导致电机停转,对于像电动汽车这样的应用系统,永磁电机的突然失磁是非常危险的。因此,分析永磁同步电机的永磁体磁性能及失磁故障,对电机安全高效运行具有十分重要的意义[1][2]。 2.国内外研究现状 近年来,国内外对永磁材料的失磁机理和永磁同步电机的失磁故障进行了广泛的研究。文献[3]对稀土永磁材料的交流失磁现象进行研究,总结出稀土永磁材料表面磁感应强度在不同频率的交变磁场作用下随时间的变化规律。文献[4]针对稀土永磁同步电机在运行一段时间后性能下降这一现象,分析了引起电机失磁的原因,提出了在检修和运行中避免失磁的一些有效方法。文献[5]提出了一种基于卡尔曼滤波器的永磁同步电机永磁体磁场状况在线监测方法。文献[6][7]中通过建立参数模型或有限元模型来研究电机的失磁故障,提出了一些对永磁同步电机失磁故障的监测方法。文献[10]对失磁故障原因进行了全面的分析,提出了离线和在线检测方法。基于永磁体磁场状况的动态监测,可防止永磁电机失磁状况的恶化,降低不可逆失磁程度。文献[13]提出一种改进的反电势法,可用于永磁体磁链估计。 3.永磁同步电机失磁的发生 任何磁性材料都存在材料自身的磁性能稳定问题。永磁材料也具有失磁特

永磁同步电动机结构原理3D

永磁同步电动机 这些年永磁同步电动机得到较快发展,其特点是功率因数高、效率高,在许多场合开始逐步取代最常用的交流异步电机,其中异步起动永磁同步电动机的性能优越,是一种很有前途的节能电机。 永磁同步电动机的定子结构与工作原理与交流异步电动机一样,多为4极形式,三相绕组按3相4极布置,通电产生4极旋转磁场。下图是有线圈绕组的定子.如下示意图1。 图1定子铁芯与绕组 如下图2是电机机座与定子。 图2机座与定子

永磁同步电动机与普通异步电动机的不同是转子结构,转子上安装有永磁体磁极,图3左就是一个安装有永磁体磁极的转子,永磁体磁极安装在转子铁芯圆周表面上,称为凸装式永磁转子。磁极的极性与磁通走向图3右,这是一个4极转子。 图3凸装式永磁转子 根据磁阻最小原理,也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合,利用磁引力拉动转子旋转,于是永磁转子就会跟随定子产生的旋转磁场同步旋转。 图4左是另一种安装有永磁体磁极的转子,永磁体磁极嵌装在转子铁芯表面,称为嵌入式永磁转子。磁极的极性与磁通走向见图右,这也是一个4极转子。 图4嵌入式永磁转子铁芯1

图5右是一种嵌入式永磁转子,永磁体嵌装在转子铁芯内部,为防止永磁体磁通短路,在转子铁芯开有空槽或在槽内填充隔磁材料。磁极的极性与磁通走向见下右图,这也是一个4极转子。 图5嵌入式永磁转子铁芯2 下图6为装上转轴的嵌入式永磁转子 图6嵌入式永磁转 转子铁芯两侧装上风扇然后与定子机座组装成整机,见下图7。

图7永磁同步电动机剖面图 这种永磁同步电动机不能直接通三相交流的起动,因转子惯量大,磁场旋转太快,静止的转子根本无法跟随磁场旋转。这种永磁同步电动机多用在变频调速场合,启动时变频器输出频率从0开始上升到工作频率,电机则跟随变频器输出频率同步旋转,是一种很好的变频调速电动机。 通过在永磁转子上加装笼型绕组,接通电源旋转磁场一建立,就会在笼型绕组感生电流,转子就会像交流异步电动机一样起动旋转。这就是异步起动永磁同步电动机,是近些年开始普及的节能电机。如下图8为永磁转子铁芯 图8笼型绕组永磁转子铁芯 笼型转子有焊接式与铸铝式:在转子每个槽内插入铜条,铜条与转子铁芯两侧的铜端环焊接形成笼型转子;与普通交流异步电动机一样采用铸铝式转子,将熔化的铝液直接注入转子槽内,并同时铸出端环与风扇叶片,是较廉价的做法,下图9是一个铸铝式笼型转子。

永磁同步电机匝间短路故障在线检测方法

第37卷第3期2018年3月 电工电能新技术 AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergy Vol.37,No.3Mar.2018 收稿日期:2017?03?29 作者简介:彭一伟(1991?),男,重庆籍,硕士研究生,研究方向为电动汽车用交流电机的控制; 赵一峰(1979?),男,陕西籍,研究员,研究方向为电动汽车用交流电机的控制三 永磁同步电机匝间短路故障在线检测方法 彭一伟1,2,赵一峰1,3,4,王永兴1,3,4,关天一1,2 (1.中国科学院电工研究所,北京100190;2.中国科学院大学,北京100049; 3.中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室,北京100190; 4.电驱动系统大功率电力电子器件封装技术北京市工程实验室,北京100190) 摘要:本文提出了简单的永磁同步电机(PMSM)匝间短路故障在线检测方法三首先对不同状态PMSM定子电流谐波成分展开分析,提出一个融合了-fe及?3fe谐波成分的故障特征量Ft三针对采用快速傅立叶变换方法计算特征量实时性差的问题,在连续细化傅立叶变换方法基础上引入布莱克曼窗,从而改善了连续细化傅立叶变换方法的幅值辨识精度,实现了故障特征量快速且准确的求取三仿真及实验结果表明,特征量Ft能够正确反映PMSM匝间短路故障是否发生,本文提出的在线检测方法在不增加任何硬件设备的基础上实现了PMSM匝间短路故障的检测三关键词:永磁同步电机;匝间短路故障;故障特征量;在线检测;连续细化傅立叶变换 DOI:10 12067/ATEEE1703103一一一文章编号:1003?3076(2018)03?0041?08一一一中图分类号:TM351 1一引言 永磁同步电机(PMSM)具有高转矩/惯量比二高功率密度二高效率二响应快等优点三近年来,随着永磁性能不断提高,PMSM在电动汽车中的应用越来越广泛[1]三永磁同步电机在长期运行的过程中不可避免会出现各种故障,严重影响其在电动汽车应用中的可靠性和安全性三永磁同步电机驱动系统中,由匝间短路引起的定子绕组故障是最为常见的故障之一[2]三在早期的匝间短路故障阶段,电机仍然可以正常运行,然而由于大的短路电流的存在,短路回路会产生大量热量,从而引起更多的绝缘失效三因此,早期匝间短路故障的检测对于避免驱动系统失效二避免危害人身安全具有十分重要的作用三目前,已有许多学者展开了永磁同步电机定子 故障检测方面的工作[3?11]三这些研究主要包括基于磁通密度传感器的方法[3]二基于测得的定子电压和电流构建状态观测器的方法[4]二基于频域及时频分析工具的定子电流特征分析的方法[5?10]二智能控制(如人工神经网络)方法[11]等故障检测方案三其中,定子电流特征分析方法因其低成本而受到国内 外学者最广泛的关注三文献[5]提出将负序电流幅值作为反映匝间短路故障严重程度的特征量,并采用负序dq轴结合低通滤波器的方案成功提取出负序电流幅值三文献[6]利用傅立叶变换的方法对定子电流信号进行分析,通过对比正常电机和故障电机定子电流频谱,指出故障电机定子电流3次谐波含量增加,故以此作为故障的判定依据三文献[7]在文献[6]的基础上提出以q轴2次谐波幅值为特征量代替定子电流3次谐波电流的提取,简化了故障检测算法三傅立叶变换将原有电流信号从时域变换到频域进行分析,难以应对系统非线性工况下的特征量提取三针对这一问题,文献[8,9]分别采用离散小波变换(DWT)和小波包变换对动态情况下匝间短路故障的定子电流进行分析三仿真和实验结果表明,该方法在电机变速二中速二低速二高速情况下,根据3次谐波所在频段能量进行分析均可判定短路故障是否发生三文献[10]采用经验模态分解(EMD)方法对定子电流进行分析,得到一个本征模态函数IMF的集合,然后用时频分析方法对包含故障谐波的模态进行分析得到故障对应的瞬时频率,仿真和实验表明了该诊断方法的有效性三时频分析

永磁同步电机的原理及结构

完美格式整理版 第一章永磁同步电机的原理及结构 1.1永磁同步电机的基本工作原理 永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相电流,在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场,由于在转子上安装了永磁体,永磁体的磁极是固定的,根据磁极的同性相吸异性相斥的原理,在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转,最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等,所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步启动的研究阶段中,电动机的转速是从零开始逐渐增大的,造成上诉的主要原因是 其在异步转矩、永磁发电制动转矩、 矩起的磁阻转矩和单轴转由转子磁路不对称而引等一系列的因素共同作用下而引起的,所以在这个过程中转速是振荡着上升的。在起 动过程中,质的转矩,只有异步转矩是驱动性电动机就是以这转矩来得以加速的,其 他的转矩大部分以制动性质为主。在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时,在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速,而出现转速的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后,最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。 1.2永磁同步电机的结构 永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。一般来说,永磁 同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似,主要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构,在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择,所以永磁同步电机通常会被分为三大类:内嵌式、面贴式以及插入式,如图1.1所示。永磁同步电机的运行性能是最受关注的,影响其性能的因素有很多,但是最主要的则是永磁同步电机的结构。就面贴式、插入式和嵌入式而言,各种结构都各有其各自的优点。

调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析

调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比,永磁同步电动机具有结构简单,运行稳定;功率密度大;损耗小,效率高;电机形状和尺寸灵活多变等显著优点,因此在航空航天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降,越来越多的直流电动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代,变频调速永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动,在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell软件中的RMxprt模块进行了一种调速永磁同步电动机的电磁设计,并对电机进行了性能和参数的计算,然后将其导入到Maxwell 2D中建立了二维有限元仿真模型,并在此模型的基础上对电机的基本特性进行了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 T。本例所永磁同步电动机的效率η、功率因数cos?、起动转矩st T和最大转矩max 设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下: 计算额定数据:

(1) 额定相电压:N 220V U U == (2) 额定相电流:3 N N N N N 1050.9A cos P I mU η??== (3) 同步转速:160=1000r /min f n p = (4) 额定转矩:3 N N 1 9.5510286.5N m P T n ?==g 2.2 主要尺寸和气隙长度的确定 永磁电机的主要尺寸包括定子内径和定子铁心有效长度,它们可由如下公式 估算得到: 2 i11P D L C n '= N N N cos E K P P η?'=, 6.1p Nm dp C K K AB δ α=' 式中,i1D 为定子内径,L 为定子铁心长度,P '为计算功率,C 为电机常数。 E K 为额定负载时感应电势与端电压的比值,本例取0.96;p α'为计算极弧系数, 初选0.8;Nm K 为气隙磁场的波形系数,当气隙磁场为正弦分布时等于1.11;dp K 为电枢的绕组系数,初选0.92。A 为电机的线负荷,B δ为气隙磁密,A 和B δ的 选择非常重要,直接影响电机的参数和性能,应从电机的综合技术经济指标出发 来选取最合适的A 和B δ值,本例初选为200A/cm,0.7T A B δ==。 由上式可初步确定电机的2i1D L ,但要想进一步确定i1D 和L 各自的值,还应选择主要尺寸比i1i122L L pL D D p λπτπ===,其中τ为极距。通常,中小型同步电动机的0.6~2.5λ=,一般级数越多,λ也越大,本例初选1.4。 永磁同步电动机的气隙长度δ一般要比同规格的感应电动机的气隙大,主要 是因为适当的增加气隙长度可以在一定的程度上减小永磁同步电动机过大的杂 散损耗,减低电动机的振动与噪声和便于电动机的装配。所以设计永磁同步电动 机的气隙长度时,可以参照相近的感应电动机的气隙长度并加以适当的修改。本 例取=0.7mm δ。 确定电动机定子外径时,一般是在保证电动机足够散热能力的前提下,视具 体情况为提高电动机效率而加大定子外径还是为降低成本而减小定子外径。

永磁同步电机的原理及结构

第一章永磁同步电机的原理及结构 1.1永磁同步电机的基本工作原理 永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相电流,在通入电流后 就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场,由于在转子上安装了永磁体,永磁体的磁极是固定的,根据磁极的同性相吸异性相斥的原理,在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转,最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等,所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步启动的研究阶段中,电动机的转速是从零开始逐渐增大的,造成上诉的主要原因是 其在异步转矩、永磁发电制动转矩、 矩起的磁阻转矩和单轴转由转子磁路不对称而引等一系列的因素共同作用下而引起的,所以在这个过程中转速是振荡着上升的。在起 动过程中,质的转矩,只有异步转矩是驱动性电动机就是以这转矩来得以加速的,其 他的转矩大部分以制动性质为主。在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时,在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速,而出现转速的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后,最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。 1.2永磁同步电机的结构 永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。一般来说,永磁同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似,主要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构,在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择,所以永磁同步电机通常会被分为三大类:内嵌式、面贴式以及插入式,如图1.1所示。永磁同步电机的运行性能是最受关注的,影响其性能的因素有很多,但是最主要的则是永磁同步电机的结构。就面贴式、插入式和嵌入式而言,各种结构都各有其各自的优点。

永磁同步电机性能要求与技术现状分析

在各类驱动电机中, 永磁同步电机能量密度高, 效率高、体积小、惯性低、响应快, 有很好的应用前景。永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点, 又具有直流电动机的调速性能好的优点, 且无需励磁绕组, 可以做到体积小、控制效率高, 是当前电动汽车电动机研发与应用的热点。 永磁同步电动机( PMSM)系统具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点, 通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能, 提高电动机的调速范围, 因此在电动汽车驱动方面具有较高的应用价值。 作为车辆电驱动系统的中心环节, 驱动电机的总体性能是设计研制技术的关键之一。根据车辆运行的特殊环境以及电驱动车辆自身的特点, 对驱动电机的技术要求主要是: ( 1)体积小、重量轻; 有较高的功率和转矩密度; ( 2)要求在宽速域范围内, 电动机和驱动控制器都有较高的效率; ( 3)有良好的控制性能以及过载能力, 以提高车辆的起动和加速性能。 永磁同步电机的功率因数大, 效率高, 功率密度大, 是一种比较理想的驱动电机。但正由于电磁结构中转子励磁不能随意改变, 导致电机弱磁困难, 调速特性不如直流电机。目前, 永磁同步电机理论还不如直流电机和感应电机完善, 还有许多问题需要进一步研究, 主要有以下方面。 1) 电机效率: 永磁同步电机低速效率较低, 如何通过设计降低低速损耗, 减小低速额定电流是目前研究的热点之一。 2)提高电机转矩特性 电动车驱动电机要求低速大转矩且有一定的高速恒功率运行范围, 所以相应控制策略的研究也主要集中在提高低速转矩特性和高速恒功率特性上。 1.低速控制策略: 为了提高驱动电机的低速转矩,一般采用最大转矩控制。早期永磁同步电机转子采用表面式磁钢, 由于直轴和交轴磁路的磁阻相同, 所以采用 id= 0 控制。控制命令中直轴电流设为 0, 从而实现最大转矩控制。随着同步电机结构的发展, 永磁同步电机转子多采用内置式磁钢, 利用磁阻转矩增加电机的输出转矩。id= 0 控制电机电枢电流的直轴分量为 0, 不能利用电机的磁阻转矩, 控制效果不好。目前, 永磁同步电机低速时常采用矢量控制, 包括气隙磁场定向、转子磁链定向、定子磁链定向等。 2.高速控制策略: 为了获得更宽广的恒功率运行范围, 永磁同步电机高速运行通常采用弱磁控制。另外, 在电机采用低速转矩控制和高速弱磁控制的同时, 还要考虑如何

利用电磁特性分析对永磁同步电机进行故障诊断的新方法..

文献翻译 题目利用电磁特性分析对永磁同步电机 进行故障诊断的新方法 学生姓名黄建波 专业班级电气工程及其自动化10级1班学号541001020215 院(系)电气信息工程学院 指导教师张志艳 完成时间 2014年 05月23日

利用电磁特性分析对永磁同步电机进行故障诊断的新方法姚达,IEEE学生会员,石晓东,IEEE会员,马赫施·奎纳姆瑟,IEEE会员 摘要 本文提出了一种通过直接测量传感线圈的磁通量对永磁同步电机进行健康监测和多故障检测的新方法。不同于其他基于频谱的故障检测方案,这种方法仅需要测量用于故障检测的基频分量。因此,本方案的性能不受速度波动或者电源谐波的影响。此外,可以检测到匝间短路的位置和静态偏心的方向,这是其他方案都没有的。虽然是嵌入式技术,但它非常适合于关键任务和新兴技术的应用,离岸风力涡轮机和混合动力汽车技术,军事上的应用等故障的早期检测非常重要的场合。使用有限元分析进行二维模拟已经验证了不同条件下提出的方法。实验简介对定子匝间短路故障、失磁故障、静态偏心故障进行了讨论,对提出的方案进行实验,验证其有效性。 关键词:故障检测,有限元分析、永磁同步电机、传感线圈。 1.简介 过去十年,永磁同步电机(PMSM)由于其高效率、高输出功率体积比和高转矩电流比,在诸如风力涡轮机和电动汽车中得到了很大的普及。在这些关键任务的应用中,一个意想不到的机器故障可能会导致非常高的维修或更换费用,甚至灾难性的系统故障。因此,这种场合需要坚固可靠的健康监测和故障检测方法,可以为预防性维护提供依据,延长使用寿命,减少机器故障。 离线机故障检测与诊断的方法不能频繁地测试,经济上也不允许,研究人员已经提出了许多在线检测的方法,这类方法维修费用少、诊断结果更可靠。一个具有成本效益的方式是基于定子电流频谱,通常被称为电动机电流特征分析(MCSA)[1]-[6]。电机电流的特定次谐波可以作为某种特定故障的标志。由于离散傅里叶变换(DFT)不包含机器操作和快速变化的速度的时间信息,短时傅里叶变换可以权衡时间和频率的分辨率。然而,一个固定长度的窗口可能导致不同的电流频率[7]不一致,改变电机的速度使它难以确定谐波次数。为了避免时间分辨率和频率分辨率之间的矛盾,罗赛罗等人[7]利用连续小波变换(CWT)和离散小波变换(DWT)在一台机器非平

永磁同步电机文献综述

永磁同步电机失磁故障诊断综述 1.引言 永磁同步电机由于其结构简单、运行可靠、损耗少、功率密度高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点,应用范围极为广泛,遍及航空航天、国防、工农业和产和日常生活的各个领域。目前,永磁电机的应用领域仍在不断的拓展,风力发电、电动汽车等新能源领域也在大量使用永磁电机。因此,为了确保像电动汽车这样的应用系统以及其它对可靠性要求更高的应用领域的安全性,必须重视永磁同步电动机运行的可靠性和稳定性。 嵌入电机内的永磁体是永磁同步电机重要的结构部件,它的磁性能直接影响永磁同步电机的效率、性能和可靠性。在温度、电枢反应及机械振动等因素影响下,嵌入电机内的永磁体可能会产生不可逆失磁,使电机性能急剧下降,甚至有可能导致电机停转,对于像电动汽车这样的应用系统,永磁电机的突然失磁是非常危险的。因此,分析永磁同步电机的永磁体磁性能及失磁故障,对电机安全高效运行具有十分重要的意义[1][2]。 2.国内外研究现状 近年来,国内外对永磁材料的失磁机理和永磁同步电机的失磁故障进行了广泛的研究。文献[3]对稀土永磁材料的交流失磁现象进行研究,总结出稀土永磁材料表面磁感应强度在不同频率的交变磁场作用下随时间的变化规律。文献[4]针对稀土永磁同步电机在运行一段时间后性能下降这一现象,分析了引起电机失磁的原因,提出了在检修和运行中避免失磁的一些有效方法。文献[5]提出了一种基于卡尔曼滤波器的永磁同步电机永磁体磁场状况在线监测方法。文献[6][7]中通过建立参数模型或有限元模型来研究电机的失磁故障,提出了一些对永磁同步电机失磁故障的监测方法。文献[10]对失磁故障原因进行了全面的分析,提出了离线和在线检测方法。基于永磁体磁场状况的动态监测,可防止永磁电机失磁状况的恶化,降低不可逆失磁程度。文献[13]提出一种改进的反电势法,可用于永磁体磁链估计。 3.永磁同步电机失磁的发生 任何磁性材料都存在材料自身的磁性能稳定问题。永磁材料也具有失磁特

永磁同步电机的原理和结构

第一章永磁同步电机的原理及结构 永磁同步电机的基本工作原理 永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相电流,在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场,由于在转子上安装了永磁体,永磁体的磁极是固定的,根据磁极的同性相吸异性相斥的原理,在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转,最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等,所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步启动的研究阶段中,电动机的转速是从零开始逐渐增大的,造成上诉的主要原因是其在异步转矩、永磁发电制动转矩、由转子磁路不对称而引起的磁阻转矩和单轴转矩等一系列的因素共同作用下而引起的,所以在这个过程中转速是振荡着上升的。在起动过程中,只有异步转矩是驱动性质的转矩,电动机就是以这转矩来得以加速的,其他的转矩大部分以制动性质为主。在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时,在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速,而出现转速的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后,最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。 永磁同步电机的结构 永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。一般来说,永磁同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似,主要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构,在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择,所以永磁同步电机通常会被分为三大类:内嵌式、面贴式以及插入式,如图所示。永磁同步电机的运行性能是最受关注的,影响其性能的因素有很多,但是最主要的则是永磁同步电机的结构。就面贴式、插入式和嵌入式而言,各种结构都各有其各自的优点。

永磁同步电机故障诊断分析英文材料

3676IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,VOL.46,NO.9,SEPTEMBER 2010 Stator Slotting Effect on the Magnetic Field Distribution of Salient Pole Synchronous Permanent-Magnet Machines Gurakuq Dajaku 1and Dieter Gerling 2 FEAAM GmbH,D-85577Neubiberg,Germany Institute for Electrical Drives,University of Federal Defense Munich,D-85577Neubiberg,Germany This paper deals with a new analytical method for determining the air-gap ?ux density of salient pole synchronous permanent-magnet (PM)machines including the stator slotting effect.The approach to analyze the air-gap ?ux density based on the new model is to deter-mine the air-gap magnetomotive force (MMF)and the ?ux-path permeance function.We determine the ?ux-path permeance function,which includes the stator slotting effect,by using a simple magnetic reluctance network that takes into account the geometry of the machine and the material https://www.360docs.net/doc/fc8769402.html,ing the new model with stator slotting,we calculate the air-gap ?ux density distribution of different electric machines using ?nite-element methods to prove the accuracy of the new model. Index Terms—Air-gap ?ux density,analytical solution,?nite-element method (FEM),?ux-path permeance,permanent-magnet (PM)machine,stator slotting effect. I.I NTRODUCTION P ERMANENT-MAGNET synchronous machines (PMSMs)gain more and more importance for spe-cial drive applications.Up to recent years,PMSMs were known for small drives,e.g.,for servo applications.In the last years,PMSMs have been increasingly applied in several areas such as traction,automobiles,etc.This type of electrical machines offer many advantages,including a high power-to-weight ratio,constant power over a wide speed range,and high ef?ciency.Magnetic ?eld analysis in PM machines is an important pre-requisite for the prediction of machine parameters,electromag-netic torque,radial forces,and so on.In particular,accurate knowledge of the ?ux density distribution in the air-gap is es-sential for the accurate prediction of the motor performances.Magnet con?guration,magnetization direction,air-gap length,and the number of the pole and slot combination have signi?cant effects on the ?ux density distribution in the air-gap.Further,the presence of stator or rotor slots have a large in?uence on the air-gap magnetic ?eld distribution and therefore on the electro-magnetic torque.The consequences can be cogging torque and torque ripples causing vibration,noise,and speed ?uctuation.Therefore,the detailed knowledge of the ?eld distributions in the air-gap is of main importance for predicting and optimizing the performance of PM machines. Of course as well known,slotting in?uences the magnetic ?eld in two ways.First,it reduces the total ?ux per pole,an effect which is usually accounted by introducing the Carter co- ef?cient into the calculation.Second,it affects the distribu-tion of the ?ux density in the air-gap of the electric machines.Therefore,the slotting effect is important to be taken into ac-count during determination of the air-gap ?ux density. Manuscript received February 26,2010;revised April 09,2010;accepted April 15,2010.Date of publication May 03,2010;date of current version Au-gust 20,2010.Corresponding author:G.Dajaku (e-mail:Gurakuq.Dajaku@unibw.de). Color versions of one or more of the ?gures in this paper are available online at https://www.360docs.net/doc/fc8769402.html,. Digital Object Identi?er 10.1109/TMAG.2010.2049269 The air-gap magnetic ?eld with slotting effects can be eval-uated by a variety of techniques including analytical or semi-analytical methods as well as numerical techniques like ?nite elements or boundary integral methods.Finite elements give accurate results considering geometric details and nonlinearity of magnetic materials.However,this method is computer time consuming and poorly ?exible for the ?rst step of design stage of electrical machines.Analytical methods are useful tools for ?rst evaluation of electrical motors performances and for de-sign optimization since continuous derivatives issued from the analytical solution are of great importance in most optimization methods.A signi?cant number of publications on the analytical solution of the air-gap magnetic ?eld in slotted machines can be found in the literature,e.g.,[1]–[17]. Two analytical methods are mainly developed for modeling the stator slotting effect.The ?rst one concerns the use of con-formal mapping to consider slotting effects [1]–[7],and the ac-tual air-gap ?ux density is calculated by multiplying the rela-tive permeance function with the radial ?ux density of a slotless motor.This method has an important drawback since it is as-sumed that the slot width is much smaller than its height.Fur-thermore,even though this method gives information about the air-gap ?ux density ?uctuation due to stator slotting,it doesn’t take correctly into consideration the slotting effect.The reason is that the magnetic ?eld and the slotting effect are determined separately and for different conditions.The second method con-sists of analytical solution of Laplace or Poisson equations in the different sub-domains (magnet,air-gap and slots)by ap-plying the boundary conditions on the interface between sub-do-mains [8]–[13].However,these models are not able to pro-vide an accurate evaluation of air-gap ?ux density if the both stator and rotor slotting have to be considered.Also as will be shown later,the rotor saliency effect on the stator slotting isn’t considered in these works.On the other hand,different from [1]–[13],in [14]–[17]another modeling way for the stator slot-ting is used;the slotting effect is taken into consideration during derivation of the total permeance function for the magnetic ?ux path.However,even this modeling procedure describes accu-rately the air-gap permeance taking into account the stator and 0018-9464/$26.00?2010IEEE

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