纵扭复合型超声电机定子的非线性动力学特性研究

纵扭复合型超声电机的非线性动力学特性是影响电机运行的稳定性和可靠性的重要因素。基于广义Hamilton能量变分原理、Rayleigh-Ritz假设模态法以及非线性压电本构关系,建立纵扭复合型超声电机定子的非线性动力学模型,采用四阶Runge-Kutta法和Lyapunov指数等方法仿真分析纵向激励下电机定子的非线性振动响应特性。结果表明:电机定子的固有模态频率和实验值误差仅为1.8%,证明了所建立的纵扭复合型超声电机定子的非线性动力学模型的准确性。超声电机具有频率漂移、振幅跳跃等非线性行为特性,而实际工作时通常将定子的共振频率(即λ=1处)作为工作激励频率,此时位于稳定的周期运动区域。通过数值仿真分析得到不同频率激励下系统的发展趋势,以及系统稳定与不稳定运动的参数匹配区间,可为开展纵扭复合型超声电机的非线性动力学特性研究提供参考。

电动汽车用新型模块化聚磁转子永磁电机设计及其对比分析

将轮辐型内置式转子和Halbach永磁阵列结合,并取消转子铁心加强筋,减小漏磁达到高聚磁同时兼顾凸极比,实现高转矩/功率密度和宽调速范围。在保证永磁体用量相同的情况下,建立新型高凸极比聚磁转子和V型转子两种电机模型,针对两者的分段转子拓扑,开展电磁性能对比分析,包括气隙磁密、凸极比、功率以及弱磁扩速能力等。同时,考虑到无转子铁心加强筋会导致转子分段存在结构强度问题,仿真验证新型高凸极比聚磁转子结构在最高转速6000 r/min时给予碳纤维护套保护下转子结构强度的可靠性;分析温度限制下新型高凸极比转子电机的功率输出。另外,对比两种不同电机结构的振动噪声情况。最后,研制一台16极/72槽新型高凸极比转子永磁电机样机,实验验证有限元分析结果的准确性。进一步说明了新型高凸极比转子永磁电机在转矩/功率密度和宽调速运行等方面的性能优势。

基于一阶线性自抗扰控制器的同步磁阻电机无速度传感器控制

同步磁阻电机在实现无速度传感器控制时出现交叉耦合效应,导致dq轴电感随着电流发生非线性变化,转速环使用传统PI控制器已无法满足系统较强的抗扰性能和较高的转子位置估计精度。为了改善此问题,该文提出一阶线性自抗扰控制器的同步磁阻电机无速度传感器控制策略,利用其机械运动状态方程,将同步磁阻电机的交叉耦合效应及负载扰动变化视为扰动。首先通过扩张状态观测器对负载扰动快速观测并进行前馈补偿,以此来提高系统抗扰性;其次利用静止实验法,得到dq轴磁链与电流的非线性函数模型,将该模型运用至磁链观测器中,以减小交叉耦合效应,提高转子位置估计精度;最后在1.5 kW的同步磁阻电机对拖加载实验平台上进行实验,验证了该控制方案的有效性。

一种自适应扩展卡尔曼滤波的永磁同步电机无位置传感器矢量控制

在粗差干扰或噪声统计偏差情况下,扩展卡尔曼滤波(EKF)对永磁同步电机(PMSM)的速度和转子位置估计存在精度下降问题,为此提出一种基于新息序列的自适应扩展卡尔曼滤波算法(AEKF)。首先,将粗差干扰加入系统观测方程中,分析粗差干扰对系统观测精度的影响。其次,为增强算法的抗扰性能,在新息协方差计算中设置加权系数,通过调整临近时刻的新息协方差阵权重,计算出新息协方差值,并更新到卡尔曼增益的计算。最后,建立AEKF数学模型,并对比粗差干扰与噪声统计出现偏差情况下,AEKF与EKF两种策略的观测性能。仿真和实验结果表明,在粗差干扰或噪声统计信息出现偏差情况下,AEKF算法对永磁同步电机转速的观测具备更强的鲁棒性及更高的预测精度。

基于径向气隙磁密和定子电流的永磁同步电机均匀退磁故障诊断研究

该文提出一种基于径向气隙磁密和定子电流的永磁同步电机均匀退磁故障诊断方法。首先,建立电机的d轴等效磁路模型,分析均匀退磁故障后径向气隙磁密的变化规律;然后,获取电机的径向气隙磁密和定子电流信号,对各极下径向气隙磁密幅值进行归一化处理,并绘制雷达图,根据雷达图和比较相同定子电流幅值下健康电机和故障电机的各极下径向气隙磁密幅值的平均值,来诊断均匀退磁故障;利用空载各极下径向气隙磁密幅值的平均值计算故障程度。最后,仿真和实验结果均验证所提均匀退磁故障诊断方法的有效性。

基于自抗扰的永磁同步电机附加谐波损耗抑制方法

针对永磁同步电机在变频器供电时,由时间电流谐波所引起的附加谐波损耗过大及难以在电机初始设计时被考虑到的问题,采用场路耦合联合仿真模型来计算电机的附加谐波损耗,并以4台现有的表贴式永磁同步电机为例,通过实验验证了场路耦合联合仿真模型的有效性,为电机设计之初附加谐波损耗的选取,以及后续温升的计算提供了前期计算的方法。同时提出一种基于自抗扰技术的附加谐波损耗抑制方法,设计一种适用于永磁同步电机矢量控制的自抗扰控制器,并从理论上验证了自抗扰控制器对于时间电流谐波的抑制作用,以及针对自抗扰控制器参数众多调参困难的问题,给出一种参数整定方案。最后通过引入所设计的自抗扰控制器,对电机的时间电流谐波进行计算和分析,使电机的附加谐波损耗降低了68.1%,为同类型电机的附加谐波损耗抑制提供了一种有效的方法。

宽转子极无轴承开关磁阻电机径向力模型全周期拓展

针对单绕组宽转子极无轴承开关磁阻电机在定转子极非完全交叠区间的径向悬浮力模型空白、已有定转子极完全交叠区间径向悬浮力模型推导过程复杂且计算量大的不足,首先通过磁场有限元分析,分别确定了该电机在定转子非完全交叠区间和完全交叠区间的电磁场几何分布,计算了气隙磁密,再根据麦克斯韦应力法分别推导了这2个区间的径向力表达式,从而建立该电机在一个完整周期范围内的径向力数学模型,并通过与三维有限元计算结果的对比验证该模型的准确性。相比于利用等效磁路图推导径向力模型而言,该建模过程更简便,计算量也更小。全周期径向力模型的建立,不仅能为电机本体和控制器设计提供理论参考,还有助于提高该电机控制策略设计的灵活性,也可以提高与传统单绕组无轴承电机控制器的通用性。

基于静止轴系改进高频方波注入同步磁阻电机无传感器控制

同步磁阻电机因为其成本低、可靠性高,发展前景可观。在低速域无传感器控制方面,因同步磁阻电机转子具有凸极性,使用高频方波信号注入方法进行转子角度估计最为合适。但是,电机在低速运行中伴随着交直轴电感交叉饱和问题,该问题影响着电机的动稳态性能。为此,对传统高频方波注入控制方法进行改进,提出基于静止轴系的双高频方波注入无传感器控制方法,降低高频幅值带来的高频转矩脉动,抑制因交叉饱和效应导致的角度估计误差,提高电机动稳态性能。在1.5 kW同步磁阻电机实验平台上进行实验验证。结果表明,与传统高频注入法相比,改进高频注入法消除了交叉饱合引起的角度估计误差,并降低高频信号带来的转矩脉动问题,提高了电机的动稳态性能。

双并列转子永磁直驱电机转子不平衡力分析与优化

双并列转子永磁直驱电机受轴间距限制,设计时会切掉部分定子铁心和绕组,造成转子电磁力不平衡。为最大限度地抑制转子所受的不平衡电磁力,该文从双并列转子结构出发,分析了电机绕组电感参数不对称的原因,提出通过合理设计线圈跨距和分布平衡三相电感。在此基础上,构建转子所受总电磁力的数学模型,理论分析各个分力的来源及影响因素,研究各个分力对转子所受总电磁力的影响,提出了优化占空角、优化耦合间距、采用定子端部不对称结构、采用转子偏心结构和切除部分单元电机五种优化方法,实现对转子所受电磁力的优化,探讨了不同方法的优化效果,以及其对转矩脉动的影响,总结了不同优化方法的优缺点。

永磁同步电机交直轴电流解耦控制方法综述

该文归纳整理永磁同步电机交直轴电流解耦控制方法,分析各种解耦方法的思想来源、脉络体系和演变过程,论证不同解耦方法的解耦本质和内在联系。从整体和局部视角出发,建立解耦问题的思维架构,概括出对角化解耦、抗干扰解耦和逆系统解耦3类方法。3类方法依次体现出模型依赖性降低、鲁棒性增强、算法复杂度提高的趋势,呈现出从“模型论”向“控制论”过渡的技术发展路线。讨论参数不确定条件下各种解耦控制方法的鲁棒性,指出将解耦方法与先进控制算法、扰动观测技术、系统辨识方法以及人工智能方法相结合,并充分利用已知的模型信息,有利于提升交直轴电流解耦效果,增强系统鲁棒性,减弱单一观测器、控制器、滤波器等的设计难度与参数整定要求,有助于实现系统全局最优。最后,对永磁同步电机交直轴电流解耦问题的关键技术、应用与发展做出展望。

YASA轴向磁通永磁电机定子槽漏感计算

定子槽漏感是定子无轭模块化(yokeless and segmented,YASA)轴向磁通永磁电机电感的主要分量,会降低电机的功率因数和最大输出转矩。该文提出定子槽内微小单元磁场能量法计算YASA电机的定子槽漏感,通过建立计及铁心饱和影响的二维等效磁网络模型准确计算槽内微小单元储存的磁场能量,进而计算定子槽漏感。基于所提出的方法,进一步研究定子结构参数以及极槽配合对YASA电机定子槽漏感的影响规律。有限元仿真和实验结果表明,该文所提出的YASA电机定子槽漏感计算方法的可行性和准确性。

航空电推进电机多层波浪形拓扑及散热设计方法

针对航空电推进电机的散热问题,提出一种基于多层波浪形散热拓扑的航空电推进电机高效散热设计方法。航空电推进电机采用多层波浪形散热拓扑,建立电机等效热网络模型,确定等效热阻、对流换热系数等重要参数,完成电机温度精确计算,并通过CFD仿真验证所建立电机等效热网络模型的准确性和有效性。以此为基础,对比分析传统散热翅和多层波浪形散热拓扑对电机功率密度的影响。基于多层波浪形散热拓扑的等效热网络模型,采用遗传学习粒子群优化(GL-PSO)算法,完成航空电推进电机高效散热优化设计。优化结果表明:相比于原始方案,优化方案的机壳质量减轻15.1%,整个电机的功率密度提升0.06 kW/kg。

梯形Halbach交替极无铁心永磁同步直线电机特性分析与优化设计

针对无铁心永磁同步直线电机(PMLSM)存在推力波动问题以及磁极结构对永磁体利用率的影响,从结构方面着手,提出一种梯形Halbach交替极磁极结构的无铁心永磁同步直线电机,对Halbach阵列进行优化设计。首先通过有限元法对比在Halbach交替极、双层Halbach磁极与梯形Halbach交替极3种磁极结构中PMLSM的电磁性能,分别对气隙磁场谐波成分、空载反电动势、电磁推力以及推力体积比进行计算与对比。其次,采用等效磁化强度法定性分析磁极结构对电机出力性能的影响,并引入Kriging模型,结合多目标优化算法对关键参数进行优化以提高电机平均推力和推力体积比,降低推力波动,得到3个优化目标的Pareto前沿。最后,通过仿真分析验证设计方法的有效性以及电机性能的改善。结果表明:梯形Halbach交替极磁极结构永磁体利用率更高,具有实用价值;梯形Halbach交替极PMLSM能够有效抑制推力波动并保持在7%左右,适用于高精确度加工设备。

PMSM正切趋近律无位置传感器角度补偿方法研究

在负载转矩突变的动态过程中,基于PI调节器的角度补偿方法作用时PMSM超螺旋滑模观测器(STSMO)转子电角度估算误差波动剧烈,因此依据角度估算误差的定义,建立了转子电角度补偿算法的数学模型。根据滑模控制和趋近律理论,提出了基于正切趋近律的变步长闭环角度补偿方法,选择角度估算误差的半角正切值作为角度调节步长,并通过前馈解耦得到的角度估算误差正余弦信号计算该步长,实现了对无位置传感器控制系统动态性能和抗扰动能力的改善。根据归一化灵敏度的定义,分析调节步长随角度估算误差变化的灵敏度,提出了基于归一化补偿灵敏度的系统动态性能分析方法,衡量两种补偿算法作用下系统的动态性能。计算和仿真结果表明,正切趋近律补偿方法具有更高的归一化补偿灵敏度,在负载转矩突变等角度估算误差变化剧烈的工况下能够实现更好的补偿效果,抑制估算角度误差的波动。实验结果表明,相比传统的PI补偿方法,正切趋近律补偿方法能够将突加额定转矩动态过程中角度估算误差的波动幅度降低61.9%,动态过程持续时间缩短23%,有效提升了系统的动态性能和抗扰动能力。

基于磁热耦合法的非对称混合磁极永磁电机热分析

针对传统内置永磁电机损耗高、发热量大的问题,提出非对称混合磁极永磁电机拓扑结构.介绍非对称混合磁极永磁电机的拓扑结构,对比分析两者的电磁特性与损耗分布特性.针对非对称混合磁极永磁电机分布式绕组的结构特点,对绕组进行等效处理,确定等效导热系数,建立集中参数热网络模型.建立单向磁热耦合模型,计算电机各部件的温度分布,验证了热网络模型的正确性.考虑到温度对永磁材料的影响,建立双向磁热耦合模型,对比分析不同电流密度对电机温升的影响规律.试制一台样机并搭建温升试验平台进行温升试验,验证了新型拓扑结构的有效性与合理性以及磁热双向耦合法计算结果的准确性.

基于改进型滑模变结构的永磁同步电机的无位置传感器矢量控制

针对传统滑模控制采用不连续的符号函数作为滑模面切换函数所引起的抖振问题,提出一种基于改进型滑模变结构的永磁同步电机的无位置传感器矢量控制方法,来削弱抖振,从而改善系统的动、静态性能。首先,设计了改进型滑模控制器和改进型滑模观测器的变结构控制系统。其次,采用连续的开关函数——双曲正切函数作为滑模面切换函数,并通过模糊逻辑控制对双曲正切函数的形状系数进行调整,减弱固定边界层厚度所引起的抖振。然后,运用李雅普诺夫第二定理证明所设计的控制系统的稳定性。最后,与其他方法相比,仿真结果证明了所提方法的可行性和有效性。

星-三角接法的分数槽永磁电机匝间短路故障分析

为了分析永磁电机绕组采用星-三角(Y-△)接法时发生匝间短路故障后对电机的影响,建立了绕组在Y-△接法下分别在星形(Y)接法部分和角形(△)接法部分发生匝间短路故障的电路模型,推导得到故障发生后电机三相电流。以10极12槽永磁电机为例进行二维有限元仿真,对传统的Y接法双层绕组永磁电机和Y-△接法4层绕组永磁电机发生匝间短路故障的情况进行对比分析。仿真结果表明:在Y-△接法下匝间短路故障位置的不同对电流会有很大影响;在发生匝间短路故障后Y-△接法能降低电机的转矩脉动,降低故障发生后故障相电流中的3次谐波幅值。

基于几何约束优化的重复控制器及PMSM电流谐波抑制应用

重复控制器凭借其具有多个谐振峰而广泛应用于电流谐波抑制领域,然而在实际电机控制系统中,由于系统采样频率固定而电流谐波频率随电机转速而变化,会导致重复控制器中出现分数阶延时环节,而该环节在实际控制器中无法实现。对此,该文针对现有分数阶处理方法进行讨论,分析了插值逼近方法中插值系数对重复控制器整体频率特性的作用,据此提出基于几何约束优化的分数阶重复控制器,通过优化各插值系数,电机在全转速范围内都可以保证谐振频率和电流谐波频率相吻合,并且谐振峰值更符合电机谐波组成规律;还分析了滤波器所处反馈回路位置对频率特性的影响,作为组合滤波器设计依据;为保证系统稳定,对包含PI、重复控制器以及离散电机模型的电流控制系统进行稳定性分析,并作为控制参数选取依据。最后,通过台架实验验证了该文所提出的方法的谐波抑制性能是更优的。

永磁同步电机机壳串并联混合流道液冷分析

针对机壳串联流道水冷永磁同步电机散热冷却水压力损失过大的问题,提出一款新型机壳串并联混合流道,对某型号42 kW车用永磁同步电机冷却散热进行了计算,比较了机壳串并联混合流道与串联流道冷却电机最高温度与冷却水压力损失,分析了机壳串并联混合流道环形流道数量、槽深及冷却水流量对电机冷却散热影响。结果表明:电机以额定工况运行时,在相同对流换热面积及冷却液流量条件下,机壳串并联混合流道冷却水进出口压降比串联流道减小26 693 Pa,降低67%,而机壳串并联混合流道比串联流道冷却电机最高温度升高0.6℃,增大0.68%;机壳串并联混合流道环形流道数量增多或冷却水流量增大均能加快机壳串并联混合流道冷却永磁同步电机散热,但冷却水压力损失会有所增大;流道槽深增加可显著降低冷却水压力损失,但对电机最高温度变化影响较小。

端部绕组浸没式冷却电机散热结构设计与优化

针对高功率密度电机散热困难的问题,设计了一种端部绕组浸没式冷却的油冷散热结构,研究了端部绕组浸没式冷却电机的散热结构设计与优化方法。基于传热学及电磁学理论,分析了电机内部热源的分布情况,通过仿真模拟分析了极限工况下油冷电机的温度分布和流动特性;定量研究了油碗、油道结构参数对电机最高温度及油道压降的影响;基于响应面法进行多目标优化试验设计,利用带精英策略的非支配排序的遗传算法(NSGA-Ⅱ)得到最优解,并通过仿真模拟验证了优化结果的有效性和可行性。结果表明:优化后电机最高温度为139.7℃,比优化前的最高温度161.3℃降低了21.6℃,降幅为13.4%。同时,油道压降由65.6 kPa下降至39.3 kPa,降低了26.3 kPa,降幅为40.1%。进行优化设计后,油冷电机的散热性能显著提高,有利于提高电机的工作效率和寿命。本研究对于电机散热结构的设计与优化具有一定的理论指导和实际应用价值。