飞轮储能用永磁同步电机温度场分析

针对飞轮储能用永磁同步电机散热困难的问题,以某额定功率为300 kW、转速为10000 r/min的永磁同步电机为研究对象,利用磁热耦合的方法,对永磁同步电机的损耗和温度场进行模拟及测试分析,研究永磁同步电机的损耗及电机热分布;利用热仿真模型,研究电机关键部件散热的影响因素。结果表明:高温主要集中于永磁体及绕组区域;减小流道宽度、增大流道数目以及增大流道圆角半径可有效提高定子散热性能;辐射率越高,永磁体散热性能越好;改进电机结构后,永磁体最高温度下降10.5%。研究结果可为永磁同步电机的设计及散热优化提供参考。

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。

基于改进正交锁相环的永磁同步电机无位置传感器控制

针对传统正交锁相环(QPLL)应用于永磁同步电机无位置传感器控制中存在的反转失效与加、减速工况下出现显著的转子位置直流偏移误差问题,该文提出一种改进的正交锁相环(IQPLL)。其通过重构鉴相器环节,使得鉴相器的输出与永磁同步电机的转向不再相关,从而解决传统QPLL在电机反转时估算转子位置出现180°偏差的问题。此外,在新型鉴相器结构下,设计前馈环路以补偿加、减速工况下的位置直流偏移误差。并建立了IQPLL的小信号模型,根据系统的频率响应特性给出了IQPLL的参数设计方法。实验结果表明,相对于传统的QPLL,所提出的IQPLL可实现永磁同步电机无位置传感器控制正、反转稳定运行,并有效抑制了加、减速工况下的转子位置直流偏移误差。

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。

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。

基于变载波频率的永磁同步电机驱动系统效率优化控制

为降低永磁同步电机驱动系统的损耗,提高系统效率,提出了一种基于母线电流反馈的变载波频率优化控制方法.首先,建立了系统损耗数学模型,探究了载波频率与系统损耗的关系.然后,针对离线优化方法对于参数敏感的问题,设计了一种基于母线电流反馈的载波频率在线寻优方法.结果表明,在不同转速与负载条件下均存在使系统损耗最小的最优载波频率,其随转速与负载条件变化而变化.在各个工作点,系统损耗的计算值均与实测值基本吻合.在线寻优方法在中高负载情况下能够实现约0.6%的效率优化,并且在负载变化的情况下仍然能够实现损耗优化.

基于高频正交方波注入法的永磁同步电机控制研究

针对传统高频注入法解调过程复杂和观测精度受非理想因素时延影响的不足,提出一种基于高频正交方波注入法的零低速位置估计方法。首先,考虑估计旋转轴系注入的低可靠性,选择将高频信号注入静止轴系,采用简单代数运算提取出高频响应电流,通过解调正向虚拟高频响应电流初步估计转子位置;然后,针对主要非理想因素进行影响分析,在此基础上,通过解调负向虚拟高频响应电流提取出相位滞后角,完成补偿;最后,为避免启动阶段位置收敛错误,通过获取电感变化趋势判断出磁极极性。实验结果表明,所提算法在各类工况均能稳定收敛,且最大平均误差不超过1°,说明了算法的抗扰性以及准确性。

基于气隙磁密差信号峭度因子的永磁同步电机局部退磁故障诊断

该文提出一种新型基于气隙磁密信号差峭度因子的永磁同步电机局部退磁故障诊断方法。首先,建立永磁同步电机等效磁路模型,根据简化模型分析局部退磁故障后各极主磁路下径向气隙磁密的变化规律。然后,将预存健康电机空载状态下气隙磁密信号与测量的在线状态下气隙磁密信号作差并计算其峭度值,作为故障特征值。取健康电机空载状态下气隙磁密信号与不同工况下气隙磁密信号差峭度值的最大值作为参考值,根据故障特征值与参考值的大小诊断出局部退磁。最后,仿真和实验结果均验证提出的局部退磁故障诊断方法的有效性。

基于扰动观测器的五相永磁同步电机开路和短路容错矢量控制

针对反电动势含有3次谐波的五相永磁同步电机(PMSM)开路和短路故障导致转矩脉动大的问题,该文提出一种基于扰动观测器的矢量控制(DOB-FOC)策略。该策略基于降阶正交变换矩阵在同步旋转坐标系上建立PMSM开路故障情况下的基波模型,将3次谐波反电动势、短路电流等作为扰动信号。在此基础上,设计扰动观测器,观测出以上扰动导致的转矩脉动,将其转化为q轴补偿电流前馈到q轴电流指令中,有效地抑制了故障导致的转矩脉动,并且实现了PMSM在开路和短路故障情况下的平稳无扰运行。仿真和实验结果验证了所提容错策略的有效性。

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。

低复杂度永磁同步电机三矢量固定开关频率模型预测电流控制策略

针对传统永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)三矢量模型预测电流控制(three-vector model predictive current control,TV-MPCC)存在开关频率不固定和计算复杂的问题,提出一种固定开关频率TV-MPCC策略。利用前一周期的零电压矢量和参考电压矢量所在扇区来快速筛选所需最优电压矢量和次优电压矢量,避免了无效枚举计算,从而降低了开关频率和计算复杂度。引入系统d和q轴电流差参数,计算各电压矢量的作用时间,确保电压矢量作用时间恒大于零和开关频率固定。以三相两电平电压型逆变器驱动的表贴式PMSM为被控对象,通过仿真和实验对传统TV-MPCC策略和所提三矢量固定开关频率模型预测电流控制策略进行对比研究,仿真和实验结果表明,所提策略在保证系统稳态和动态性能的基础上,在固定和降低开关频率的同时,降低了计算复杂度。

永磁同步电机故障诊断方法研究综述

永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)具有结构简单、运行稳定、效率高和外形多样等显著优点,在生产制造领域得到广泛应用。PMSM在工作中不断受到速度变化和负载波动等复杂工况的影响,不可避免地会出现各种故障,如轴承故障、偏心故障、退磁故障和匝间短路故障等。文中综述了PMSM常见故障类型,并总结了自动化领域中基于信号的状态监测方法的现有研究,以用于各类电气和机械故障的检测和诊断。随后,对诊断方法进行了总结,并分析了其优势与限制,探讨了不同信号处理方法在应用中的利弊。最后,根据当前研究现状,讨论了PMSM故障监测与诊断存在的问题和未来发展方向。

永磁直线同步电机改进预测电流控制

永磁直线同步电机(PMLSM)预测电流控制(PCC)时存在易受参数变化和延迟以及负载扰动影响,为此提出基于二阶超螺旋滑模观测器(STSMO)的改进型PCC。首先,建立包含不确定性的PMLSM动态数学模型。然后,为了补偿参数变化以及延迟的影响,采用二阶STSMO估计下一周期的电流和参数变化造成的扰动电压,估计值用以计算下一周期的给定电压,以提高电流跟踪精确度,通过李雅普诺夫函数证明观测器的稳定性。同时,采用基于改进指数趋近律的自适应滑模控制器(ASMC)对速度进行跟踪,将状态变量和滑模面加入到指数趋近律中,不仅削弱了电流抖振,且进一步提升了系统的鲁棒性。半实物仿真实验结果表明,与传统PCC相比,提出方法能有效地抑制不确定性对系统影响,使系统具有更好的跟踪性能和鲁棒性。

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。

大型永磁同步电机内外双循环强化散热性能模拟

针对高铁大型永磁同步牵引电机转子区域散热困难、内部温升分布不均匀的问题,在机壳水冷电机结构基础上的定子铁芯外表面处增设轴向矩形风道,并结合气隙、转子减重孔形成内外双循环散热结构,探究降低定子、绕组部位温升和提升电机内部散热均匀性的影响规律.首先通过Ansoft Maxwell平台仿真得到双循环散热结构在额定工况下各部件损耗值,同时为了更好模拟转子旋转带动气隙中的空气流动,对气隙进行分层处理,采用流-固耦合的有限元分析法模拟研究单、双循环散热结构下电机内部空气流动特性以及温升规律.结果表明,内循环风冷结构使电机内部空气流速显著提高,表面平均换热系数也显著提升,转子区域的热量会随着空气的流动更多地传给温度相对较低的定子区域及机壳,同时减少热量向转子部位传递,从而使转子和永磁体的温升降低.在此基础上,采用正交分析法对矩形通风孔的截面积、数量、高宽比进行结构参数优化,并采用温升分布均匀性系数对电机进行温升评价,得到最优方案下电机最高温升相比单循环散热结构降低12.1K,电机整体温升分布均匀性提升16.54%.

双并列转子永磁同步电机转矩脉动产生机理及抑制

双并列转子永磁同步电机由于部分定子铁心和绕组的缺失,存在较大的转矩脉动,限制了其在并行对驱类机械装备中的应用。该文对双并列转子永磁电机转矩脉动产生机理进行分析,并提出了相应的抑制方法。对比了N-N型、N-S型两种转子结构,阐明了N-S型转子结构的优越性。在此基础上,开展了转矩脉动产生机理研究,按照影响因素不同,逐次分析了齿槽效应、端部效应、永磁齿轮效应以及绕组参数不对称对电机转矩脉动的作用机理,构建了各个转矩分量的解析表达式。通过有限元模型,验证了理论分析的正确性。针对产生转矩脉动的不同分量,提出了相应的抑制方法,其中抑制空载转矩可以通过优化电机的结构参数来实现,抑制纹波转矩可以通过优化绕组位置分布来实现。搭建样机实验平台,验证了分析模型的准确性。

永磁同步电机矢量控制专用集成电路的设计

针对软件矢量控制策略因响应慢、成本高而无法满足永磁同步电机(PMSM)领域控制新需求的问题,设计一种矢量控制专用集成电路(ASIC)。采用双闭环控制结构为基础设计芯片架构,使用VerilogHDL硬件描述语言设计矢量控制、坐标旋转数字计算(CORDIC)、电流采样接口、编码器接口和串口通信等模块,通过硬件架构实现并行加速。利用ModelSim平台仿真验证所设计电路的功能,以FPGA为核心搭建芯片物理验证平台,控制PMSM的电流与速度。结果表明:所设计的ASIC输出PWM信号达到12.2 kHz,双环频率分别达到12 kHz和8 kHz,具有快速动态响应与良好的稳态特性;且能够实现高性能、低成本、可移植的电机控制,在电机控制领域具有一定的应用价值。

基于ESMDO的级联双模型永磁同步电机鲁棒控制

考虑永磁同步电机调速控制系统中传统电流环数学模型的耦合非线性,结合无模型控制的优势,提出了一种基于扩展滑模观测器(extended sliding mode disturbance observer,ESMDO)的级联双模型永磁同步电机鲁棒控制方法,有效解决了传统PI控制器的鲁棒性差、动态响应慢的问题。首先,在转速环利用传统永磁同步电机数学模型设计了引入自校正开关增益的离散滑模转速控制器,通过离散的ESMDO观测综合扰动项并进行补偿。然后,在考虑电机参数的不确定性和外部扰动的情况下,建立了电流环超局部模型,设计了基于离散的ESMDO的无模型无差拍电流预测控制器。最后,以PI控制为对比方法进行仿真分析,仿真结果表明了所提方法的可行性与有效性。

改进海马优化算法的永磁同步电机多参数辨识

为解决永磁同步电机参数辨识速度慢、精度不足等问题,提出一种融合云模型和混沌变异的海马优化算法。该算法以海马优化算法为基础,引入混沌映射和随机反向学习策略,改善种群初始空间分布;采用自适应云模型,解决算法收敛精度低和减少陷入局部最优情况;加入混沌映射和高斯变异调节种群分布,以提高算法全局和局部开发能力。通过采集电机电压、角速度等信息,在永磁同步电机辨识模型中,使用改进后的算法对电机参数进行辨识。由仿真和实验对比,验证改进后算法在永磁同步电机电气和机械参数辨识上,具有更快速、稳定和准确的辨识效果,且辨识误差均在1.4%以内。