基于恒转矩控制的磁阻型球形电机转矩脉动抑制研究

与永磁球形电机不同,磁阻型球形电机的设计灵感来源于开关磁阻电机,双凸极结构的存在会导致它产生较大的转矩脉动,从而影响电机的稳定运行。为了抑制磁阻型球形电机的转矩脉动,从控制角度出发,提出一种恒转矩控制方法,通过对其自旋、倾斜和任意方向运动的分析研究,实现了磁阻型球形电机在自旋、倾斜和任意方向运动时的转矩脉动抑制。主要工作如下:首先,分析磁阻型球形电机的运动过程与通电情况,提出一种求解驱动电流的方法——转矩电流拟合多项式法;然后利用恒转矩控制方式实现了对磁阻型球形电机自旋、倾斜和任意方向运动时的转矩脉动抑制;最后,分别通过仿真和试验对不同位置的转矩脉动抑制进行了验证,验证结果表明了所研究方法的有效性。

高速实心转子感应电机的转子谐波涡流损耗的分离和提取

高速实心转子感应电机主要应用于高速压缩机、飞轮储能、航空航天等领域,具有广阔发展前景。和其他拓扑结构的转子相比,实心转子具有较强的端部效应,导致转子涡流损耗进一步加剧。针对高速实心转子感应电机的转子谐波涡流损耗的分离和提取问题,以一台380 V,1 MW,12000 r/min高速实心转子感应电机为主要研究对象,采用二维傅里叶分解方法,精确提取气隙磁场谐波特性,以虚拟永磁谐波电机模型为基础,反向构建气隙谐波磁场用以激励实心转子实现转子谐波涡流损耗的提取;结合混合激励法以及冻结磁导率法,进一步精确考虑了不同负载情况下由材料非线性导致的感应谐波涡流透入深度的变化。采用有限元建模方法,对比了采用混合激励法和冻结磁导率法提取的转子谐波涡流损耗以及感应涡流的分布。该方法为后续对转子谐波涡流损耗进行有效抑制提供了理论基础。

伺服系统状态反馈切换控制策略研究

针对伺服系统参数的不确定性问题,提出一种以速度为切换信号的切换控制策略。利用伺服电机离线数据得到非线性Bode图,根据频域特性变化区间划分系统速度区域;以速度指标作为切换条件,在模拟退火算法中引入平坦性计算,对各子系统进行参数辨识,构建伺服系统的切换模型,并解决了切换系统出现的抖振问题;最后,在给定切换条件下,设计切换模型各子系统控制器,形成基于状态观测器的反馈控制策略,保证闭环切换系统的渐近稳定性。结果表明:所提控制策略优化了系统的响应曲线,其跟踪精度提升了约4%。

无位置传感器无刷直流电机三闭环控制系统

为了减小无位置传感器无刷直流电机的转矩脉动,在传统的转速电流双闭环控制的基础上,增加了功率抑制闭环,构成三闭环控制系统,针对换相转矩脉动提出了分阶段控制策略,有效减小了电机换相转矩脉动和母线换相电流脉动。首先建立无位置传感器无刷直流电机模型,给出功率抑制闭环的控制方法以及数学公式。然后建立三闭环控制模型,通过仿真结果验证了理论分析的结论。最后通过实验验证此控制策略可以将样机转矩抑制在额定转矩附近波动,无明显换相转矩脉动产生。结果表明,与传统的控制方法相比,提出的方法抑制换相转矩脉动的效果更佳。

基于端电压平均值和准滑模观测器的无刷直流电机控制

无位置传感器控制是未来的发展趋势。为了提高无刷直流电机无位置传感器控制系统的精确度,提出了一种基于端电压平均值的线反电势准滑模观测器。为了减小传统滑模观测器存在的抖振,该观测器引入一种具有边界层的饱和函数,并采样端电压的平均值。该控制策略不需要滤波电路和相位补偿模块就能得到线反电势,而且以线反电势作为换相信号能消除以相反电势作为换相信号滞后30°电角度的问题。通过得到的线反电势对应虚拟的霍尔信号从而确定换相信号。与传统的滑模控制方法相比,该方法具有转矩脉动小、响应速度快等优点。仿真和实验结果证明了该方法的可行性和正确性。

基于速度前瞻的双轴直线电机交叉耦合控制策略

为进一步提高双轴直驱型工作平台的加工精度,减小平面轮廓误差,并增强整体系统结构鲁棒性和响应速度,提出一种基于速度前瞻型双轴直线电机交叉耦合控制策略。首先建立基于双轴直线电机的数学模型,并改进自适应插补算法,设计能够适应广泛路径类型的交叉耦合轮廓误差控制器。同时利用双环滑模控制算法设计单轴电机控制器,该控制器可以提高电机对干扰做出反应的速度,并及时调整输出。为降低机械冲击和结构振动,利用速度前瞻控制器,提前根据曲率变化对路径进行S型速度规划,给出插补速度,实现了柔化运动过程,减小系统机械振荡的目的。实验结果表明,该控制方法能够明显地提高系统的控制性能,减小系统的轮廓误差,提高控制精度。

基于动态矩阵的永磁同步直线电机速度控制

为了改善直线电机的动态响应性能,提高电机控制系统的鲁棒性,使电机稳定运行,基于预测控制理论,设计了适用于直线电机速度环控制的动态矩阵控制器,将传统的直线电机三闭环控制系统中的速度环PID控制器替换为动态矩阵控制器,并分别搭建基于PID速度控制器和动态矩阵速度控制器的永磁同步直线电机三闭环仿真模型,在此基础上给控制系统施加阶跃信号,并进行突加负载和突减负载的仿真,将2种控制器控制下的系统响应结果进行对比。仿真结果表明,当速度环采用动态矩阵控制后电机的响应速度更快,超调更小,使电机速度更快达到稳定。改进后的速度环控制器提高了直线电机控制系统的鲁棒性,改善了直线电机的动态响应性能,提高了控制系统的抗扰动能力,有利于电机在负载变化较大的情况下运行。

双三相永磁轮毂电机开路故障时容错控制系统设计

多相永磁同步电机因其高容错能力备受关注,在大功率和高可靠性场合具有很好的竞争力和发展前景。本文以相移30°双三相永磁同步电机为研究对象,从多相电机的控制方法入手,根据双三相电机的绕组结构特点,对其一相开路时的容错控制策略进行了较为深入的分析,采用调整剩余相电流的相位和幅值的容错方法,搭建仿真模型,验证了所提出的容错控制算法的正确性,有效地减少缺相后的转矩脉动,具有较好的动态性能,提高了驱动系统的可靠性。

深度学习理论及其在电机故障诊断中的研究现状与展望

电机已经被广泛应用到人们生产生活的各个领域中,电机的故障不但会对电机本身会造成损害,甚至会引发经济损失、人员伤亡等各种问题。因此,将及时且高效的故障诊断技术应用于电机有着重要意义。相比较传统故障诊断技术而言,深度学习因其更强大更复杂的数据表达能力,已被应用于电机故障诊断领域,并取得了一定的研究成果。因此,介绍了深度置信网络(DBN)、自编码网络(AE)、卷积神经网络(CNN)和循环神经网络(RNN)这四类经典的深度学习模型,并总结了这四类模型在电机故障诊断中的应用。最后对深度学习在电机故障诊断领域中所面临的问题和挑战进行了总结和展望。

双层Halbach永磁电机解析建模与优化

提出双层Halbach永磁电机的二维解析模型,模型中转子永磁包括内外两层,每层每极均由两块永磁构成,且每层中间磁块均为径向磁化。通过分区域求解标量磁位的微分方程,解析得到双层Halbach无槽电机的气隙磁场。利用卡特系数考虑齿槽作用,解析获得双层Halbach有槽电机的气隙磁场。接着,为优化气隙磁场波形,分别解析获得外层径向磁化磁块的最优极弧比和内层径向磁化磁块的最优极弧比,从而获得双层Halbach电机气隙磁场的优化解。计算结果表明,双层Halbach电机不仅气隙磁场和反电势的波形正弦度都优于单层Halbach电机,而且电磁转矩的波动更小,因此具有更好的电磁性能。二维有限元法与二维解析法计算结果一致性较好,验证了二维解析模型的正确性。

前后轴双电机电动汽车转矩分配优化策略

针对前后轴双电机电动汽车的效率提升问题,在对前后轴双电机方案效率特性研究的基础上,设计了基于电机效率最优和基于电池效率最优的前后轮双电机转矩分配方法。研究发现这两种效率最优的方法在转矩分配上存在冲突现象,因此,采用一种多目标粒子群优化算法求得同时兼顾电机效率和电池效率的最优策略,从而避免两种策略同时工作时出现的竞争现象。仿真和实验结果表明,采用多目标粒子群优化算法的前后轴双电机转矩分配方案可以提高电动汽车的系统效率和续航里程。整车动力学分析表明,采用多目标粒子群优化算法的前后轴双电机转矩分配方案不会对整车的稳定性和平顺性产生影响。

基于三角形(△)组合线圈的永磁球形电机转矩特性与通电策略分析

为了减少永磁球形电机轨迹跟踪过程中的控制电流计算量,提出一种基于三角形(△)组合线圈的通电策略。首先,通过Maxwell软件,利用叠加原理建立基于单个定子线圈的电磁转矩模型;然后,对比分析不同组合线圈自旋和倾斜运动的静态电磁转矩,确立△组合线圈的电磁转矩方程;同时,通过电流-转矩表达式,获得定子线圈的控制电流;最后,通过仿真计算和实验验证该方案的可行性。实验结果表明相对于单个线圈的独立控制,基于△组合线圈的通电策略在电机运动范围内无运动奇点,显著减少了控制电流的计算量。

液质悬浮式三自由度电机电磁特性的计算分析

针对传统电机机械轴承所带来的摩擦损耗问题,提出一种新型液质悬浮式的三自由度电机,该电机引入液质流体可实现悬浮运动。详细阐述了该新型电机的工作原理及电磁特性,采用三维有限元软件对电机进行建模仿真,给出在平行充磁条件下单个磁极的磁通密度的三维曲面分布图,并从解析角度建立了电机磁密的数学方程,进而结合电机结构及磁通管原理,建立了球坐标系下的三维磁网络模型,获取了气隙磁场的磁密值与转矩值,得到了转矩在不同位置角下的变化情况,分析得到电机的输出性能。最后对样机进行测试并将实验结果与上述两类方法进行对比,验证了等效磁网络法建模的合理性。

组合磁极结构的永磁电机解析法建模与分析

磁极结构直接影响永磁电机气隙磁场的分布。提出一种组合双层Halbach阵列结构。利用叠加原理,采用标量磁位法对该结构电机中的气隙磁场进行了解析计算。同时,对于有齿尖结构的定子槽,通过改进的卡特系数对气隙长度进行等效。为了比较,同时分析得到了单层Halbach结构气隙磁密的最优值。在此基础上,通过改变双层结构磁极上下层的厚度比、上下层中间磁极极弧系数以及边磁磁化角度等参数变量,分析优化电机的气隙磁密,并计算优化后的双层结构永磁电机的气隙磁密、感应电动势和电磁转矩。计算结果表明,在永磁用量相等的前提下,双层Halbach结构永磁电机的电磁性能优于单层结构。最后,通过有限元法验证了解析计算的正确性。

一种凸极式磁阻型球形电机的结构设计

为了提高球形电机的输出转矩,降低控制系统的复杂程度,提出了一种新型磁阻型球形电机。首先,介绍了电机的基本结构和运行原理,建立了电机的数学建模,基于有限元软件使用虚位移法对电机进行建模,确立电机的电感曲线和矩角特性。然后,以输出转矩、气隙磁密及定子轭磁密为目标,针对定转子的结构进行仿真分析。最后,通过计算结果分析了球形电机主要参数对电机性能的影响,完成了磁阻型球形电机的结构设计,验证了所提出的新型结构的有效性。

基于随机森林的永磁球形电机优化通电策略

针对永磁球形电机的复杂转矩建模问题,提出了一种基于随机森林建模方法,同时提出了基于粒子群优化方案来解决永磁球形电机的优化通电策略问题。首先,通过电磁分析得到永磁球形电机转子与定子线圈在不同角度下驱动线圈产生的转矩值。然后,采用随机森林法建立了位置-转矩的黑箱模型。并在此基础上结合倾斜轨迹,采用粒子群算法对其通电策略进行优化设计,使得通电损耗降低了5%~10%。仿真和实验结果均表明,该方法能有效地实现永磁球形电机的稳定控制且通电损耗较小,可为下一步实现永磁球形电机高精度的轨迹跟踪控制提供参考和借鉴。

偏转式双定子开关磁阻发电机的电磁分析计算

为了提高风能的利用率,针对现有开关磁阻发电机转子旋转的单一性,提出了一种新型可偏转双定子开关磁阻风力发电机,并介绍了该发电机的工作原理和控制机理。该电机采用内外双定子结构设计,在转子的两侧连接液压控制台,可实现多自由度偏转,适应不同风向,提高发电机的工作效率。通过对该电机建立数学模型,分析了发电机的电感、磁链、电压和电流的特性,利用有限元法对各物理量以及发电机转子外侧气隙磁场特性进行计算,将双定子结构开关磁阻发电机的输出电流仿真结果与普通开关磁阻发电机进行对比,验证了双定子结构发电机的优良性能。

表贴式永磁电机齿槽转矩解析法比较研究

对于表贴式永磁电机,分析了计算齿槽转矩的4种解析模型,主要理论包括能量法和麦克斯韦应力张量法。模型中由于考虑极间漏磁和槽漏磁的不同,从而得到齿槽转矩的波形有所不同。并用4种解析模型计算了一台表贴式永磁电机的齿槽转矩。分析结果表明,考虑极间漏磁和槽漏磁的模型精度较高,并通过有限元法验证了理论分析的有效性。

组合磁化无槽永磁电机磁场分析与优化研究

永磁电机气隙磁场分布与采用的磁化方式密切相关,设计永磁的磁化类型是电机磁场分析的重要环节。在传统永磁电机采用常规单一充磁类型的基础上,提出由不同磁化方式组合后形成一种崭新的混合磁化方式。首先,采用二维解析法,通过求解拉普拉斯方程和准泊松方程,并依据磁场的边界条件,获得无槽永磁电机的空载气隙磁密精确解析式。然后,利用解析法快速计算的特点,在保证永磁体每极磁化区域单位体积平均剩磁相同的前提下,分析两种组合磁化方式的气隙磁场分布。接着,对永磁厚度进行优化分析。通过计算得出,组合磁化方式可增加气隙磁密径向分量基波幅值,降低气隙磁密中谐波成分,同时能够减小永磁体积,降低电机制造成本。最后,二维有限元法与二维解析法计算结果的一致性,验证了组合磁化解析模型的准确性。

不同永磁形状的内置式永磁电机空载性能比较

运用二维有限元法计算了长方体和瓦形两种永磁形状的内置式永磁电机的空载性能。计算结果表明,在永磁用量和位置相同的情况下,瓦形永磁的空载气隙磁密和反电动势优于长方体永磁,但齿槽转矩大于长方体永磁。在保证永磁用量不变的情况下,分别改变永磁的位置和厚度,得到两种永磁形状下的空载气隙磁密、反电动势以及齿槽转矩的变化趋势,从而为内置式永磁电机的优化设计提供了理论参考。