Transient characteristics analysis of linear flux-switching permanent magnet machines for precision control

A dynamical dq model is proposed for a linear flux-switching permanent magnet（LFSPM） machine which is suitable for high-precision control applications.The operation principle of the prototype machine is analyzed using the finite element method（FEM）,and the parameters,such as the back electromotive force（EMF） and the phase flux linkage,are calculated.The calculated and measured results reveal that the back EMF and the flux linkage are essentially sinusoidal,and the variation of the phase flux linkage profile of the LFSPM machine is similar to that of the linear surface permanent magnet（LSPM） machine.Based on this,a dynamical dq model and a simulation control model are proposed.The simulation results are compared with the test results obtained from a DSP-based control platform,which verifies that the model is correct and effective.Moreover,the model can be used for design optimization and control development.

Performance Analysis and Comparison for Two Topologies of Flux-Switching Permanent Magnet Machine

Flux-switching permanent magnet(FSPM)machine is a kind of stator-typed permanent magnet machine,which is suitable for driving electric vehicles and hybrid electric vehicles because of their large power/torque density and high efficiency.The axial field flux-switching permanent magnet machine(AFFSPMM)and radial field flux-switching permanent magnet machine(RFFSPMM)with H-typed iron cores are reached and compared in this paper.On the condition of the same outer diameters and total volumes,the electromagnetic performances of the two machines are analyzed and compared by the three-dimensional finite element method,including the air gap flux density,inductance,back electromotive force(EMF),electromagnetic torque and loss.The finite element results show that the copper loss of AFFSPMM is higher than that of RFFSPMM at the rated load,however,the total loss of AFFSPMM is lower than that of the RFFSPMM.Meanwhile,AFFSPMM has greater torque than RFFSPMM in the constant power range.The related experiments are done to validate the finite element results,which are basically consistent with experiment results.

Static characteristics of a novel flux-switching permanent magnet linear motor

A novel flux-switching permanent magnet linear motor（FSPMLM） is proposed for linear direct driving machine tools.First,the two-and three-dimensional topological configuration of the proposed motor is presented;the basic operational principle of the FSPMLM is introduced;and the magnetic fields at the two typical conditions of no-load are analyzed.Secondly,the FSPMLM is analyzed by the two-dimensional finite element method（FEM） to investigate the static electromagnetic characteristics such as flux-linkage,back EMF（electromotive force） and inductance performances.The cogging forces of two kinds of FSPMLMs with different shaped cores are analyzed and compared,and the results show that the cogging force is significantly reduced by using the E-shaped cores.Additionally,based on the co-energy method,the thrust equation is derived and verified by the simulation results obtained by the FEM.Finally,an experimental prototype is used to test the characteristics under open circuit and load conditions.The simulation and experimental results indicate that the proposed motor has advantages of a sinusoidal back-EMF waveform,a small cogging effect and a high thrust density,and it is suitable for the application of linear direct driving machine tools.

Reduction of Cogging Torque in Permanent Magnet Flux-Switching Machines

Permanent magnet flux-switching machine (PMFSM) is a relatively new structure. Available literatures mainly focused on its general design procedure and performance analysis. In this paper, Finite Element Method (FEM) is taken to ana-lyze various design techniques to reduce the cogging torque in a prototype 12/10-pole PMFSM.

Quantitative Comparison of Modular Linear Permanent Magnet Vernier Machines with and without Partitioned Primary

A comparison of two modular linear permanent-magnet vernier(LPMV)machines is presented.A modular LPMV machine with a partitioned primary,which can significantly improve the modulation effect,is proposed.Benefitting from the partition design,the space conflict between the permanent magnet(PM)and the armature magnetic field is relieved.First,the topologies of modular LPMV machines with and without a partitioned primary are presented.Then,the effect of the partitioned primary on the modular LPMV machine is analyzed using flux modulation theory.Moreover,analytical expressions for the trapezoidal permeance are derived.In addition,the harmonic components,back electromotive forces,and thrust forces of the machines with and without the partitioned primary are comparatively analyzed.The results reveal that the thrust force density of the LPMV machine with a partitioned primary is increased by 32.3%.Finally,experiments are performed on a prototype machine for validation.

AN ANALYSIS OF AXISYMMETRIC MAGNETIC FIELD OF LINEAR OSCILLATION MOTOR

In this paper, using axial field finite analysis method, the field of a movable core type linear oscillation motor is analyzed. The program of axial field finite analysis is worked out. Using this program, we analyze various fields, including the field excited by permanent magnet materials, the field by two coils respectively, and the fields with the core moving to various positions.

基于谐波注入分段供电永磁直线同步电机变流器开路推力波动抑制

该文提出一种电流谐波注入的方法,减小长定子分段并联供电永磁直线同步电机系统的驱动变流器发生单相开路故障下电机推力波动。首先,根据动子在定子段的位置,推导出分段单元电机的电压方程,得到各个单元电机的推力表达式和系统总推力。然后,依据变流器单相开路前后的全耦合状态下单元电机基波磁动势不变的原则,构造降阶坐标变换矩阵,得到电机的电压方程和推力表达式。采用注入谐波电流、优化故障后直线电机的输出推力的方式,消除变流器单相开路故障产生的4次和6次推力谐波并消除耦合因数变化对电机推力影响;通过多变流器协同控制多单元电机,有效降低变流器单相开路故障后的推力波动,提高电机的最大输出推力。仿真和实验验证该方法的有效性。

短初级永磁同步直线电机推力波动优化

带辅助极式短初级永磁同步电机理论上可通过优化电机结构,实现辅助极定位力与电枢定位力相互抵消,达到保持高推力的同时降低推力波动的目的。但永磁同步直线电机(permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM)待优化参数多,其电磁非线性的特征增加了优化的难度和工作量。为提升优化效率,课题组提出了一种帕累托(Pareto)蚁群优化算法(ant colony optimization,ACO)。Pareto ACO采用可变信息素挥发系数替代传统的固定挥发系数,使全局搜索速度与局部搜索速度更快;通过与同类多目标算法的3种测试函数处理结果作比较,得出Pareto ACO的性能更优越;利用Pareto ACO对带辅助极式短初级永磁同步直线电机槽口宽度、辅助极宽度和永磁体宽度等结构尺寸进行多目标优化。优化结果表明该算法可有效节省永磁体材料,降低推力波动,实验验证了该算法的有效性。

基于系统误差辨识的波浪发电系统功率优化

针对复杂工况下运行的直驱式波浪发电系统,考虑模型不匹配,设计滑模观测器在线检测建模误差;应用系统辨识技术进行误差拟合,减少在线计算量;随后将传递函数转为状态空间,建立更精确的水动力方程以设计后续策略,降低模型失配影响;基于变分法构造能量泛函,求解泛函极值获得最优控制律,经滤波估计系统运动速度,采用空间矢量脉冲宽度调制技术跟踪控制理想电流,提高发电系统功率捕获能力。仿真结果表明,所提方案动态性能好、鲁棒性强、观测精度高,可有效提高系统存在建模误差时的波能捕获能力,输出能量增加,输出平均功率提升。

基于深度神经网络的永磁直线电机仿真与优化

针对永磁直线同步电机(permanent magnet linear synchronous machine,PMLSM)有限元仿真模型的计算时间长,不能直观地显示结构参数与输出推力的关系,无法指导电机结构参数优化等问题,提出基于子域解析法和深度神经网络算法的PMLSM改进仿真模型,根据麦克斯韦方程组计算得到电机的磁通密度、空载反电势等性能数据,结合深度神经网络算法拟合出电机结构参数与输出推力的非线性关系。基于此模型,使用自适应遗传算法对PMLSM的推力密度进行优化,并与有限元仿真结果对比。结果表明:PMLSM改进仿真模型的计算速度是有限元模型的87.1倍,推力计算结果与有限元结果的平均误差为2.87%,优化后的电机推力密度提高了5.7%。

环形和分布绕组永磁游标直线电机性能对比分析

针对分布绕组永磁游标直线电机端部重叠导致端部过长、质量过重、电机效率过低的问题,提出一种环形绕组永磁游标直线电机。首先,介绍了永磁游标直线电机的工作原理和基本结构;然后,基于有限元分析,将环形绕组永磁游标直线电机的平均推力、推重比、效率、功率因数等性能与分布绕组永磁游标直线电机进行比较;结果表明,相较于分布绕组,环形绕组永磁游标电机的绕组长度缩短了18.7%,端部漏抗降低了41.5%、推重比提高了19%,电机效率提高了4.2%,同时减少了电机铜耗与体积,更具有工程应用价值。

永磁同步电机弱磁转矩响应速度提升策略

弱磁控制技术能够有效地拓宽永磁同步电机运行速度范围,因此对永磁同步电机弱磁控制的研究具有重要意义。大多弱磁控制通过单一的PI环节修正弱磁电流指令,其响应速度较慢,难以满足高性能的控制需求,且由于弱磁环的高耦合、非线性,PI参数整定困难。针对以上不足提出一种折算查表的方法作为前馈加入到控制系统中,加快了弱磁调节的速度;同时采用增益线性化的方法,通过分析不同工作点处小信号模型的变化,解决了通过经验整定的弱磁环控制器的固定PI参数无法应对工作点变化的问题,从而提高了系统的稳定性和准确性。最后根据仿真和实验验证了改进的方法,能够有效提升弱磁控制的性能。

主动悬架用非均匀齿圆筒型永磁直线电机多目标分层优化设计

针对直线电机式电磁主动悬架推力波动大、推力密度低的问题,提出一种非均匀齿结构的Halbach圆筒型永磁直线电机。利用解析法对该电机的边端力模型进行推导,并进一步分析非均匀边端齿结构对电机输出性能的影响。根据分析结果选取边端齿的轴向长度和径向削短高度、永磁体高度和径向充磁的长度、内部齿的长度5个参数作为优化因子,以电机输出推力最大和推力波动最小为优化目标进行田口法和响应面法优化,得到参数的最优值。试制了原理样机并搭建了实验平台,对电机进行空载与负载实验,验证了所提结构及其设计优化方法的有效性。

双边圆筒型永磁直线电机磁热网络耦合建模方法研究

双边圆筒型永磁直线电机具有较高的空间利用率,在波浪能发电等场合具有良好的应用前景。但其内定子散热困难、内外定子不对称的特点使其磁热特性存在多参数、非线性和强耦合的特征。为实现其磁热特性的准确和快速求解,课题组提出一种磁热网络双向耦合迭代建模方法。首先,建立了电机磁场的自适应磁路,节点间增设半弧形漏磁磁路以精确模拟齿边漏磁,实现了等效磁网络模型的建模求解;其次,依据气体努塞尔数和热阻公式建立了集总参数热网络模型;最后,依据损耗模型的磁热相关性,利用迭代修正方法实现了磁热网络模型的双向耦合求解,改善了内定子温升。有限元及实验结果表明该方法具有快速性和准确性。

基于参考模型补偿的波浪发电功率优化控制

为提高不规则海况下直驱式波浪发电系统的功率捕获能力,利用流体仿真软件获取等效辐射阻尼力系数,建立波浪发电装置对应的非线性水动力模型,通过能量函数极值构造最优功率捕获下的反电磁力,基于磁场定向控制策略跟踪控制最优电磁力;针对实际模型失匹引起的状态误差和功率损失问题,设计自适应补偿控制律修正实际模型与理想模型间的偏差,补偿功率损耗。仿真结果表明:在同样波浪激励下,所提控制策略响应速度快,鲁棒性强,最高可提升系统约50%的输出功率并能补偿15%的功率损耗。

无槽圆筒永磁直线同步电机推力波动的解析模型及抑制方法

无槽圆筒型永磁直线同步电机(slot-less tubular permanent magnet linear synchronous machine,STPMLSM)既避免了齿槽结构引起的齿槽力,又解决了初级铁心加工困难的问题,其推力波动主要来源是初级铁心端部效应和三相绕组电感不对称,介于齿槽结构与空心结构之间,推力波动的准确计算是此类电机设计与优化的关键。建立考虑初级端部效应的STPMLSM精确子域解析模型,能够快速计算空载与负载工况下的气隙磁密与推力波动,保证计算结果的准确性和高效性。基于该解析模型,提出初级铁心长度、三相绕组位置及匝数分配的综合优化方法,有效降低STPMLSM的负载推力波动,样机的推力波动从11.04%降到2.78%。最后,有限元模型和样机实验验证精确子域解析法及优化方案的正确性。

有铁心永磁直线电机初级匝间短路故障分析

在有铁心永磁直线电机(permanent magnet linear machines,PMLM)初级匝间短路故障分析中,对初级短路环电流的分析十分重要。该文提出采用磁动势–气隙磁导模型与电枢绕组故障等效模型结合的解析方法,计算任意初级位置发生的匝间短路故障短路环电流。首先根据永磁、电枢磁动势与开槽情况下的气隙磁导函数分别计算通过短路环的永磁、电枢磁链,然后通过矢量合成法得到短路环中的实际磁链以及瞬时短路电流。基于有限元方法证明解析法的正确性并探究不同短路故障匝数、不同短路故障位置对电机性能如短路环电流、相电流、推力的影响。最后制造一台样机验证有限元分析、解析法计算结果的正确性。

无弹簧永磁直线振荡电机定位力特性分析

无弹簧永磁直线振荡电机可利用自身定位力等效弹簧回复力,能够克服机械弹簧引起的质量大、体积大、成本高等缺点,是线性压缩机系统的有效解决方案。为研究无弹簧永磁直线振荡电机在电枢反应下的定位力特性,首先介绍了电机结构及运行原理;然后,通过考虑铁心饱和的等效磁路法、基于有限元仿真的冻结磁导率法和公式推导法分析了无弹簧直线振荡电机在不同工况下的定位力特性,并对结果进行了对比。研究结果表明:负载过大将使电机定位力线性度降低、动子平衡位置偏移、功率密度下降、撞缸风险增加,因此在设计此类电机时有必要考虑相关因素。

齿轮加工机床用永磁同步电机直接转矩控制方法

针对齿轮加工机床的高精度伺服控制需求,改进永磁同步电机并提出一种自动化的直接转矩控制方法。根据齿轮加工机床传动装置特点与通用型永磁同步电机结构,将呈圆周分布的定子改为直线分布形式,用初级部件、次级部件代替定子、转子。依据永磁同步直线电机结构与子系统的分析情况,通过转矩估计、磁链估计和模糊自适应控制等阶段,实现直接转矩控制的自动化控制。选取七轴五联动数控弧齿锥齿轮磨齿机作为实验对象,设置电机与所提方法的相关技术参数后,检验永磁同步直线电机性能与直接转矩控制性能。实验结果表明,经所提方法控制后的电机稳定性与散热性良好,证明所提方法对电机负载状态具有较好的自适应性,自动控制效果较为理想。

初级永磁型游标直线电机绕组连接及其电磁特性比较

初级永磁型游标直线(LPPMV)电机具有低速、大推力输出特性,特别适用于直线直驱系统。设计合理的绕组连接方式可有效改善电机性能。首先根据电机的运行原理,针对一台6/2极LPPMV电机提出了4种不同的绕组连接方式;其次通过有限元法,比较了LPPMV电机在不同绕组连接方式下的特性,包括空载感应电动势、电感,并在相同铜耗条件下计算了绕组的总质量、电枢电流、推力、铁心磁通密度以及铁耗等,以此得到了不同绕组连接方式下电机的运行效率;最后折中选择了一种绕组连接方式,制造了样机,并通过实验验证了电机的性能。