Optimization of Vibration and Noise Performance of Permanent Magnet Synchronous Motor for Electric Vehicles

In the design of the motor used for electric vehicles(EVS),vibration and noise problems are often ignored,which reduce the reliability and service life of the motor.In this paper,an interior permanent magnet synchronous motor(IPMSM)with high power density is taken as an example,and its electromagnetic vibration and noise problem is investigated and optimized.Firstly,the factors that generate the electromagnetic force harmonic of IPMSM are analyzed by theoretical derivation.Furthermore,the mode and electromagnetic harmonic distribution of the motor are calculated and analyzed by establishing the electromagnetic-structure-sound coupling simulation model.Then,by combining finite element method(FEM)with modern optimization algorithm,an electromagnetic vibration and noise performance optimization method is proposed in the electromagnetic design stage of the motor.Finally,an IPMSM is optimized by this method for electromagnetic vibration and noise performance.The results of comparison between before and after optimization prove the feasibility of the method.

Study of Steady-state Performances for a Novel Line-start Single-phase Permanent Magnet Synchronous Motor With Three Parallel-connected Windings

对于三相感应电动机的单相运行,学者们已经提出了多种实用的接线方式,比如Smith接法、SEMIHEX接法。然而,对于三相异步起动永磁同步电动机的单相运行,很少有合适的接法提出。将并联式接法应用于三相异步起动永磁同步电动机的单相运行,提出了一种新型三绕组并联式异步起动单相永磁同步电动机。分析了三相异步起动永磁同步电动机同步运行时以及起动瞬间的正序、负序阻抗,基于对称分量法,对该接法电机的对称运行条件进行分析,得出了电容的确定方法,并利用遗传算法对电容值进行优化。提出了该新型电机稳态性能的计算方法;设计了一台高功率因数和一台低功率因数三相异步起动永磁同步电动机作为样机,并分别将其改接为三绕组高效单相永磁同步电动机,进行实验研究。实验结果表明,低功率因数的异步起动永磁同步电动机更适合改接成新型三绕组并联式单相永磁同步电动机。由低功率因数三相永磁同步电动机改接成的单相异步起动永磁同步电动机在额定负载下运行时,具有与同容量三相永磁同步电动机相近的效率和更高的功率因数。

Comparative Analysis of Bilateral Permanent Magnet Linear Synchronous Motors With Different Structures

Permanent magnet linear synchronous motor(PMLSM)has the advantages of high thrust density and good control accuracy,which can be applied in high-power and high-speed occasions.In this paper,the analytical models are established to obtain the electromagnetic performance for the PMLSMs with dual secondaries and dual primaries.The air-gap flux density and the electromagnetic thrust are also obtained by the finite element model to verify theoretical analysis.Besides,an improved structure is also put forward in order to suppress the thrust fluctuation of the PMLSM.Finally,the advantages and disadvantages of two PMLSMs topologies are listed.These analyses would provide a guide for the design of PMLSMs applied in high-power and high-speed occasions.

Optimization Design and Analysis of a Hybrid Permanent Magnet Flux-Switching Motor with Compound Rotor Configuration

This paper proposes a type of flux-switching permanent magnet(FSPM)motor,where the design concept of the hybrid permanent magnets(HPM)and the compound rotor are incorporated into the motor design.In such design,the proposed motor can not only realize the significant reduction of NdFeB volume,but also artfully convert external magnetic flux leakage into the air-gap field to achieve competitive torque density and desirable PM usage efficiency.For extensive investigation,two topologies of the HPM are designed and analyzed for the proposed motor,which consist of the parallel-magnetic-hybrid(PMH)mode and serial-magnetic-hybrid(SMH)mode.To fully exploit the potential advantages of the proposed motor,a multi-objective optimization design is conducted,where the response surface method(RSM)and sequential non-linear programming(SNP)method are purposely utilized.After optimization,the electromagnetic performances of the motor with PMH mode and SMH mode are evaluated and compared by using finite element method(FEM),which include the back-EMF,cogging torque,output torque,and so on.Furthermore,the partial demagnetization of the ferrite PM is also investigated in the paper.Finally,the theoretical analysis and simulation study verify the effectiveness of the proposed motor and corresponding optimization design.

Temperature Rise Calculation and Velocity Planning of Permanent Magnet Linear Synchronous Motor under Trapezoidal Speed

For permanent magnet linear synchronous motor(PMLSM) working at trapezoidal speed for long time, high thrust brings high temperature rise, while low thrust limits dynamic performance. Thus, it is crucial to find a balance between temperature rise and dynamic performance. In this paper, a velocity planning model of the PMLSM at trapezoidal speed based on electromagnetic-fluid-thermal(EFT) field is proposed to obtain the optimal dynamic performance under temperature limitation. In this model, the winding loss is calculated considering the acceleration and deceleration time. The loss model is indirectly verified by the temperature rise experiment of an annular winding sample. The actual working conditions of the PMLSM are simulated by dynamic grid technology to research the influence of acceleration and deceleration on fluid flow in the air gap, and the variation rule of the thermal boundary condition is analyzed. Combined with the above conditions, the temperature rise of a coreless PMLSM(CPMLSM) under the rated working condition is calculated and analyzed in detail. Through this method and several iterations, the optimal dynamic performance under the temperature limitation is achieved. The result is verified by a comparison between simulation and prototype tests, which can help improve the dynamic performance.

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。

永磁同步电机新型趋近律滑模控制器设计

针对传统指数趋近律因函数不连续性引起抖振、趋近速度与抖振抑制之间无法同时满足高性能控制系统要求的问题,提出基于系统状态变量的新型滑模趋近律,并应用于永磁同步电机速度、电流控制器中。趋近律引入系统状态变量幂次项和状态变量的双曲正弦值,使系统状态变量以等速和指数2种速率趋向切换面,可以加快系统到达切换面的速度,当系统接近切换面时,指数项接近于0,等速项开始起关键作用,对系统的抖振进行抑制。同时采用双曲正切开关函数替代符号函数,以去除因函数的不连续性所引起的抖振问题。既能提高系统到达滑模面的速度,又能有效抑制固有抖振,提升系统的动态性能。仿真和实验结果表明,新型趋近律相比于传统指数趋近律能够有效降低永磁同步电机启动时转速超调,提高系统的响应速度,抑制系统的抖振。

一种交替极永磁游标电机设计与分析

提出了一种使用低成本铁氧体磁体的交替极永磁游标电机(CPPMVM).介绍了该电机拓扑结构,提出了基于特定磁导函数的等效磁场模型来推导主磁密、调制磁密和反电动势.通过解析法和有限元法分析该电机电磁性能、气隙磁密和谐波分布.结果表明:与常规表贴式永磁游标电机(SPMVM)相比,所提出的交替极永磁游标电机机械结构简单、成本低、谐波调制作用有效、转矩密度高、抗退磁能力强.

兆瓦级高速永磁同步电机偏心状态下电机性能及转子振动特性分析

在电机运行过程中,气隙偏心是一种常见的故障状态,会危害到电机的安全可靠运行,而该问题在大容量高速永磁同步电机中更为严重。因此,本文以一台兆瓦级高速永磁同步电动机为例,研究了气隙偏心对电机电磁性能以及其引发的不平衡磁拉力对转子振动特性的影响。首先,推导了静、动以及混合偏心状态下的不平衡磁拉力表达式。然后,建立了各偏心状态下的电机有限元模型,定量分析了不同偏心程度所引发的不平衡磁拉力变化情况。在此基础上,计算了电机转子系统的动力响应,详细讨论了各种偏心对转子系统轴心轨迹和电磁性能的影响。结果表明,不同偏心状态下不平衡磁拉力存在明显差异,在混合偏心时动偏心会削弱静偏心对转子振动的影响,偏心将增加气隙磁密的偶次谐波且增大转矩脉动。

基于模糊趋近律和扰动观测器的PMSM滑模控制

为了提高永磁同步电机调速系统的响应精度、速度、鲁棒性,解决传统滑模控制中趋于滑模面时间与系统抖振相矛盾的问题,提出了一种基于模糊趋近律和扰动观测器的滑模控制。模糊趋近律根据系统轨迹与滑模切换面的距离来有效地调整切换增益的大小,扰动观测器估计系统的内部参数变化和外部负载干扰,将估计值前馈补偿到速度控制器。仿真结果表明,系统快速跟踪阶跃信号,响应速度加快,系统出现扰动时,电机转速波动极小,迅速恢复稳定时间,结果表明采用基于模糊趋近律和扰动观测器的滑模控制方法能够有效地增强调速系统的鲁棒性和动态性能,并抑制系统的抖振。

基于神经网络的永磁同步电机模型预测电流控制

针对备选电压矢量有限导致永磁同步电机有限集模型预测电流控制性能较差及计算量较大的问题,提出基于神经网络的永磁同步电机模型预测电流控制。基于7个基本电压矢量和121个扩展电压矢量的永磁同步电机模型预测电流控制分别建立7分类和121分类神经网络。随着备选电压矢量的增加,模型预测电流控制性能提升,对应的神经网络控制性能也得到改善,但分类任务数也随之增加。对于多步模型预测控制,计算量随步长呈指数上升,但输出电压矢量不变。因此,基于两步模型预测电流控制建立7分类神经网络。仿真结果表明:以上神经网络控制均可行,性能与相对应的模型预测电流控制基本相当。实时性实验结果表明相较于单步模型预测电流控制,神经网络控制并不占优势,但相较于两步模型预测电流控制,神经网络实时性有明显优势,计算耗时减小29.58%,表明神经网络控制更适于多步模型预测电流控制。

基于联合仿真的表贴式永磁游标电机的伺服系统设计

研究了表贴式永磁游标电机的伺服系统,设计电机三环(即电流环、速度环、位置环)结构的伺服控制系统控制器,并分析伺服系统的动、静态性能。利用Maxwell、Simplorer及MATLAB/Simulink软件建立了表贴式永磁游标电机伺服控制系统联合仿真模型,研究了位置环参数对位置跟随系统快速性和准确性的影响。对比分析了电机三环结构伺服控制系统场路耦合仿真与定参数仿真。仿真结果表明,此控制策略可以实现表贴式永磁游标电机精准定位、无超调,且具有良好的快速性和抗干扰性。

永磁辅助同步磁阻电机优化设计及试验

永磁辅助同步磁阻电机具有高效率、高功率密度、低维护需求等优点,在电机的电磁设计时,由于涉及的参数变量较多,如磁通密度、线圈匝数、永磁材料的选择等,尤其是在追求最大化效率和输出功率的同时,还需要考虑到成本、物料的可获得性以及设计的可行性。该文基于永磁辅助同步磁阻电机基本工作原理及结构估算模型,以提高电机额定工况下运行效率为优化目标,采用田口法对电机相关参数进行优化设计,并对优化后的结果与原始方案进行对比。测试结果表明,与原始设计相比,优化后的电机在效率、温升控制和输出扭矩方面均有明显改进,尤其是在高负载条件下,优化电机展现出更稳定的性能和更高的能效。研究结果旨在通过采用先进的设计方法和试验验证,为永磁辅助同步磁阻电机性能的优化提供相关参考和建议。

永磁同步电机FOC控制下相电流直流分量影响与抑制策略研究

永磁同步电机在矢量控制时需要对电机相电流进行采样,采样过程中参考电平波动等诸多因素都会造成相电流中包含直流分量,此外直流电压注入法等永磁同步电机参数在线估计方法,也会在相电流中引入直流分量。本文详细分析了不同情况下直流分量的产生机理,研究了直流分量对控制效果、转矩脉动、效率等性能的影响。提出一种可滤除三相交流信号中直流分量的数据处理方法,该方法对不同因素引入的直流分量均能起到良好的抑制作用,从而增加控制稳定性,降低转矩波动,仿真和应用实践验证了算法有效性。

定子槽偏移的内置式永磁同步电机的优化与分析

为降低永磁同步电机齿槽转矩和提高电机输出性能,以三相8极36槽内置组合式永磁同步电机为例,提出了一种电机定子槽偏移的方法。首先,通过理论推导定子齿气隙磁导函数,建立电机定子槽偏移数学模型;其次,对不同定子偏移槽数下不同偏移角度的齿槽转矩峰值、输出转矩以及转矩脉动的影响做出分析,利用自适应遗传算法确定电机定子偏移槽数偏移角度下的目标值;最后,通过试制样机进行实验。结果表明,优化后的电机齿槽转矩峰值降低了49.56%,转矩脉动降低了39.2%,平均输出转矩得到适当提升,气隙磁密谐波得到适当降低,同时,平均输出转矩增大,电机输出性能得到提升。所提定子槽偏移结构及多目标联合仿真方法具有一定的合理性和有效性,可为同类型电机的齿槽转矩优化和输出性能提高提供参考。

小型载具驱动电机性能仿真与试验研究

根据小型电动载具永磁同步驱动电机的特点和测试要求进行台架机械结构和数据采集模块设计,并利用被测电机与矢量控制(FOC)变频器搭建了电机性能测试台。通过控制被测电机的运行负载进行效率特性等试验,测试外转子永磁同步驱动电机的基本特性,同时通过ANSYS Motor-CAD软件进行电机电磁性能有限元分析。对比分析结果表明,被测电机的效率为80%~95%,有限元仿真和测试所得的驱动电机特性曲线基本吻合,验证了仿真结果的准确性。

永磁同步直线电机位移误差的预设性能反步控制策略

单轴电机的伺服控制主要是对位移跟踪精度的控制,误差较大意味着跟随效果较差。目前对电机位移误差的控制策略大多难以做到定量的约束控制。本文提出一种将位移误差设置在预期范围内的预设性能反步控制策略,来定量调控输出位移误差的响应时间以及超调量等暂态性能,降低直线电机的位移误差。本文设计了预设性能函数作为控制边界,保证位移跟踪误差处于误差范围内并按设定时间快速收敛,利用Lyapunov理论设计反步控制器保证了系统的闭环稳定性和跟踪误差的收敛性。最后,利用直线电机伺服实验平台,通过不同工况高精度点位运动实验,证明了该控制算法能够有效降低点位运动的位置跟随误差。

Spoke永磁同步电机多物理场设计研究

本文建立了Spoke永磁同步电机电磁-机械-温度场多物理场有限元模型,完成了方案设计和性能分析。首先采用等效方式考虑横向边端效应建立了快速的二维电磁模型,设计了转子铁心一体式结构并进行了优化,仿真得到电磁性能和额定工况损耗;然后建立三维转子机械强度分析模型,在加大负荷条件下仿真计算了转子应力和形变;其次研究了绕组及绝缘的等效处理方法,建立Fluent温度场模型,以电磁模型中的损耗作为热源,仿真模拟了电机额定工况下的动态温升;最后制作了样机并进行了电磁性能和温升试验,验证了多物理场有限元模型与设计方案的准确性。

内置式永磁同步电机不同转子拓扑结构对电机性能的影响分析

为了研究不同转子拓扑结构对8极48槽内置式永磁同步电机(IPMSM)的电磁性能和噪声性能的影响,分别建立了单层无隔磁桥、单层有隔磁桥、双层无隔磁桥以及双层有隔磁桥转子拓扑结构的内置式永磁同步电机的有限元模型。除转子拓扑结构以外,四种电机的定子拓扑结构、永磁体使用量等其它条件完全相同。首先,对电机电磁性能和噪声性能进行相关的理论分析。其次,建立四种电机的有限元模型,对四种电机的凸极率、输出转矩、转矩脉动以及空载反电势谐波畸变率等电磁性能进行比较分析,并对四种电机进行模态分析。最后,比较了四种电机的振动响应和噪声特性。结果表明,双层有隔磁桥转子结构的内置式永磁同步电机电磁性能最好,并且其噪声削弱效果也最好。

轴向磁通切换永磁电机研究进展综述

轴向磁通切换永磁电机(ASFPM)结合了轴向磁通永磁电机与磁通切换电机的特征,凭借其轴向长度短、结构紧凑、功率高、转矩密度高、散热方便等优势,在电动汽车、电动飞机、风力发电等领域广泛应用。介绍了ASFPM电机典型拓扑结构,在电机设计与分析方法、齿槽转矩抑制技术、损耗与热性能分析与优化、控制技术、应用分析等方面对国内外研究现状及进展进行综述,并对该类电机当前的应用情况进行整理。基于ASFPM电机的研究现状,对未来的研究方向进行了探讨。