Analysis and Design of Surface Permanent Magnet Synchronous Motor and Generator

This paper presents an analytical method to design the high-efficiency surface permanent magnet synchronous motor(SPMSM)or generator(SPMSG).The air-gap and permanent magnet size can be approximately determined based on our mathematics model,which is the most important part of SPMSM design.From our method,we can know that motor’s power out torque is related to the torque angle that we selected in our design and it affects the air-gap and permanent magnet size.If we choose a low torque angle,the motor or generator’s overload power handing capability will increase.The embrace value has a vital place in designing a motor or generator due to its effects on air gap flux density,cogging torque,efficiency and so on.In order to avoid the knee effect,the working point of the permanent magnet we selected in the design should be bigger than 0.5.The developed 36 slots,4 poles,surface mound permanent generator is proposed.The corresponding finite element analysis(FEA)model is built based on our design method.Structure optimization includes stator and rotor structure size,permanent magnet size,magnetic bridge and air gap length which are analyzed and simulated by ANSYS Maxwell 2D FEA.Thermal analysis is conducted,and the housing of the alternator is designed.The alternator prototype is fabricated and tested based on our design.

High-Speed,High-Power Motor Design for a Four-Legged Robot Actuator Optimized using the Weighted Sum and Response Surface Methods

In this paper,a design is presented for a high-speed,high-power motor for a four-legged robot actuator that was optimized using the weighted sum method(WSM)based on the Taguchi method,and the response surface method(RSM).First,output torque,torque constant,torque ripple,and efficiency were selected as objective functions for the optimized design.The sampling method was implemented to use a mixed orthogonal array and the single response characteristics of each objective function were compared using the Taguchi method.Moreover,to consider the multi-response characteristic of the objective functions,WSM was applied.Second,the 2D finite element analysis result of the RSM was compared with that using the WSM.Finally,an experiment was carried out on the manufactured motor and the optimized model is presented here.

Robust fuzzy sliding-mode control for T-S model based permanent magnet synchronous motor

A fuzzy sliding-mode control (FSMC) scheme based on T-S fuzzy models was proposed for the permanent magnet synchronous motor (PMSM) drive system to solve the speed tracking problem. A T-S fuzzy model was firstly formed to represent the nonlinear system of PMSM. For converting the tracking control into a stabilization problem, a new control design was proposed to define the internal desired states. Then, the FSMC controller for PMSM system with parameter variation and load disturbance was designed based on the fuzzy model. The performance of the proposed controller was verified by experimental results on PMSM system. The results show that the FSMC scheme can drive the dynamics of PMSM into a designated sliding surface in finite time and guarantee the property of asymptotical stability. The information of upper bound of modeling errors as well as perturbations is not required when using the FSMC controller.

Multi-Objective Optimization of Surface-Mounted and Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Taguchi Method and Response Surface Method

The surface-mounted and interior permanent magnet synchronous motor(SIPMSM)has the characteristics of multiple variables,strong coupling and nonlinearity.In order to improve the performance of SIPMSM,this paper presents a multi-objective optimal design process using Taguchi and response surface methodology(RSM).The peak value of cogging torque(PVCT),ratio value of average torque and permanent magnet weight(RTW),torque ripple and back-EMF total harmonics distortion(ETHD)are selected as optimization goals.The experiment matrix is established by Taguchi method,and analyzed the tendency and proportion of the effect of the optimization parameters on SIPMSM performance.The rules of choosing multi-objective optimization parameters are obtained.The least-squares method is used to establish the optimal objective function,and RSM is used to obtain the resolutions of the optimization objective function.Comparing the initial performance with optimized performance verifies the effectiveness of the proposed method.

Initial position estimation strategy for a surface permanent magnet synchronous motor used in hybrid electric vehicles

目的:混合动力汽车采用表贴式永磁同步电机作为辅助动力,并采用价格低廉且性能可靠的开关霍尔位置传感器提供转子角度信息。然而,霍尔开关位置传感器初始位置测量精度为±30°(电角度),使得永磁同步电机在汽车启动阶段提供的最大电磁转矩受到限制。因此,本文对表贴式永磁同步电机非线性(磁饱和)模型进行了研究,并依据非线性模型进行较准确的初始位置估算。创新点:1.采用新颖的永磁同步电机非线性数学模型,推导出磁饱和特征函数以及转子位置信息;2.采用混合注入法(注入高频电压矢量和直流电压矢量)估算转子位置,其中直流电压用于改变铁芯饱和度,而铁芯饱和度又将调制高频电流响应。结合一种特殊的解调算法便可从高频电流响应中获得磁饱和特征函数以及转子位置信息。方法:1.研究了表贴式永磁同步电机的磁饱和数学模型,并采用Ansoft/Maxwell软件对其进行了验证;2.根据磁饱和模型提取出磁饱和特征函数fsat,并初步用于估算磁极位置(误差±25°);3.在估算的转子磁极方向上注入直流激磁电流,使铁芯更加饱和,呈现凸极效应(Lqq/Ldd>1);4.由于铁芯更加饱和,可采用位置观测器获得较精确的转子位置;5.通过MATLAB/simulink和实验进行了转子位置估算。结论:1.在定子绕组中注入直流激磁电流,营造磁饱和效应;2.采用解调算法(2个二阶带通滤波器和3个一阶惯性滤波器)可提取饱和度特征函数和转子位置信息;3.本位置估算实施简单,提高了表贴式永磁同步电机初始位置检测精度。

应用于交流电机驱动的新型串联绕组拓扑的动态电流控制性能分析

电机绕组的动态电压是影响其电流变化能力的直接因素。为了提升电机的转矩响应速度,从直流电压利用率的角度分析串联绕组拓扑的动态电流控制能力。首先,从拓扑结构出发,相比于三相半桥拓扑,串联绕组拓扑将直流电压利用率提升了73%,这使得其动态电压更加充裕。然后,在不同的转速工况下,分析串联绕组拓扑、三相半桥拓扑以及采用电压修正策略的三相半桥拓扑的动态电流控制性能。最后,经仿真与实验证明,若采用电压修正策略来增大三相半桥拓扑的动态电压裕度,其只在转速接近额定转速时效果才凸显,且提升有限。而采用串联绕组拓扑,其在电压深度饱和下的电流动态响应时间将显著减小。

基于变增益最速梯度下降法的表贴式永磁同步电机位置修正策略

滑模观测器具有响应速度快、鲁棒性强等优点,已广泛应用于表贴式永磁同步电机无位置传感器的中、高速控制系统。然而,具有固定参数的滑模观测器很难在宽速度范围内保持一致的估算精度,而采用基于速度观测器带宽限制的方法进行噪声和扰动抑制会降低电机的动态性能。针对上述问题,该文首先分析滑模观测器估算表贴式永磁同步电机转子位置的误差产生机理,提出一种新型位置误差观测器,主要思想是基于磁链观测进行位置误差连续估算,并采用最速梯度下降法对积分过程进行反馈校正;然后,通过变增益循环迭代优化提高位置误差观测器的速度与准确性;最后搭建表贴式永磁同步电机加载测试平台进行实验,结果验证了所提方法具有位置观测精度高、鲁棒性强的特点。

基于模糊时变滑模的永磁同步电机调速系统设计

针对永磁同步电机突然加入负载时存在的转速波动和不稳定问题,提出一种基于积分时变滑模面和新型模糊增益趋近律的滑模调速方法。采用积分时变滑模面,在传统积分滑模面中加入一个时变项,借此提升系统的响应速度。改进传统的指数趋近律,加入非线性函数来削弱系统的抖振,同时根据不同的系统状态用模糊算法整定趋近律增益参数,着重于提升趋近速度和系统抗扰动能力。最后,使用李雅普诺夫稳定性判据证明了该控制系统的稳定性。在MATLAB/Simulink环境下将此控制策略与传统滑模控制策略进行对比,仿真结果表明:采用此控制方法的系统响应速度更快、抑制系统扰动和抖振的能力更强,具备更好的综合性能。

带负载扰动补偿的永磁同步电机改进MRAS观测器控制

针对传统模型参考自适应系统(MRAS)对转速和负载变化敏感及鲁棒性差等问题,提出一种基于快速超螺旋滑模自适应观测器的改进型控制算法。利用快速超螺旋滑模代替传统的PI自适应环节,提高了系统鲁棒性;考虑负载转矩对系统产生的影响,将负载转矩和转速作为状态变量,选取转速实际值与观测值误差作为滑模面,设计负载转矩滑模观测器,将实时辨识的负载转矩引入到电流环,对参考转矩进行前馈补偿,提高了系统的抗负载扰动能力。以表贴式永磁同步电机为控制对象进行仿真和实验。结果表明:相比传统的模型参考自适应控制,改进型快速超螺旋滑模观测器控制具有更好的动态性能和鲁棒性。

基于改进PLL的永磁同步电机ASMO无传感器控制

永磁同步电机无位置传感器控制采用传统滑模观测器法来获取转子位置,由于滑模抖振严重、估计反电势中含有低次谐波干扰及传统锁相环在电机反转时有位置误差等因素,影响转子位置估计精度。通过设计自适应滑模观测器和改进锁相环来解决上述问题。首先采用非奇异快速终端滑模面及改进指数趋近律来降低滑模抖振。其次对传统锁相环鉴相器进行改进并在环路滤波器中引入二阶广义积分器,不仅使电机正反转时能准确提取转子位置信息,还能滤除估计反电势中的低次谐波。仿真结果表明所设计的算法能减小滑模抖振、降低位置跟踪延迟时间及提高位置观测精度。

基于改进粒子群算法的无轴承永磁同步电机多目标优化设计

为了提升内置式无轴承永磁同步电机的转矩性能和悬浮性能,提出一种基于响应面法和粒子群优化算法的内置式无轴承永磁同步电机多目标优化设计方法。首先,介绍内置式无轴承永磁同步电机的悬浮力产生原理。其次,阐明所采用的响应面法和多目标粒子群优化算法的原理。再次,根据所提出的多目标优化设计方法,按照灵敏度分析、响应面法建模和多目标粒子群优化的步骤对内置式无轴承永磁同步电机进行优化设计,并对优化后电机和初始电机的转矩和悬浮性能进行对比分析。最后,制作优化后的样机,并构建实验平台对样机性能进行测试。

船舶用表贴式永磁同步电机的电磁振动分析与抑制

船舶用永磁同步电机的电磁振动水平直接影响船舶的综合性能。该文针对一台50kW船舶用表贴式永磁同步电机,首先基于理论推导详细分析了该电机产生的电磁激振力来源及谐波特征,并利用有限元法进行了验证;其次,分别采用解析法和有限元法求解定子固有频率,并结合电磁激振力的频率特征,验证电机设计的合理性;然后,建立电机的磁-固耦合模型,对其振动响应进行有限元计算,得到监测点的振动频响特性及特征频率;最后,在保持原电机输出平均转矩的前提下,提出一种混合磁极转子结构来削弱低阶电磁激振力谐波分量进而抑制电磁振动。结果表明,优化后的电机在保持良好转矩性能的同时,电磁振动得到了有效抑制,并通过样机实验验证了仿真结果的有效性。

永磁同步电机电磁振动噪声优化方法研究

分析了永磁同步电机电磁振动噪声原理,计算了一台4极/6槽内置式永磁同步电机多转速下的电磁振动噪声,并通过二维傅里叶分解分析其径向电磁力谐波分量。提出一种新型定转子结构,建立以噪声和转矩脉动为目标的多目标优化数学模型,并采用响应面算法确定最优的设计参数。对优化前后电机的电磁振动噪声进行了仿真对比。结果显示,电机结构优化后,转速3500 r/min运行时电磁振动噪声减小较为明显,从62.02 dB削弱至53.53 dB;平均转矩基本无变化,转矩脉动有所减小;多转速运行时,电机振动噪声整体性能亦得到改善,验证了该结构优化对电机电磁振动噪声有较为明显的抑制作用。

基于改进粒子群优化算法的外转子永磁同步电机的多目标优化设计

为降低外转子永磁同步电机(ERPMSM)作为皮带输送机驱动电机时的永磁体成本并提高电机性能,提出基于响应面法(RSM)和改进多目标粒子群优化(IMOPSO)算法的优化设计方法。在建立电机基本结构的基础上,将永磁体尺寸、气隙长度、槽口宽度等作为优化参数,将永磁体成本、输出转矩、转矩脉动等作为优化目标。通过参数灵敏度分析筛选出显著参数,基于RSM结合有限元仿真建立样本空间,并拟合出优化目标和优化参数的函数关系,通过IMOPSO寻优。最后对比优化前后的方案结果,所提多目标优化算法准确可靠且具有更好的收敛性和多样性,能够在降低永磁体成本的同时优化电机的性能。

永磁—凸铁复合极直线同步电机多目标优化

提出一种永磁—凸铁复合极直线同步电机(PM-SICPLSM),电机次级为U型分段永磁结构,具有聚磁强、漏磁小的特点。为提升电机整体性能,以推力波动和平均推力为优化目标。首先,通过灵敏度分析得出影响显著的优化参数;然后,构建响应面数学模型;最后,在约束条件下通过多目标粒子群优化(MOPSO)算法求解响应面模型,得出电机永磁最优结构参数。利用有限元法对优化前后的电磁推力、空载反电势及气隙磁密等电磁特性进行对比,经响应面模型和MOPSO结合优化后的PM-SICPLSM不仅增大平均推力还提高了永磁利用率。

新型强迫风冷散热结构在高功率密度外转子表贴式PMSM上应用分析

全电动飞机用高功率密度外转子永磁同步电机的损耗主要集中在定子铁心和绕组上,导致传统的强迫风冷方式难以将热量通过机壳、端盖传递到外界。为此,首先,该文提出一种基于热管技术的高性能冷却系统,此冷却系统充分利用热管高导热性能,将热管一端插入定子铁心轭部,另一端连接相应的冷却结构进行散热,并综合对比分析了三种不同散热器结构的散热能力。在此基础上,搭建实验测试平台,对所提出冷却系统的散热能力和平均散热系数进行实验测试。其次,为了提高电机的功率密度,采用单齿铁心绕线工艺,降低了绕组铜耗和质量,并对单齿绕线方式下直流铜耗进行解析建模。最后,设计、制作一台22极24槽全电的飞机用外转子表贴式永磁同步电机(SPMSM),测试样机在不同飞行工况下的温升分布情况,验证了所提出冷却系统的有效性。

基于分层策略的单边平板式齿部不等宽永磁同步直线电机多目标优化设计

该文针对应用于高精度伺服的单边平板式永磁同步直线电机提出了一种齿部不等宽的结构,通过有限元法分析了不同设计参数对电机推力品质的影响,验证了所提结构的优越性。针对具有大量参数的多目标优化问题,采用分层优化的策略,先通过Taguchi筛选敏感参数,再由中心复合设计(Central composite design,CCD)构建基于敏感参数的响应面(Response surface method,RSM)模型进行优化。通过仿真分析,对比初始结构参数,验证了所提优化方案的有效性。

永磁直线同步电机智能分数阶动态面控制

针对永磁直线同步电机(PMLSM)存在的参数变化、外界扰动等不确定因素影响位置跟踪精度的问题,提出一种基于径向基函数(RBF)神经网络的分数阶动态面控制方法。在反步控制器设计的基础上,引入动态面控制技术,避免了反步控制存在的“微分爆炸”问题;在虚拟控制量中加入分数阶微积分项,增加了系统的参数自由度;利用RBF神经网络逼近补偿系统的不确定因素。基于Lyapunov稳定性理论,对所控制的系统进行稳定性分析证明。仿真结果表明,所提出的控制方法能减小系统的跟踪误差,提升鲁棒性,加快系统的响应速度。

基于超螺旋观测器的SPMSM无传感器控制

提出一种基于超螺旋观测器的无传感器控制方案。设计了超螺旋观测器并使用锁相环提取转子位置和转速信息,对反电动势滤波并补偿估计转子位置以减小相位滞后。仿真和实验表明,该方法较传统滑模观测器观测反电动势正弦度更高、观测转子位置和转速抖动更小,具有一定的抗外部扰动能力。

基于改进超螺旋算法的永磁同步电机快速积分终端滑模速度控制

针对永磁同步电机伺服系统的滑模速度控制存在抖振和鲁棒性不强问题,采用改进积分终端滑模面与广义超螺旋相结合的方法设计转速控制环。提出分段滑模面的方法设计改进的快速积分终端滑模面,可以使得抖振问题得到明显改善;设计改进的广义超螺旋控制器作为切换控制,能够更好地改善系统的动态特性,并证明了此算法的稳定性。仿真结果表明:该方法具有抑制抖振性能强、收敛速度快和跟踪性能好等优点。