双极板设备用内置式永磁同步电机结构优化

为了有效地提高永磁同步电机的转矩性能和降低齿槽转矩,选取48槽、8极的内置式永磁同步电机为例,在不改变转子径向半径的前提下,选取转子的关键参数作为优化参数,基于田口算法对内置式永磁同步电机进行多目标优化,在有效降低齿槽转矩的基础上增大内置式永磁同步电机的转矩性能。在优化基础上,对空载运行、额定负载、最高转速3种永磁同步电机典型的运转工况进行有限元仿真。数据结果表明:齿槽转矩峰峰值从1.8 N·m降低至0.9 N·m,额定负载下的平均电磁转矩从73.17 N·m增长至77.12 N·m,最高转速运行下的平均电磁转矩从37.3 N·m增长值38.42 N·m,分别实现了提高永磁同步电机转矩性能和降低齿槽转矩的目标。

内置式永磁同步电机无感复合控制策略研究

为了解决内置式永磁同步电机无位置传感器控制系统中采用单一控制算法无法实现全速度范围内理想控制效果的问题,提出了一种改进型复合控制策略。在低速运行时,采用脉振高频注入法,解决了转子初始位置检测问题。通过二阶广义积分器代替带通滤波器,提高了系统的速度响应。在高速运行时,采用龙伯格观测器。同时,为了解决两种控制算法的切换问题,提出了基于改进粒子群算法的线性加权平均切换方法。仿真结果表明:在初始角度θ=2.5 rad的情况下,该策略能使电机运行在全速度范围内、转速误差范围控制在[-8 r/min,+5 r/min],且转子角度波动较小。该研究对机械制造与航天、航空领域具有实际指导意义。

真空泵用反凸极永磁同步电机设计与性能分析

针对真空泵用驱动电机运行过程中存在转子温度高、散热难的问题,根据真空泵驱动工况的实际要求,设计了一台反凸极永磁同步电机和一台常规永磁同步电机。首先,利用有限元软件,分析了转子磁障尺寸对电机转矩的影响以及磁障层数对电感的影响,从而得出了转子磁障尺寸和磁障层数的合适值;其次,对两台电机的气隙磁密波形、空载反电动势和损耗等电磁性能进行了对比分析;最后,通过仿真对比分析了两台电机的温度场以及两者转子和转轴处的温升。结果表明,相比于常规永磁同步电机,反凸极永磁同步电机的转矩性能更好、转子损耗和转子温升更小,为新产品研发提供了科学的参考依据。

基于延迟校正扩张状态观测器的内置式永磁同步电机电流控制策略

高速电驱动场合会受到开关频率的限制,低载波比特性凸显,由此引起的控制延迟问题影响了内置式永磁同步电机(IPMSM)矢量控制系统性能。基于扩展电动势的建模方案能够获得IPMSM的对称化模型,有利于离散化分析和设计,以提升低载波比运行性能。扩张状态观测器(ESO)能够实现扩展电动势和扰动的集总观测,然而低载波比延迟问题影响了估算性能。该文在离散域中分析延迟影响,设计和对比研究了几种延迟影响抑制方案,即延迟校正扩张状态观测器,提升了估计精度。基于此,设计了IPMSM离散域电流控制方案,显著提升了电流响应特性。通过电动汽车驱动实验平台验证了该文的分析和设计。

V型交替极永磁同步电机气隙磁场调制效应研究

与传统V型永磁(V-shaped permanent magnet,VPM)结构相邻N和S极永磁体形成一对极磁场不同,V型交替极永磁(V-shaped consequent-pole permanent magnet,VCPM)结构永磁体与相邻铁心形成一对极磁场。为进一步探究VPM和VCPM电机磁场分布的不同带来的转矩性能差异,首先通过麦克斯韦应力张量法确认,并量化分析VPM和VCPM电机气隙磁密各次谐波转矩贡献,揭示两种电机主谐波与调制谐波转矩贡献的差异性,进而阐明VCPM电机转矩提升的根本原因在于其显著增加的调制谐波贡献的转矩分量。然后,研究关键结构参数对VCPM电机气隙磁场调制效应的影响规律。最后,加工一台VCPM样机并开展试验研究,验证理论分析和有限元仿真结果的可靠性。

基于槽极比选择的切向永磁同步电机永磁体涡流损耗抑制措施

为抑制切向永磁同步电机的永磁体涡流损耗,基于麦克斯韦方程和本构方程,对永磁体形状进行近似假设,构建了永磁体涡流损耗的估算模型。使用一种基于卡特系数概念的磁导函数来估算由于定子开槽引起的槽下磁感应强度变化。基于五台槽极比分别为1.05、1.20、1.30、2.40和3.60的电机设计方案对理论分析结论进行了验证。在负载电流和两倍负载电流下,分析永磁体损耗,得到了每台电机的径向气隙磁密曲线及其谐波含量。考虑到增加槽极比对定子铁耗和永磁体涡流损耗的削弱效果,给出了电机槽极比选择策略。研究结果表明,增加槽极比能减弱定子槽下磁感应强度变化,从而抑制气隙磁场中低次谐波含量,减小永磁体涡流损耗,使电机运行更加可靠,但也会引入更多高次谐波,从而增加定子铁耗。

基于凸极效应的永磁同步电机振动分析

凸极率的改变会给齿槽转矩带来影响,同时相比较表贴式的结构,其更复杂的结构所带来的谐波也对电机的减振带来巨大的冲击。针对凸极效应所产生的问题,本文基于理论分析以及Ansys有限元仿真平台,对一台具有凸极效应的车用永磁同步电机进行研究,对不同凸极率对电机齿槽转矩以及径向电磁力密度进行对比分析。其次,对三维结构的定子冲片模态进行分析,讨论了可能产生共振的频率。最后,将径向电磁力与有限元模型相耦合,对电机的电磁力引起的振动进行谐响应分析,为车用永磁同步电机的凸极率选择和优化设计提供参考价值。

车用多层磁钢内置式永磁同步电机研究与设计

针对电动汽车驱动电机性能需求日益提升的现状,设计了一种车用发卡绕组多层磁钢内置式永磁同步电机,保证高功率密度、高效率的设计要求。利用有限元方法建立4种发卡绕组多层磁钢内置式永磁同步电机的二维模型,在转子分段斜极优化的基础上,比较4种电机的性能,探究多层磁钢结构中不同永磁体对电机性能的影响,选择最合适的结构进行后续多次优化;利用田口算法对电机磁钢尺寸设计进行优化,通过参数对优化目标影响的比重选出最优组合;对优化后的电机进行Halbach充磁,对每层磁钢分别利用同一角度充磁,进行参数化扫描寻优,选择最合适的一层充磁,并选择最合适的充磁角度及对应的充磁长度获取最优性能。结果表明:多次优化后的电机在保证较高平均转矩的基础上,转矩脉动与齿槽转矩大幅降低,可满足新能源汽车电机的性能需求。

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。

基于轴线方向不等宽度磁极结构的表贴式永磁同步电机极频振动的削弱

针对一台10极12槽表贴式永磁同步电机的极频振动问题,提出了一种轴线方向不等宽度磁极结构的削弱方案。该方案可以在保证电机转矩密度前提下,有效降低电机的极频振动。首先,根据麦克斯韦张量法,推导出电机径向电磁力的解析表达式,并建立了作用在电机定子齿部电磁力模型;同时,对样机中产生极频电磁力谐波的因素进行了分析研究。然后,通过有限元仿真分析,介绍了利用轴线方向不等宽度磁极结构降低极频电磁力的基本机理,并对优化前后的电机的电磁性能和振动加速度进行了比较分析。最后,研究结果表明,采用轴线方向不等宽度磁极结构能够有效地减弱极频电磁力谐波和振动,同时保持电机的转矩密度,证实了优化方案的有效性。

基于NEDC路谱的对称与非对称型永磁同步电机优化设计

用于电动汽车的永磁同步电机不仅需要考虑额定工况的性能,还需要考虑整个路谱下的综合效率。基于此,介绍了一种基于新标欧洲循环测试(NEDC)路谱的非对称V型内嵌式永磁同步电机优化设计方法。将上述非对称电机中永磁体上下两部分的几何参数分别作为独立参数进行参数化建模,然后以NEDC效率和转矩成本比为优化目标,采用遗传算法分别对对称和非对称V型永磁同步电机进行多目标优化。最后,选取帕累托前沿上的最佳设计点进行电磁性能仿真比较。仿真结果表明,与对称结构相比,非对称转子结构由于磁场偏移效应而表现出更强的转矩性能。因此,非对称V型永磁同步电机具有更加优异的电磁性能和更低的制造成本,在电动汽车领域具有广阔的应用前景。

基于ADRC的电动汽车内置式永磁同步电机控制策略

针对电动汽车内置式永磁同步电机在运行过程中存在转速响应差、超调量大和对外界抗干扰能力较低等一系列问题,提出了一种基于自抗扰控制(ADRC)的内置式永磁同步电机控制策略。自抗扰控制器不需要被控对象有精确的数学模型,将被控对象的所有不确定因素视为“未知扰动”,并对这些扰动进行实时补偿。在永磁同步电机控制系统的转速环中应用ADRC控制器取代传统的PI控制器,提高电机的控制精度和对外界的抗干扰能力。同时在内置式永磁同步电机控制系统中,在电机额定转速以下采用最大转矩电流比(MTPA)控制,在额定转速以上采用超前角弱磁的方法实现弱磁扩速。仿真结果表明,所提出控制策略是有效和可靠的。

新型转子内置式永磁同步电机设计与优化

目的为了提高车用内置式永磁同步电机运行性能,改善市面上常见车用“V”型内置式永磁同步电机谐波畸变,转矩脉动等问题。方法提出一种新型内置式永磁同步电机设计方法,结合车用内置式永磁同步电机设计指标与基本理论计算出电机主要尺寸,利用有限元仿真软件建立电机模型,分析了新型转子内置式永磁同步电机工况下的运行性能,并采用参数化扫描的方法对电机定转子开不同尺寸槽的齿槽转矩进行了研究,同时,为了提高电机的优化效果,对电机参数进行灵敏度分析,找出影响电机性能的主要变量,并进行分层多目标优化。结果仿真结果表明,新型转子内置式永磁同步电机在抑制反电势谐波畸变,削弱电机转矩脉动和减少电机损耗的方面要更加优秀;其次,通过在电机定转子上开辅助槽可以有效减小新型转子内置式永磁同步电机的齿槽转矩;最后,相比于电机的单层多目标优化,分层多目标优化可以获得更贴近实际使用需要的设计参数。结论所设计的新型转子内置式永磁同步电机要比“V”型内置式永磁同步电机更能满足目前新能源汽车内置式永磁同步电机高性能的要求,上述研究结果为车用内置式永磁同步电机的设计提供了参考依据。

基于代理模型的不对称极永磁电机优化设计

针对不对称磁极V型内置式永磁同步电机进行有限元优化耗时长的问题,提出了基于BP神经网络代理模型的优化算法。基于有限元模型对采样点进行性能计算,构建样本数据库,将转子相关结构参数作为优化变量,以高平均转矩和低转矩波动为优化目标。基于样本数据使用BP神经网络得到代理模型,采用NSGA-Ⅱ算法进行了结构优化。结果表明,优化后的结构参数具有较高的精确度,采样过程比直接基于有限元优化减少了90.7%的有限元模型调用次数。

内置式永磁同步电机振动噪声抑制方法

针对内置式V形永磁同步电机提出通过转子斜极和定子齿开辅助槽抑制电机振动噪声的方法。通过电磁场有限元仿真法计算额定功率11 kW、额定转速8200 r/min永磁同步电机径向电磁力的时间频率谐波和空间阶次谐波。通过有限元仿真方法和样机实验分别对电机的振动噪声进行计算,并将两者的声压级进行了对比,发现误差在合理的范围内。通过转子永磁体V形斜极和定子齿开辅助槽的方法抑制电机的振动噪声,可降低电机的A计权声压级。

三相电流不对称对永磁同步电机电磁力波的研究

通过有限元法研究了三相不对称电流对永磁同步电机径向电磁力的影响。经理论分析推导,三相电流不平衡条件下,电机会产生了0阶2倍频径向电磁力。以一台3 kW永磁同步电机为例,建立了有限元分析模型,分别对电机处于三相电流平衡与不平衡时的电磁力进行仿真计算,仿真结果验证了理论推导的正确性。

内置式永磁同步电机的MTPA模型预测控制

提出一种内置式永磁同步电机(InteriorPermanent Magnet Synchronous Motor,IPMSM)的最大转矩电流比(Maximum Torque Per Ampere,MTPA)模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)方法。方法通过MTPA控制,建立了电机电磁转矩参考值与定子电流d、q轴分量之间的关系。在瞬态时,上述方法与传统的单矢量MPC相同,以d、q轴电流的跟踪误差作为代价函数,保持了传统的模型预测控制动态响应快的特点;在稳态时,采用双矢量MPC,减小了转矩脉动,改善了电机的稳态控制性能。仿真结果表明,与i_(d)=0的MPC相比,给出的控制策略动态响应快,稳态转矩脉动小,铜损耗低。

基于极限学习机的永磁同步电机MTPA 控制方法研究

内置式永磁同步电机参数会随电机运行于不同工况而发生变化,这将影响电驱系统的控制精度及稳定性,为此需要对电机参数进行在线辨识。通过I_(d)=0及d轴注入反向电流得到关于电阻、磁链、电感的满秩方程组,构造出极限学习机算法辨识的电机数学模型。利用极限学习机算法在线辨识电机参数,其结果应用于永磁同步电机MTPA控制系统中,在电驱系统不同工况下运行,测试系统的动静态性能。仿真实验结果表明:在不同的工况下,永磁同步电机电驱系统的转速、转矩、电流动态响应快,稳态脉动小,系统鲁棒性高。

基于单锁相环位置融合衰减的内置式永磁同步电机控制策略

为改善无传感器内置式永磁同步电机从低速切换到高速时的运行性能,提出了一种单锁相环位置融合策略。在零低速运行时,注入电压高频脉冲信号,通过处理反馈输出电流幅值,得到转子位置信息;在中高速运行时,建立扩展电流滑模观测器,获得反电动势值,进而得到转子位置信息;在过渡区运行时,考虑注入电压幅值对转子位置观测系统的影响,构建新型融合衰减函数,将两种无感算法估算得到的转子位置误差信息进行融合,并输入至单个锁相环,从而解耦得到转子与转速信息。最后,通过试验验证了该控制策略可以实现不同工况下无感算法的平滑切换,提高转子位置观测精度。

电动汽车用永磁同步电机失磁机理与选区渗重稀土研究

由于电动汽车用永磁同步电机(PMSM)具有高功率密度的设计要求,使得磁钢更易受到电磁以及高温影响致使出现不可逆失磁,为此常在磁钢制备时加入大量镝、铽等贵重稀土元素,但该方法使得磁钢材料价格激增。本文以一台“三角”型内置式永磁同步电机为研究对象,分别研究了温度、电枢电流大小以及弱磁角这三个因素对电机磁钢的失磁特性影响,进而确定磁钢的易失磁位置及失磁扩散规律。在此基础上,通过将电机磁钢材料的牌号更改为较低的牌号,并提出合理的选区渗重稀土设计方案,实现了在不损失电机性能的情况下,减少重稀土元素用量的目的。最后,提出一种适用于计算选区渗重稀土设计方案中最大内禀矫顽力提升倍数的方法,可为电动汽车用永磁同步电机磁钢减重稀土研发设计提供参考。