基于代理模型的双气隙混合转子低速大转矩同步电机优化设计

为解决常规低速大转矩电机普遍存在体转矩密度低、永磁体用量多等问题,提出了一种双气隙混合转子低速大转矩同步电机拓扑结构。然而,该种电机结构相对复杂、设计参数多、优化难度大,对此提出了一种基于代理模型的双气隙混合转子低速大转矩同步电机高效优化设计方法。首先,以提高输出转矩与降低转矩脉动为优化目标,对电机的参数进行敏感性分析,实现了在保证代理模型精确度的基础上精简优化变量。然后,为提高该种电机多目标优化设计的精确度和效率,同时缩短优化周期,提出了一种序贯子空间与模式搜索算法相结合的优化算法对电机进行优化处理。最后通过有限元仿真与实验方法验证了所构建代理模型的精确性、合理性和优化方法的有效性、先进性。

低速大转矩永磁同步电机矢量控制研究

低速大转矩永磁同步电机调速系统在负载频变时存在动态响应慢的问题,本文分析了永磁同步电机数学模型、无传感器控制和自抗扰控制原理后,提出了一种基于滑模观测的自抗扰控制方法,并将其应用于矢量控制中,以提高永磁同步电机的运行性能。与传统滑模观测器相比,该方法的观测器是采用饱和函数sat作为开关函数,并引入锁相环得到转子位置估计值的方法,来减小估计误差。此外,再对滑模观测器的输出值进行动态跟踪与实时补偿来设计出适用于永磁电机的自我补偿型自抗扰控制器,并将该方法应用到永磁同步电机矢量控制系统中。仿真结果表明:采用自抗扰控制器的矢量控制系统具有更好的抗扰动能力和跟踪精度,电机满载启动时无超调,负载转矩突然变化时,系统能快速响应。

低速大转矩永磁电机弱磁特性计算分析

针对内置式低速大转矩永磁电机数学模型以及永磁电机弱磁控制策略,提出适合低速永磁电机弱磁设计的解析计算方法。结合变频器逆变电压和输出电流,分析反电动势、磁路结构、电感等参数与弱磁调速范围的关系。同时,研究分析空载反电动势的选取范围;不同磁路结构对电感、转矩和弱磁范围的影响;交轴磁路饱和对弱磁转矩的影响;定子电阻在弱磁高速段对输出功率的影响。在此基础上试制一台样机,进行了真机验证,证明了理论与计算分析的正确性。

永磁/磁阻混合转子双定子低速大转矩同步电机冷却及热管理技术研究

低速大转矩同步电机(LSHTSM)在诸多领域有着广泛应用,针对现有低速大转矩永磁电机内部空间未得到充分利用,转矩密度较低且永磁体成本高、易发生高温退磁等问题,研究了一种永磁/磁阻混合转子双定子低速大转矩同步电机。首先,介绍了电机的拓扑结构及机械结构,针对电机结构复杂、温度难以快速准确计算问题,建立了电机精确热网络温度计算模型,详细推导了电机各特殊结构件之间的热阻数学模型,解析计算了电机各部件稳态温度,总结了电机温度分布特点。其次,针对电机结构特殊、散热困难问题,设计了一种双水冷方式的冷却系统,研究分析了冷却系统结构参数对电机冷却效果的影响,总结了特殊结构电机冷却系统设计原则。最后,分别采用有限元仿真与实验方法验证了所建立热网络温度计算模型的准确性以及冷却系统的有效性。

低速大转矩液压马达标准化现状与对策研究

分析了低速大扭矩液压马达的国内外产业现状,明确了该产品在最大工作压力、最大输出扭矩、转速范围、使用寿命等重要性能指标存在的国内外技术差距;梳理了现行有效的低速大扭矩液压马达的国家和行业标准,提出了产品的基础性指标、核心指标和先进性指标,并对比分析了在机械行业标准和船舶行业标准中产品核心指标的检测方法的技术差异。指出现有行业标准在适用范围、试验方法和技术指标方面存在的问题,提出标准化工作建议,为后续行业标准的制修订工作提供参考和借鉴。

矿山带式输送机用低速大转矩永磁电机冷却系统设计

电机的最大扭矩产生能力通常取决于在达到最大温度阈值之前绕组电流密度可以提高的程度。因此,设计散热能力更好的冷却系统实现最大电流密度限制对于优化电机的性能至关重要。以矿山带式输送机用低速大转矩永磁电机为研究对象。通过采用流体-热耦合的分析方法对冷却系统进行设计,分析了水道数量和进水速度对电机散热效果的影响,最终得到散热能力强的冷却系统。最后研制了样机并进行对拖加载温升实验,实测电机额定负载下温升实验数据并与仿真结果进行对比。结果表明,仿真结果与实验数据符合很好,验证了冷却系统设计的有效性与正确性。

单级/二级可调增压系统对船用发动机低速性能的影响

为提高船用高功率密度发动机低速性能,设计单级/二级可调增压系统,利用一维热力学仿真软件对分别搭载单级/二级可调增压系统、传统二级可调增压系统及单级增压系统的同一发动机性能进行仿真计算。仿真结果表明:转速小于1 200 r/min时,搭载传统二级可调增压系统的发动机性能明显提升,转速大于1 400 r/min时燃油经济性恶化;转速小于1 100 r/min时,搭载单级/二级可调增压系统的发动机,性能提升优于传统二级可调增压系统,转速大于1 200 r/min时性能与单级增压系统发动机基本持平;与传统二级可调增压系统发动机相比,单级/二级可调增压系统发动机提升低速转矩的潜力更大;发动机转速小于1 000 r/min时,与传统二级可调增压系统相比,转矩储备增加9%~30%。

低速大转矩永磁直驱电机研究综述与展望

低速大转矩永磁直驱电机替代传统的感应电机加机械减速机构的传动模式具有明显的优势,受到越来越广泛的关注。转矩密度是衡量低速大转矩直驱电机的关键指标之一,本文主要从结构特点、应用现状和科研进展等方面,介绍了真分数槽集中绕组永磁电机、永磁游标电机、永磁盘式电机、横向磁通电机和双定子/双转子电机等几类高转矩密度低速大转矩永磁直驱电机。概述了转矩脉动、气隙偏心故障、机械强度和温度场研究等的必要性和方法。基于研究现状展望未来发展方向,为实现高性能低速大转矩永磁直驱电机提供参考。

分数槽低速大转矩永磁同步电机设计

设计了一种30槽32极分数槽低速大转矩永磁同步电机(FS-PMSM),分数槽绕组采用上下左右四层绕线方法,突破了常规的单、双层绕组方法,通过有限元方法对电机电磁转矩进行分析,发现选择合适的槽电势偏移角不但可以增加一定的电磁转矩,而且可以有效减小转矩波动。在综合考虑电机转矩性能和气隙磁密正弦性的基础上,采用钕铁硼永磁与铁氧体永磁相结合的方法,对电机转子磁极结构进行优化,减少了钕铁硼永磁体的用量,降低了电机造价;对空载反电势进行谐波分析,优化后的磁极结构能减少反电势中的谐波含量。对电机进行二维动态仿真,结果表明方案设计合理,能够表现良好的性能,对此类电机设计与优化具有较高的参考价值。

内置式低速大转矩永磁轮毂电机的设计研究

针对应用于车辆自重较大场合的低速大转矩永磁轮毂电机,给出了转子磁极结构、电枢绕组形式以及极槽配合的选用原则,采用分数槽集中绕组结构可以削弱谐波电动势的影响,提高端部空间利用率和降低齿槽转矩。设计一台12槽10极内置径向式永磁同步轮毂电机,采用有限元法对漏磁、气隙以及极弧系数等影响因素进行研究,以提高电机的输出性能。对样机进行了计算和实验测试,计算结果与实验结果相符,表明了设计分析的正确性。

低速大转矩永磁电机的转子散热问题

对一台低速大转矩永磁电机进行有限元温升计算,并在保证电机性能参数基本不变的情况下对电机进行改进设计,缩短了铁心长度,提高了转矩密度,节省了材料。但改进后电机的转子和永磁体温度过高,易使永磁体退磁。结合fluent流固耦合计算方法,首先理论分析影响对流换热强弱的因素,然后研究加装散热风刺的不同尺寸对永磁体散热效果的影响规律,以及开设转子轴向、径向通风道对永磁体散热效果和温升分布的影响。最后进行样机试验,与理论分析结果进行对比,验证了所提转子散热方法的有效性及计算的准确性。该方法对低速大扭矩永磁电机的设计有借鉴意义。

基于相位分析的双定子低速大转矩永磁同步电动机转矩脉动研究

针对双定子低速大转矩永磁同步电动机的转矩脉动问题,该文基于相位分析研究了内外定子槽数配合以及内外定子相对位置对双定子永磁同步电动机转矩脉动的影响。利用叠加原理,将整个电机分为两个部分,即内、外两个电机分开研究转矩脉动。在内外定子槽数不同的情况下,通过分析反电动势,发现谐波的绕组系数正负性会对内外电机反电动势的相位产生影响,基于此,对内外电机反电动势相位进行了预测,并进一步预测内外电机各自的纹波转矩相位,分析了内外电机纹波转矩相位对整个电机纹波转矩的影响。在内外定子槽数相同时,基于电动势和电流的转矩模型,论证了内外定子A相轴线的相对位置会影响整个电机的转矩脉动大小。通过有限元仿真,验证了以上的理论预测。

带式输送机低速大转矩直驱滚筒控制方案

针对带式输送机主滚筒采用异步电动机配合液力偶合器的驱动方式存在效率低、启动冲击大等问题,提出基于外转子永磁同步电动机(PMSM)的带式输送机直驱滚筒控制方案。为实现低速大转矩控制,采用基于旋转坐标系直轴电流为零的矢量控制策略;针对低速运行时反电动势小、转子位置和速度估算精度低的问题,引入高频脉振信号注入法来估算转子位置及速度。建立直驱滚筒调速控制系统实验平台,进行了稳态特性测试、启动特性测试、负载特性测试,验证了PMSM直驱滚筒控制系统在0~90 r/min转速范围内转矩响应快速,转速稳定可调,较好地满足了带式输送机低速大转矩的启动调速要求。

一种基于滑模观测器的低速大转矩永磁同步电动机无传感器控制方法研究

针对低速大转矩电机驱动系统,在对无传感器技术的研究之后确定了一种基于观测器的转子转速/位置估算方法。在分析低速大转矩永磁同步电机数学模型的基础上,根据其特点,设计了一个滑模观测器,实现转子速度与位置的估算。该方法对系统运行时的噪声和参数的变化有很好的鲁棒性。理论分析和仿真实验,说明了方法的可行性和正确性。

低速大转矩PMSM无速度传感器转矩脉动抑制

传统高频信号注入法在获取转子位置信息时,使用滤波器会造成电流环响应与位置估计延迟的问题,而且由于大功率控制器的低开关频率、逆变器非线性因素和伴随着高频注入会带来周期性的转矩脉动的问题。为解决上述问题,采用一种无滤波器基波电流与高频电流分离方法,通过简单的数学运算可以将基波电流和高频电流分离,减少转子位置估计过程中的相位延时,提高永磁同步电机(PMSM)无速度传感器控制精度和动态性能;为抑制这些周期性转矩脉动,采用电流环比例积分~谐振(PIR)控制器抑制周期性谐波电流,从而抑制转矩脉动。搭建了低速大转矩PMSM实验平台,对所提高频方波注入法和PIR控制进行验证,结果表明了控制策略的正确性和有效性。

强迫通风在低速大转矩永磁电机上应用分析

为了解决低速大转矩永磁电机铜损耗大、局部温升过高的问题,以一台630 kW、37.5 r/min的低速大转矩永磁同步电机为研究对象,提出一种风自循环冷却方式,并对其可行性进行了计算分析。首先建立自循环强迫通风计算结构模型和数学模型,并用有限元法确定电机各部分的损耗及生热率;基于流固耦合分析方法对通风孔尺寸进行了优化设计,得到最优通风结构尺寸参数;分析了不同入口风量变化对电机温升的影响规律,同时保证入口风量相同,分析了绕组浸漆和不浸漆状态下的温升规律。在此基础上,为了解决冷却气体分布不均匀导致电机温升分布不均的问题,对机壳与风罩之间的距离进行优化设计,总结了保证气体流动均匀性的方法,为低速大转矩永磁电机的冷却系统设计提供了参考。

低速大转矩无刷直流电动机的设计研究

提出了一种40极48槽的双模块低速大转矩无刷直流电动机结构,两个模块的结构完全相同。建立了二维模型,建模过程考虑了周期性因素,将整体模型简化为1/8模型,进行了电动机的静态和瞬态磁场仿真,在瞬态仿真过程中,对永磁体和齿尖进行了网格细化。在仅考虑永磁体的静态场和同时考虑永磁体和电枢绕组的瞬态场的两种情况下,最大磁通密度均位于定子齿尖,永磁体所产生的气隙磁密幅值大于1 T。研究了齿槽转矩和极弧系数的关系,选择合理的极弧系数可以大大降低齿槽转矩。最后对电动机瞬态转矩进行了分析,结果表明电动机能够提供较大的转矩,单模块通电时转矩波动在2 k N·m到2.5 k N·m之间波动,两模块通电时,通过使两个转子旋转一个角度,可以提供4.375 k N·m的转矩且波动较小。

转子混合偏心对低速大转矩永磁同步电动机的影响

本文首先分析永磁同步电动机(PMSM)的转子混合偏心形式和偏心成因,然后建立凸极转子混合偏心状态的凸极永磁同步电动机模型进行仿真研究。研究结果表明,永磁电动机转子混合偏心后,气隙磁密分布变化明显,反电势下降,造成负载电流增加,电动机电磁振动噪声增大;车削电动机转子外圆后反电势进一步减小,负载电流增加,电动机电磁振动噪声变化不显著。转子结构方面,转子偏心后不平衡磁拉力造成转子循环应力,降低疲劳寿命,车削转子外圆后,削弱不平衡磁拉力带来的转子循环应力,有益于增加电动机的疲劳寿命。

低速大转矩永磁电动机表贴式磁极结构涡流损耗研究

表贴式磁极的永磁体与气隙直接接触,定子齿槽效应会在磁钢表面产生涡流损耗,严重时会导致永磁体的不可逆去磁。针对该问题,本文提出在常规表贴式永磁体表面加装双曲导磁极靴的方法,采用有限元仿真对比分析加装极靴前后永磁体内磁密波形和损耗变化情况,以一台采用双曲极靴磁极的螺杆泵用低速大转矩永磁电动机为研究对象,采用标准遗传算法优化设计双曲极靴磁极结构参数,并用仿真和样机测试进行验证,结果表明,双曲极靴磁极可有效降低常规表贴式永磁电机的永磁体损耗,电机温升、效率等指标均优于常规表贴式磁极电机。