基于有限元分析的3种圆筒型永磁同步直线电机的运行仿真

介绍了3种不同结构形式的永磁同步直线电机,基于3个不同的有限元模型,对电机的气隙磁密、齿槽力和力密度进行了分析。在分析过程中为减小电机推力的波动,进行了电机参数的优化设计。最后通过2台样机的测试,进一步验证了分析方法的正确性。

圆筒型永磁同步直线电机偏心驱动模式下的纳米定位控制

分析圆筒型永磁同步直线电机(TPMSLM)定位波动产生原因,提出由TPMSLM定子和动子偏心安装产生电磁阻尼,与导轨密封垫阻尼结合来吸收和抑制电磁扰动引起的推力波动,以达到精确定位的目的。采用偏心结构在电机内构建一个作用类似于旋转电机滚珠丝杆传动机构的"中间环节",分析表明TPMSLM定子和动子偏心量与电磁扰动抑制能力成正比关系,当TPMSLM定子和动子偏心后的低端缝隙δ≤0.2mm时,其电磁扰动抑制能力提高了近10倍。此外实验也显示了导轨密封垫阻尼能吸收50%左右的电磁扰动量,实验证实了本文分析的正确性。

圆筒型永磁同步直线电机大行程无过冲纳米定位驱动

为减少圆筒型永磁同步直线电机(TPMSLM)在直接驱动方式下的电磁扰动对纳米定位的影响,研究了TPMSLM定子与动子偏心安装的驱动模式,用于改变TPMSLM内部空间磁场分布,使包含电磁扰动的轴向电磁推力得到有效衰减,同时产生包含电磁扰动的径向电磁力,当两者与导轨摩擦阻尼共同作用时,可实现对电磁扰动的有效吸收.针对TPMSLM定位过冲,研究了变系数PI控制算法,用于实时改变系统的动静态驱动特性,达到对大行程驱动和纳米定位驱动的最佳控制.实验表明,TPMSLM偏心驱动模式及变系数PI控制算法能较好地满足大行程无过冲定位驱动和稳态定位波动小于10 nm的要求.

圆筒型永磁同步直线电机驱动的新型伺服压力机

提出了一种圆筒型永磁同步直线电机驱动的新型伺服压力机,采用肘杆增力机构解决了直线电机输出力不足的问题,进而扩大了直线电机式伺服压力机的公称压力。该种方式实现了采用小功率的伺服电机以获得较大吨位输出力的目的。此外,基于分散多动力思想,将圆筒型永磁同步直线电机与肘杆增力机构组成的单套动力源进行并联式机械组合,可形成2套、3套等多套动力源同步驱动的新型伺服压力机,获得了微、小、中、大等不同规格的伺服压力机。这种形式便于实现直线电机式伺服压力机的标准化、系列化和模块化。对单套动力源驱动的新型伺服压力机进行了仿真分析和样机研制,并对该新型伺服压力机进行了实验验证。结果表明,该新型伺服压力机具有良好的输出力、充足的锻压能力、灵活的运动。

两相无槽圆筒型永磁同步直线电机电感计算与分析

在电机行程范围内,两相无槽圆筒型永磁同步直线电机的电感会受到电机绕组断开与耦合长度变化的影响,使其变化复杂,无传感控制算法难以实现。因此,需要对该电机电感进行精确的建模。该文基于轴向磁动势函数与轴向比磁导函数分别推导得到该电机在全耦合状态下和全行程范围内电感解析模型。在此基础上,利用有限元数值计算法对电感模型进行参数计算与验证分析,并总结电机全耦合状态下电感的特征,给出耦合长度变化对于电感直流分量与2次谐波幅值的影响规律。最后,对比了样机电感的实验测量值与模型计算值。结果表明,两者之间误差仅为0.04mH,证明了电感模型的正确性。

附加槽对圆筒型永磁同步直线电机齿槽力影响研究

为了提高圆筒型永磁同步直线电机在高速加工中心等应用场合的伺服驱动性能,使用专业电磁分析软件Ansoft对圆筒型永磁同步直线电机的齿槽力进行分析。初级齿部加附加槽能在一定程度上减小齿槽力,附加槽的尺寸大小和形状均会对电机的齿槽力产生影响,因此重点对附加槽的最佳尺寸和形状进行了研究。

圆筒型永磁直线电机电磁振动特性研究

为了研究圆筒形直线电机的电磁振动特性,通过建立考虑电磁力空间分布的圆筒型永磁直线电机电磁振动解析模型,对该型电机的振动机理进行了研究。首先,基于Love壳体理论推导了电机简化壳体的模态参数;然后,结合圆筒永磁直线电机特有的轴向简谐分布、周向均匀分布电磁力,基于模态叠加法计算了电机简化壳体电磁振动,解析计算结果与有限元仿真值吻合较好;最后,利用所建立的解析模型分析发现,圆筒型直线电机电磁振动由径向呼吸模态决定,改变变频器的开关频率降低了电机的高频电磁振动幅值,相关理论分析和计算结果通过样机试验得到了验证。

梯形Halbach交替极无铁心永磁同步直线电机特性分析与优化设计

针对无铁心永磁同步直线电机(PMLSM)存在推力波动问题以及磁极结构对永磁体利用率的影响,从结构方面着手,提出一种梯形Halbach交替极磁极结构的无铁心永磁同步直线电机,对Halbach阵列进行优化设计。首先通过有限元法对比在Halbach交替极、双层Halbach磁极与梯形Halbach交替极3种磁极结构中PMLSM的电磁性能,分别对气隙磁场谐波成分、空载反电动势、电磁推力以及推力体积比进行计算与对比。其次,采用等效磁化强度法定性分析磁极结构对电机出力性能的影响,并引入Kriging模型,结合多目标优化算法对关键参数进行优化以提高电机平均推力和推力体积比,降低推力波动,得到3个优化目标的Pareto前沿。最后,通过仿真分析验证设计方法的有效性以及电机性能的改善。结果表明:梯形Halbach交替极磁极结构永磁体利用率更高,具有实用价值;梯形Halbach交替极PMLSM能够有效抑制推力波动并保持在7%左右,适用于高精确度加工设备。

基于正交试验法的圆筒型永磁直线发电机优化设计

通过改变永磁体尺寸、比例系数以及定子齿宽等参数,分析了这些参数对发电机反电动势的影响情况,并以波形畸变率最小为目标,设计了正交优化试验,得到了上述参数的最优尺寸,所得到的仿真结果为圆筒型永磁直线发电机的设计和优化提供了理论依据。

永磁直线同步电机改进预测电流控制

永磁直线同步电机(PMLSM)预测电流控制(PCC)时存在易受参数变化和延迟以及负载扰动影响,为此提出基于二阶超螺旋滑模观测器(STSMO)的改进型PCC。首先,建立包含不确定性的PMLSM动态数学模型。然后,为了补偿参数变化以及延迟的影响,采用二阶STSMO估计下一周期的电流和参数变化造成的扰动电压,估计值用以计算下一周期的给定电压,以提高电流跟踪精确度,通过李雅普诺夫函数证明观测器的稳定性。同时,采用基于改进指数趋近律的自适应滑模控制器(ASMC)对速度进行跟踪,将状态变量和滑模面加入到指数趋近律中,不仅削弱了电流抖振,且进一步提升了系统的鲁棒性。半实物仿真实验结果表明,与传统PCC相比,提出方法能有效地抑制不确定性对系统影响,使系统具有更好的跟踪性能和鲁棒性。

基于扩张状态观测器的永磁直线同步电机改进模型预测电流控制

针对永磁直线同步电机(PMLSM)模型预测电流控制(MPCC)中存在的电流脉动过大、在线计算复杂的问题,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的改进MPCC策略。利用最优电压矢量相角和重新划分后的电压矢量扇区,改进第一电压矢量的选取方式,减小第二电压矢量选择范围,以实现电压矢量的快速选取,进而降低电流脉动。同时,为了提高PMLSM抗负载扰动能力,通过ESO对扰动进行观测,将观测到的扰动转换为电流进行补偿,提高系统的鲁棒性,且补偿电流可起到进一步减小电流脉动的作用。仿真结果表明,所提出的控制方法切实可行,与MPCC相比,基于ESO的改进MPCC系统具有更好的控制性能、更小的电流脉动和较强的鲁棒性能。

永磁同步直线电机的矢量控制

由于旋转电机加滚珠丝杠的传统机械结构加入了中间传动环节,无法进一步提升使用性能,研究了永磁同步直线电动机矢量控制算法.针对永磁同步直线电动机开展矢量控制算法分析以及验证工作,在矢量控制系统框架下进行了硬件搭建与软件设计,搭建了永磁同步直线电机矢量控制验证平台,测试核心算法,经过试验,设计的软/硬件能够对永磁同步直线电机进行有效控制,有较好的鲁棒性.

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。

分段式双三相永磁直线同步电机的无模型电流预测控制

分段式结构的双三相永磁直线同步电机(PMLSM),动子穿入和穿出定子分段时,传统的无差拍预测电流控制(DPCC)易受反电动势动态扰动的影响,无法实现精确的电流跟踪和推力控制。同时,该电机模型的参数失配会增大DPCC电流和推力控制的难度。针对以上问题,该文提出了一种基于无模型电流预测控制(MFPCC)的电流控制策略。首先,构建了分段式双三相PMLSM的超局部模型。其次,基于该超局部模型设计了预测电流控制器,并设计扰动观测器以补偿反电动势动态扰动和参数失配的影响。最后,实验验证了所提MFPCC能够抑制分段式双三相PMLSM的反电动势和参数失配的扰动,有效提升参数鲁棒性、电流跟踪性能并降低推力波动。

模块化永磁直线同步电机考虑制造公差的推力鲁棒性优化

模块化永磁直线同步电机(MPMLSM)具有效率与推力密度高、可靠性和可加工性好等优点,非常适用于长行程运输系统;缺点是批量生产中性能易受到加工公差的影响。针对这一问题,该文提出了一种考虑制造公差的综合多目标鲁棒优化设计方法。首先,基于六西格玛设计方法建立了鲁棒优化模型;其次,采用拉丁超立方采样方法在尺寸公差范围内根据正态分布规律进行抽样,模拟大规模生产时电机尺寸受公差影响可能会出现的各种变化;再次,在尺寸优化范围内均匀抽样构成足够的训练样本,由有限元软件仿真这些抽样方案的推力性能,并基于反向传播神经网络建立电机设计代理模型;然后,应用该代理模型对拉丁超立方采样得到的样本进行电机性能的计算,求解样本整体对应的各优化目标的均值与方差,进而计算多目标优化的适应度;最后,采用非支配排序遗传算法Ⅱ进行全局优化,得到鲁棒优化方案,与不考虑公差的确定性优化方案相比,验证了该方法的有效性。鲁棒优化方案虽然略微增加了电机体积和推力波动,但是其失效概率低,受公差影响小,更加符合产品批量生产过程中的质量要求。

基于级联线性-非线性自抗扰控制器的永磁直线同步电机速度控制策略研究

为了提升永磁直线同步电机(permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM)在负载变化、参数摄动和其他不确定因素下的抗扰性能和速度跟踪性能,提出一种基于级联线性-非线性自抗扰控制器的PMLSM速度控制策略。首先,建立考虑负载扰动和参数失配的PMLSM数学模型;其次,设计级联线性-非线性扩张状态观测器来实时估计和补偿系统所受的不确定扰动,前级线性扩张状态观测器保证系统在大扰动下保持稳定,后级非线性扩张状态观测器利用非线性机制进一步提高系统对扰动的估计精度,从而将线性自抗扰控制和非线性自抗扰控制的优势相结合,以此提升系统的速度跟踪性能和抗扰动能力;并且,对所提控制器提出基于劳斯判据的稳定性分析方法,并对系统的抗扰性能和噪声抑制性能进行了频域分析;最后,对基于PI控制、级联线性自抗扰控制、非线性自抗扰控制和级联线性-非线性自抗扰控制的永磁直线同步电机系统进行仿真和实验对比,验证所提方法的优越性。

基于SOGI高频方波电压注入的永磁直线同步电机无感控制

针对永磁直线同步电机的无感控制技术,为了解决传统高频方波注入法无法准确定位转子位置和转速的问题,提出了基于SOGI高频方波电压注入的无感方法。与传统的高频方波电压注入法不同,为了得到更好的高频电流信号,采用二阶广义积分器提取响应高频电流信号,采用正交锁相环解决反正切函数没有反馈直接放大噪声的影响。为证明无感控制技术的有效性,用Simulink进行了仿真验证。结果表明,基于SOGI高频方波电压注入的无感方法大大降低了误差,缩短了调节时间,提升了响应时间。

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。

基于有限时间状态观测器的永磁同步直线电机递归终端滑模控制

针对载荷变化、非线性摩擦、推力波动和外部扰动等不确定性降低永磁同步直线电机位置跟踪性能的问题,提出一种基于有限时间状态观测器的递归终端滑模控制方法。首先,建立考虑有界集总不确定性的直线电机动力学模型。其次,设计快速终端滑模函数和积分滑模函数的递归结构,强制系统直接从滑模面启动,减少了跟踪误差的收敛时间。然后,引入有限时间状态观测器实时估计集总不确定性并前馈补偿到控制率中,提高系统的鲁棒性和减少抖振。接着,利用李雅普诺夫理论分析闭环控制器的稳定性和有限时间收敛性。最后,搭建基于半实物AD5435的实验平台,实验结果验证了所提方法的可行性和优越性。

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。