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。

横向磁通永磁直线电机电磁振动特性分析

横向磁通永磁直线电机的电负荷与磁负荷相互解耦,且各相之间相互解耦,易于实现模块化和多相化,因此在石油开采领域有着良好的应用前景。首先,该文基于磁场调制原理,对横向磁通永磁直线电机的径向电磁力波进行了推导计算,得出对径向电磁力波影响最大的因素为轴向气隙磁通密度分量与径向气隙磁通密度分量,在此基础上对径向电磁力波的时空特性与频谱特性进行仿真计算,得出电枢磁通密度对电机径向电磁力波的频谱特性的影响;然后,考虑到电机实际运行中可能出现的次级偏心问题,揭示偏心度的大小对径向电磁力波幅值的影响,并对比不同偏心度下的电机径向磁拉力与轴向磁拉力,定量分析偏心度对不平衡磁拉力的影响;最后,为避免共振,利用有限元软件对电机的初级进行了模态分析与谐响应分析,结果表明低速状态下横向磁通永磁直线电机的额定运行频率较低,不会引起初级的共振,适合用作往复式潜油电泵的驱动电机。

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。

考虑端部效应的动子无源型Halbach磁悬浮永磁直线电机电磁力分析

针对光刻机等高精确度定位平台无摩擦、无接触、无噪声需求,提出一种采用动子无源型平移和悬浮一体化Halbach磁悬浮永磁直线电机以实现定位平台的无摩擦悬浮及长距离定位运动。为了精确分析该类电机的悬浮力和推力特性,提出一种考虑动子永磁体端部效应的电机磁场解析模型并采用傅里叶分解法得到Halbach阵列永磁体磁场解析式。基于此磁场解析模型,通过洛伦兹力法得到了动子电磁力解析模型,并基于正交分解法推导了电机悬浮力和推力解耦的电磁力模型。结合有限元仿真对建立的电磁模型进行了对比验证,在此基础上,设计并制作了一台10极12槽样机,通过搭建实验平台进行推力和悬浮力测试,将实验测试值与有限元仿真值和解析值对比验证了所提出方法的准确性和快速性。

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。

无源多动子永磁同步直线电机定位方法研究

为实现永磁同步直线电机系统中对多个无源动子的绝对定位,设计了基于双磁道的短磁栅、长传感器定位方案。双磁道包括增量式磁道和绝对式磁道,每个磁道中的短磁栅为永磁体阵列,长传感器内霍尔阵列由线性霍尔芯片组成,且长传感器包含多个线性霍尔阵列。其中,增量式磁道采用区间查表方式计算位移增量,绝对式磁道采用连续位移编码方式识别绝对偏移量。定子传感器数字信号输出的霍尔芯片阵列与主控MCU之间通过总线方式连接,且信号处理和传输均在MCU中进行,简化了硬件电路。结果表明,无源多动子绝对位置传感器具有不同应用场景便于移植的特点,使无源动子的定位更灵活。

基于传动模型重构的永磁同步直线电机机械参数辨识

针对永磁同步直线电机(permanent magnet synchronous linear motor,PMSLM)机械参数辨识中存在模型不准确、辨识参数耦合、辨识精度低等问题,该文提出一种基于传动模型重构的机械参数辨识算法。首先,根据重构模型建立扩张状态观测器得到动子质量和摩擦力、电磁推力、质量辨识初值的耦合信息;其次,为消除这种耦合,提出一种两级式的动子质量解耦辨识策略。再次,根据PMSLM的摩擦特性,构造一种综合考虑速度和加速度影响的摩擦力模型,更精确地描述真实摩擦力。最后,搭建基于机械参数辨识算法的控制系统,通过仿真和实验验证,证明所提辨识算法的有效性。

基于混合自适应扩展卡尔曼滤波的永磁同步直线电机等效机械参数辨识策略

针对机械参数辨识精度受推力系数波动影响而降低的问题,提出等效机械参数模型,将推力系数与待辨识参数相结合,并推导该模型在控制器调谐和前馈补偿上与传统模型的等效性。为了进一步实现等效机械参数在线辨识,构建基于混合自适应扩展卡尔曼滤波的辨识器。混合自适应扩展卡尔曼滤波在系统噪声矩阵和渐消因子中加入自适应机制,能够估计系统噪声,并在负载突变时快速收敛。通过对系统可观性和矩阵正定性的推导,证明算法的稳定性。最后,在一台永磁同步直线电机上进行实验,验证所提算法的有效性及其在PWM周期为32 kHz和10 kHz时在线运行的可行性。

基于杂散磁场信号螺旋曲线投影变换与ResNeXt-18的永磁直线电机偏心故障诊断

该文提出一种基于杂散磁通密度信号立体螺旋曲线投影面变换与ResNeXt-18深度学习框架相结合的方法,以实现永磁同步直线电机(PMSLM)偏心故障的非侵入式诊断。首先,建立PMSLM有限元模型,分析静态和动态偏心故障下的电机内部与杂散磁场分布。采用隧道磁阻效应(TMR)传感器并设计连接件,实现传感器与电机动子一体化设计,对电机外部杂散磁通密度信号进行实时非接触式测量。其次,引入立体螺旋曲线变换(TDSCT)信号处理算法,对电机偏心故障下的外部杂散磁通密度一维信号进行三维调制,并通过对多视角下二维投影面图像的拼接融合,实现故障特征的可视化增强。然后,引用深度学习ResNeXt-18分类框架,通过对杂散磁通密度信号二维投影面数据集的训练学习,实现偏心故障的定量精细化诊断,精度高达99.4%。与Xception,ResNet-18,GoogLeNet和CNN的对比实验表明,ResNeXt-18具有更高的诊断精度和鲁棒性。最后,搭建PMSLM样机实验平台,验证了该文所提方法的有效性。

基于深度神经网络的永磁直线电机仿真与优化

针对永磁直线同步电机(permanent magnet linear synchronous machine,PMLSM)有限元仿真模型的计算时间长,不能直观地显示结构参数与输出推力的关系,无法指导电机结构参数优化等问题,提出基于子域解析法和深度神经网络算法的PMLSM改进仿真模型,根据麦克斯韦方程组计算得到电机的磁通密度、空载反电势等性能数据,结合深度神经网络算法拟合出电机结构参数与输出推力的非线性关系。基于此模型,使用自适应遗传算法对PMLSM的推力密度进行优化,并与有限元仿真结果对比。结果表明:PMLSM改进仿真模型的计算速度是有限元模型的87.1倍,推力计算结果与有限元结果的平均误差为2.87%,优化后的电机推力密度提高了5.7%。

基于Halbach充磁的圆筒型永磁直线发电机分析优化

为了提高波浪能发电效率,提出了一种基于Halbach充磁的圆筒型永磁直线发电机。利用有限元分析软件建立电机仿真模型,分析比较了径向充磁、轴向充磁和Halbach充磁三种不同充磁方式对气隙磁场强度及感应电动势的影响;并在Halbach充磁条件下,分别比较了不同气隙大小及永磁体厚度对气隙磁场强度的影响;通过初级两端开辅助槽和选用半开口槽的方式对电机的定位力进行了分析优化。实验结果表明,基于Halbach充磁的圆筒型永磁直线发电机与传统电机相比感应电动势幅值提高了143%,定位力幅值降低了49.3%。

双边聚磁式槽口型永磁直线电机多目标优化研究

聚磁式槽口型永磁直线电机是一种将永磁体置于初级侧槽口的一种新型直线电机,适合于低速大推力的应用场景。在运行过程中,该电机不可避免地产生较大的推力和法向力波动。提出一种新型双边结构,分析该电机的工作原理和影响电磁力波动的因素,结合有限元法与解析法,依次分析了电机叠厚、次级高度、永磁体厚度、初级齿宽、次级槽宽对电机推力大小、推力和法向力波动的影响。基于响应面法,以减少推力和法向力波动、保证大推力为优化目标,得到电机优化参数,将优化前后电机特性进行对比分析。