电力电子与电机集成系统研究方兴未艾——访清华大学电机工程与应用电子技术系副主任、博导赵争鸣博士

春天的清华大学校园生机勃勃,清新的空气中流动着一股浓浓的学术气氛。带着欢愉与神圣的心情记者走进电机工程与应用电子技术系,采访了系副主任、电力电子及电机系统专家赵争鸣博士。赵博士刚从欧洲探访ABB归来,谈话从快乐的欧洲之旅开始。他此行参观了ABB电力电子部门,带回了电力电子发展潮流,随后赵博士与记者重点探讨了电力电子与电机集成系统的发展。

电力电子-电机集成系统组合自由度浅析

针对最常见的交流电机系统,以系统级串联和并联的思路,介绍了串联型拓扑集成和并联型拓扑集成两大方法.在串联型集成方法上,以开绕组电机驱动为基础,介绍了适用于调速范围拓展和容错的串联绕组拓扑及悬浮电容拓扑等.在并联型集成方法上,介绍了常规多相电机驱动、逆变器并联驱动三相电机及多模块电机驱动等技术,实现容错、电磁兼容和振动的改善.最后,针对以磁悬浮轴承为代表的特种电机,介绍多自由度电机和控制器集成的特殊方法.这几个案例说明:结合电力电子和电机的特点进行自由度的组合,可以更有效地改善电机系统的综合性能,实现电力电子化电机系统的真正集成.

基于端部漏磁场分析的集成式电机驱动系统在线匝间短路故障诊断

基于宽禁带器件的变频器具有高功率密度和耐高温工作的优势,通过小型化和轻薄化设计可以将变频器置于电机端盖与端绕组之间,构成结构紧凑的集成式电机驱动系统。该系统发生匝间短路故障时,短路绕组电流增大不仅会使电机内部温度升高导致电机绝缘性能降低,还将引起磁场变化影响变频器的正常工作。以一台1.5 kW的交流感应电机为例,搭建基于宽禁带器件的集成式电机驱动系统三维物理模型,利用数学解析法分析并计算匝间短路故障前后的端部漏磁场,并提取电机内端部印制电路板(printed circuit board,PCB)表面与轴心距离相等、机械角度相差45°的两点处磁感应强度在直角坐标系下椭圆曲线的离心率反映端部漏磁场的对称性,以此为特征指标判断电机是否出现匝间短路故障。仿真与实验结果验证了所提方法的正确性和有效性。

电机-行星齿轮集成系统动力学建模与分析

提出了一种用于电动汽车的新型一体化电机-行星齿轮集成系统构型。该构型取消了电机输出端轴承支撑,电机输出轴直接与太阳轮连接并由其支撑。针对该新构型,建立了电机-行星齿轮系统的机电耦合动力学模型,研究了稳定转速和变速过程下系统动力学特性,揭示了该集成系统的机电耦合作用机理。研究发现:由于行星齿轮机构的对称性,取消电机输出端轴承支撑并不会明显恶化系统动力学特性,反而在行星齿轮机构对称性遭到破坏时,可以明显改善系统动力学特性,从而验证了所提构型的可行性。

集成式电机主轴的力感知及微进给特性研究

为满足精密加工过程中对电机主轴的转速、进给距离和切削力精确控制的需求,将永磁同步电机和超磁致伸缩驱动器结合,提出一种具有转动、微进给及力感知功能的集成式电机主轴。为验证集成式电机主轴力感知部分的结构合理性,基于磁路法和有限元分析法,得出集成式电机主轴的微进给距离、外线圈感应电压与外部载荷的关系。最后,为验证仿真的准确性,搭建集成式电机主轴力感知及微进给试验平台。结果显示,在此磁路模型设计中,集成式电机主轴的磁通密度可达0.551 9 T,磁通密度均匀度大于77.85%,集成式电机主轴的微进给距离可达26.5μm,外线圈感应电压与外部载荷成反比且内线圈的最佳外加电流为5 A。研究结果表明,集成式电机主轴力感知及微进给功能的设计是合理可行的,为深入研究和精确控制集成式电机主轴奠定了基础。

高压风冷集成型永磁电机系统的分析应用与研究

依据日照港石臼港区南区BC5-1皮带机用高压电机驱动系统技术参数和运行数据,通过调研、技术论证,结合皮带机现场工况,对高压异步电机驱动系统、高压永磁直驱电机系统、高速永磁电机系统,高压风冷集成型永磁电机系统进行可行性分析和技术论证,验证高压风冷集成型永磁电机系统的可靠性和高效节能。进行样机应用和运行记录,完成阶段性的数据分析,实现高压风冷集成型永磁电机系统性能的确认。

集成电机推进装置应用综述

综合电力技术是舰船动力系统的一次重大变革,其以模块化、集成化为技术思想,构造了新一代高性能舰船动力系统平台,并逐步成为舰船动力重要的发展方向。集成电机推进装置随着综合电力技术的发展应运而生,在进一步实现电力推进的高功率密度、高效率、低噪声和高机动性能等方面,将起到重要作用。该文从集成电机推进装置的工作原理和特点出发,分析其关键技术研究现状和主要应用构型,并对其应用发展趋势进行探讨。

新型水下集成电机推进器的特种电机研究

介绍了一种新型水下电力推进装置,即集成电机推进器。文章着重讨论了这种新型推进装置中所使用的特种电机的结构和设计方法,并对所设计的电机利用AN SYS有限元分析软件进行了磁场分析计算,验证了设计的结果满足集成电机推进器的设计要求。

集成电机推进器用无刷直流电机齿槽转矩削减新方法

为消减集成电机推进器用无刷直流电机存在的齿槽转矩以保证整个推进器的性能,综合考虑了推进器的性能要求、尺寸要求、加工工艺等实际情况,以消减齿槽转矩并尽可能减小其对电机输出转矩的影响为目标,提出了一种槽口倾斜综合优化方法。采用Box-Behnken设计了实验,并利用响应面法处理实验数据,得到了齿槽槽口倾斜角度、极弧系数和槽口宽度3个因素间关系的数学模型,从而计算出了使齿槽转矩最小的槽口倾斜角度、极弧系数和槽口宽度最优解组合。最后,用电磁场分析软件infolytica/MagNet求解了各个实验点的参数值,并验证了最优组合预测值。计算结果表明,对于所设计的功率为2kW的集成电机推进器用无刷直流电机,优化后的槽口倾斜角度为5°,极弧系数为0.65,槽口宽度为3mm,采用此优化参数可使电机齿槽转矩减小28.69%。

无刷直流电动机在集成电机推进器中的应用及设计

集成电机推进器中的推进电机种类较多,无刷直流电动机由于其功率密度高、起动转矩大等优点而受到重视。5.5 kW级表面突出式和内置切向式转子结构无刷直流电动机的设计、分析以及性能比较,对于无刷直流电动机在集成电机推进器中的进一步应用具有一定的实际指导意义。

基于数据库管理系统的电机设计集成系统软件开发

本文基于电机设计的基本原理 ,采用Access数据库管理技术、面向对象技术、SQL查询语言 ,利用VisualBasic 6.0为工具开发了基于数据库管理系统的电机设计集成系统软件。在实际使用中充分证明 ,该软件操作方便、运行良好、可维护性高 ,软件计算结果比较接近实验值。

新型水下集成电机推进装置的泵喷射推进器结构原理及特点分析

介绍了一种新型水下集成电机推进装置(IMP)中应用的泵喷射推进器。文中详细阐述了泵喷射推进器的结构、原理及其技术特点,并把其与传统的螺旋桨推进方式作比较:泵喷射推进器具有推进效率高、噪声低、操纵性好和适应性强等优点。展望了泵喷射推进技术的应用前景,泵喷射推进器与特种电机集成为一体(IMP)后具有效率高、所占空间小等优点,可用于无人潜航器、轻型鱼雷、重型鱼雷和潜艇等的推进系统。

环驱式集成电机推进器用永磁无刷直流电动机设计与分析

开展集成电机推进器技术研究,对水下航行器性能的提高及相关领域研究的进步具有非同寻常的意义。为了提高环驱式集成电机推进器性能,对环驱式集成电机推进器用永磁无刷直流电动机的结构及设计方法进行了研究。利用解析方法计算永磁无刷直流电动机气隙磁场分布,使用等效磁路法的相关结论获取电机电磁参数,给出定转子参数、电气参数以及电机损耗的确定方法,并对所设计的电机利用电机电磁场有限元分析软件Mag Net进行了磁场分析计算,给出电机空载磁场分布、额定运行时反电势波形、电机负载电压波形及电机负载转矩波形,验证了设计的结果满足集成电机推进器的设计要求。

集成发电机/起动机技术混合动力的动态转矩协调控制策略

针对基于集成发电机/起动机(ISAD)技术混合动力各部件的特性,在实现柴油机、ISG(Integrated Starter Generator)电机、蓄电池和传动系统最佳匹配的前提下,设计了混合动力系统动态转矩协调控制策略.以转矩为控制变量,通过转矩总需求和柴油机万有特性脉谱图,确定了状态切换的条件及柴油机和ISG电机的目标转矩.采用Matlab/Simulink平台进行了CYC_ECE_EUDC工况的动力性仿真.仿真结果表明:文中提出的控制策略能够满足ISAD迅速起动、低速补偿转矩、加速提供辅助动力、充电功率恒定等要求;瞬态工况时,通过ISG电机助力,缩短了工况过渡时间;稳态工况时,通过电机转矩补偿,实现了无转矩波动的状态切换,改善了状态切换过程中动力传递的平顺性;柴油机和ISG电机工作点集中在高效率区域,SOC(Stat of Charge)维持在最佳工作区域;整车实现起步-助力-发电一体化的功能,并为开发控制软件平台提供了理论依据.

基于混沌蚁群算法的鱼雷集成电机推进器电机优化设计

针对集成电机推进器(IMP)一体化结构要求电机功率密度大,效率高的特点,采用将混沌优化算法嵌入蚁群算法的混合智能优化算法——混沌蚁群算法(CACA)对集成电机推进器特种电机设计方案进行优化,该方法充分利用以上2种优化算法的优点,即蚁群算法的高精度和混沌算法的快速性。优化结果显示,优化后的设计方案使电机效率提高了1.6%,有效体积缩小了5.6%,使电机能更好地适应高启动场合要求,优化效果良好,可为鱼雷IMP特种电机的设计提供参考。

深海潜水器集成电机推进器的研究

在深海观测和作业领域,推进器是一种非常过关键的设备,深海潜水器上一般都配备三个或三个以上的推进器。将控制器、电机、减速器、联轴器和螺旋桨集成一体的集成推进器是当今推进器研究的一种新方向。论文介绍了这种集成化推进器的结构,分析了其中的关键技术。

集成电机推进器构型及特点分析

集成电机推进器(IMP)是一种新型的水下电动力推进装置,通过一种典型IMP构型介绍了其工作原理、结构,并分析其技术特点及发展趋势,认为集成电机推进器有较好的发展和应用潜力。

集成电机推进器叶轮转子流体动力学性能CFD分析

针对集成电机推进器一体化结构导致的推进器过流面积小,工作效率低的问题,首先在对特种电机磁场分析的基础上,设计了八对极和十二对极电机转子,并通过改进的升力法设计了叶轮叶片以改善推进器性能。然后,采用高质量结构化网格对推进器数值模拟系统各部件进行区域离散,利用CFD方法预报其扬程和效率等外特性,分析其内部流动情况。在设计工况附近,计算结果与实验数据的吻合良好,并由计算结果得出:十二对极叶轮转子推进器效率要比八对极在各个工况下平均高约3.9%。通过计算叶片压力分布,验证了该叶轮转子叶片设计中采用的线型;通过观察叶轮转子速度矢量分布,分析了叶轮转子设计中存在的缺陷,为其改进设计提供了参考。

基于集成起动机/发电机的整车控制策略仿真研究

针对基于集成起动机/发电机(ISA)的汽车各部件的特性和系统的设计目标,建立了柴油机、ISA电机和整车的数学模型,在实现柴油机、ISA电机、蓄电池和传动系统之间最佳匹配的前提下,提出了以蓄电池SOC、车速、柴油机转速、功率以及燃油经济性为主要参数的控制策略。运用Matlab/Simulink软件,根据控制策略进行了启动、助力、充电等工况的动力性仿真,并在CYC_ECE_EUDC行驶循环工况下进行整车模拟试验。结果表明,所提出的控制策略能满足ISA汽车的迅速起步、低速补偿转矩、加速时提供辅助动力和充电功率恒定等要求,实现了起步-助力-发电功能一体化。

飞轮储能系统用集成式电动/发电机分析研究

飞轮储能系统中电能与机械能之间的转换(即能量的双向输送)是以电机及其控制为核心来实现的,因而集成式电动/发电机的选型研究,对储能系统的整体设计具有十分重要的意义。介绍了各类通用电机作为集成式电机的可行性及其局限性,以及在飞轮储能系统中极具应用前景的其他电机结构特点和研究状况。