直线型磁通切换电机特性分析的时步有限元模型

针对直线型双边磁通切换永磁电机(DLFSPM)结构相对复杂,现阶段运行特性研究不充分的问题,以时步有限元为工具,建立了一种研究DLFSPM运行特性的场路耦合分析模型。阐述了DLFSPM电动运行原理,并推导出ABC坐标系下的运行特性方程。为解决直线电机仿真环境下的开域处理问题,建立圆弧形电机仿真拓扑,以一台额定输出电磁推力为400 N的DLFSPM样机为例,得到可以同时考虑DLFSPM内部磁场和外电路特性的场路耦合时步有限元模型。最后,利用该时步有限元分析模型研究了其空载特性和力角特性,仿真与实测的相关对比曲线结果表明二者吻合较好,说明该模型具有良好的计算精度,进一步验证了其正确性和有效性。

直线磁通切换永磁电机及驱动系统

直线磁通切换永磁电机的永磁体和电枢绕组均置于初级,次级仅由导磁铁心组成,结构简单,在长距离驱动系统及短距离高速弹射系统中具有特定优势。应用于长距离驱动系统,可将该类电机的次级导磁铁心沿着长定子轨道铺设,而初级作为短动子,不仅具有高效率、高推力密度的优点,而且次级成本低,降低了驱动系统成本。应用于短距离高速弹射系统,短次级动子铁心置于双边次级定子中间,具有动子结构简单、可靠性高且带负载能力强的优点。本文分别针对长距离驱动系统和短距离高速电磁弹射系统,分析了单边和双边新型磁通切换型直线电机结构、原理、设计规则、电磁性能和驱动系统。研究结果表明该电机在这两类应用场合具有较好的实用价值。

一种基于非线性反馈重复控制策略的磁通切换直线电机推力波动抑制方法

针对初级永磁型磁通切换直线(LFSPM)电机,研究其定动子双凸极结构引起的与位移相关的定位力、摩擦力及参数变化等不确定性对伺服系统的影响,提出一种基于非线性反馈的重复控制策略。首先,在分析LFSPM电机定位力的基础上,通过设计重复控制器对定位力引起的推力波动进行抑制;随后设计非线性反馈控制器,对因摩擦力及参数变化等不确定性因素引起的推力波动进行补偿,同时使逼近误差随周期数的累加而呈现减小的趋势,保证了系统的全局渐近稳定性。最后,通过A&D5435半实物系统搭建了控制模型,实验结果表明,该控制方案有效抑制了因定位力及其他不确定因素引起的推力波动。

基于x域重复控制的磁通切换永磁直线电机定位力抑制方法

初级永磁型磁通切换直线电机在推力性能要求较高的机床伺服进给系统应用中具有一定的优势,而初次级双凸极结构会引起较大的定位力,从而限制了磁通切换永磁直线电机的应用。该文首先分析了磁通切换永磁直线(linear flux-switching permanent magnet,LFSPM)电机定位力产生的原理,随后从控制角度出发,提出一种利用时变周期信号的重复控制来抑制定位力的新型控制策略。首先将时变的t域信号,变换为具有固定周期的x域信号,再对其进行重复控制器的设计,从而达到抑制定位力和速度脉动的目的。通过半实物仿真平台AD5435实现了该控制算法,仿真及实验验证了该方法的有效性。

一种定子齿错位的模块化直线永磁磁通切换电机

直线永磁磁通切换电机的电枢绕组和永磁体都在动子上,而定子是凸极铁心,在长定子场合,如轨道交通,可以降低成本,具有很大的应用潜力。对一种模块化直线永磁磁通切换(MLFSPM)电机的结构进行改进,提出了一种基于定子齿错位的MLFSPM电机,主要目的是减小电机的定位力的同时,兼顾绕组基波幅值并减小绕组的谐波含量。在分析了电机定位力和线圈磁链与错位角之间的关系后,针对同时减小定位力和磁链谐波含量的目标,为电机选择了合适的错位角。最后,利用ANSYS有限元分析,对所提出的定子齿错位结构的MLFSPM电机进行仿真验证,仿真结果证明了所选错位角合理有效,所研究电机的定位力相对较小,相绕组磁链波形较正弦。

一种基于分段定子的直线永磁磁通切换电机结构及其优化方法

直线永磁磁通切换(LFSPM)电机动子结构简单,功率密度高,以其电枢绕组和永磁体都在动子的结构特点,特别适合长定子应用场合来降低成本。研究了一种分段定子结构的LFSPM电机,其结构的主要特点是可以减小电机的齿槽力,同时兼顾绕组基波幅值并减小绕组的谐波含量。在分析了电机齿槽力和线圈磁链与分段定子错位位移之间的关系后,根据不同电机结构优化选择了合适的错位位移。最后,利用ANSYS有限元分析对采用所提出的分段定子结构的2台LFSPM电机进行仿真验证,仿真结果证明了2台电机所选错位位移合理有效,所研究电机的齿槽力相对较小,相绕组磁链波形较正弦。

四象限运行磁通切换永磁直线电机的MRAS无位置传感器控制

模块化磁通切换永磁直线电机(Liner flux-switching permanent magnet machines,LFSPM)的电枢绕组和永磁体均放置在初级短动子,次级长定子仅由导磁铁心组成,适合用于电梯等长距离轨道运输系统中。在电梯驱动系统中,上行时主要为电动运行,下行时在自重作用下常处于发电甚至制动运行,运行模式的交替变化给无位置传感器控制带来挑战。为此,基于LFSPM电机d-q轴数学模型,建立了LFSPM电机基于模型参考自适应法(Model reference adaptive system,MRAS)的无位置传感器控制系统,根据运行工况设计了混合控制策略。电梯上行时采用i_(d)=0控制,下行处于轻载制动发电状态,电压电流信号中基波含量占比小,进行增磁控制,利用i_(d)调节电压电流信号中基波占比来满足速度辨识的要求,实现LFSPM电机四象限无位置传感器控制。分析该无位置传感器控制系统的角位置估算误差原因,提出电流补偿方法。样机试验结果验证了所提混合控制策略的有效性。

次级斜槽双永磁体励磁直线永磁磁通切换电机

直线永磁磁通切换电机(LFSPM)在诸如城市轨道交通,智能电梯和海浪发电等许多应用场合中都具有巨大的潜力。研究了一种双永磁体励磁的直线永磁磁通切换电机(DLFSPM),该电机通过提高永磁体和硅钢片的利用率来提高推力输出能力。利用有限元软件先对 DLFSPM电机和传统结构 12/14极直线电机进行推力优化,然后比较两者的平均推力,发现 DLFSPM电机具有更高的推力密度。然而,较大的定位力会限制 DLFSPM电机的应用场合。因此,对该电机进行改进来减小其定位力。利用次级分段斜槽结构来抑制其定位力。有限元仿真结果表明,次级分段斜槽结构可以有效的减小 DLFSPM电机的定位力。

基于磁通切换永磁直线电机的导弹电磁发射技术

导弹电磁发射技术使用电能代替化学能作为发射能源,是一种对导弹及导弹发射技术具有革命性影响的新概念发射技术。以提高效率和功率密度为目标,提出了一种基于磁通切换永磁直线电机的导弹电磁发射技术方案。该方案兼具感应直线电机动子结构简单坚固和永磁直线电机功率密度高的优点,适合高速运行且易于模块化扩展。直线电机选择双边绕组磁路串联结构以降低了次级动子的质量,高功率脉冲电源使用电容储能并采用多逆变器并联方案。原理样机试验结果表明:该方案在最大运行速度和最高工作频率下速度控制快速、平稳,制动过程安全可靠。

基于模型参考自适应系统的模块化磁通切换永磁直线电机无位置传感器控制

磁路互补型模块化磁通切换永磁直线电机(简称MLFSPM电机)的永磁体和电枢绕组都置于初级短动子,而次级长定子仅由导磁铁心组成,定位力小,应用在长定子场合可大大降低成本。基于MLFSPM电机d-q轴数学模型,建立了MLFSPM电机基于模型参考自适应法(MRAS)的无位置传感器控制系统,分析了该无位置传感器控制系统的速度估算误差,证明了系统的可行性。同时,分别对该系统在速度突变、低速运行、负载突变以及带载工况下的动静态性能进行了仿真与实验研究,结果表明该系统速度波动小,速度估算准确,电机运行平稳,系统鲁棒性好,具有良好的动静态特性。

基于谐波抑制和扰动观测器的磁通切换永磁直线电机联合控制方法

为解决磁通切换永磁直线(LFSPM)电机驱动系统推力波动较大的问题,研究其定动子双凸极结构引起的与位移相关的定位力以及参数摄动、外部扰动等非线性因素对电机运行稳定性的影响,提出了一种将谐波抑制算法和扰动观测器相结合的联合控制策略。首先,在分析磁通切换永磁直线电机定位力的基础上,通过注入谐波电流产生的电磁推力抵消定位力的主要谐波分量,从而实现对定位力的补偿;同时将参数摄动引起的电机模型误差和外部干扰视为系统扰动,利用扰动观测器对其进行观测,并将观测值作为补偿信号反馈到输入端以抵消扰动对系统的影响,在保证对系统扰动有较强鲁棒性的同时,提高系统的动态性能。最后,搭建了基于A&D5435半实物装置的实验平台,并通过实验研究验证了所提控制算法的可行性和有效性。

带定位力补偿的扩张观测器磁通切换永磁直线电机无位置传感器控制策略

为了提高磁通切换永磁直线(LFSPM)电机无位置传感器控制性能,同时针对该电机双凸极结构引起的定位力较大的缺陷,提出一种带有定位力补偿的扩张观测器无位置传感器控制策略。首先,建立合成反电动势模型,研究通过将反电动势估算值反馈引入到定子电流观测计算中的动子位置估算方法,同时为提高观测精度,将两相静止坐标下电流状态方程的反电动势作为系统干扰,通过扩张状态观测器进行准确估计,并采用归一化的正交锁相环来获得动子位置信息,在此基础上,给出自适应滑模速度控制器的设计方法,利用电流谐波注入法对观测的定位力进行前馈补偿,以便消除因定位力时变引起的动子速度和位置估算稳态误差,提高滑模控制抗扰性能。仿真结果表明,系统扰动观测值在能够快速准确地跟踪实际值的同时进一步抑制位置估算误差,基于A&D5435半实物装置搭建硬件电路,实验结果进一步验证了所提方法的有效性,实现了LFSPM电机在不同工况运行条件下的无位置准确跟踪。

双边磁通切换直线电机无速度传感器控制

为了实现良好的双边磁通切换永磁直线电机(DLFSPM)的速度辨识,提出了一种带锁相环的滑模观测器进行控制。首先,基于DLFSPM电机特性,建立其数学模型,并设计该电机的传统滑模观测器的控制策略;然后针对传统滑模观测器存在抖动和角度偏差的问题,引入锁相环算法,并使用新切换函数代替符号函数,从而消弱抖振和较小角度偏差;最后对该系统在速度突变、负载突变工况下的动态性能进行仿真研究。仿真结果表明,优化后的滑模观测器控制策略能有效减小系统抖振,速度识别精准,波动小,电机工作平稳,鲁棒性好,动态响应快,证明了所提控制策略的可行性和有效性。

用于双边磁通切换直线电机涡流损耗抑制的永磁体结构优化设计

为降低双边磁通切换直线电机永磁体的涡流损耗,以一台6槽17极双边磁通切换直线电机为研究对象,对其永磁体的结构进行优化设计。首先对稳态工况下永磁体涡流损耗的分布特点进行分析,其次通过理论推导和仿真计算,获得了横向对称分割3块的永磁体结构,最后提出了新型半Halbach永磁体阵列结构,并利用曲线拟合、黄金分割法和抛物线插值法获得了永磁体最优充磁角度。仿真结果表明,所提出的永磁体结构能够在不影响DLFSPM平均电磁推力的前提下,可有效抑制永磁体涡流损耗。

用于电磁弹射的容错型初级永磁直线电机特性

提出一种应用于电磁弹射的新型双边容错型初级永磁型直线电机,该种电机具有次级结构简单的特点。首先,本文给出了电机的结构和工作原理。其次,在采用二维有限元对电机的静态推力特性分析基础之上,通过能量法对电机推力公式进行了推导分析,并且对电机的容错特性进行了分析。然后,采用瞬态有限元对电机在正常和断路故障下的推力变化进行了仿真分析,并对电磁弹射过程电机运行情况进行了仿真分析。最后,通过一个同比例缩小的小尺寸同类电机进行了实验研究,验证了电机的推力特性和容错性能。仿真和实验结果显示该电机具有高的推力密度、较小的推力波动和简单的控制策略,在电磁弹射系统应用中具有很好的前景。

Static characteristics of a novel flux-switching permanent magnet linear motor

A novel flux-switching permanent magnet linear motor（FSPMLM） is proposed for linear direct driving machine tools.First,the two-and three-dimensional topological configuration of the proposed motor is presented;the basic operational principle of the FSPMLM is introduced;and the magnetic fields at the two typical conditions of no-load are analyzed.Secondly,the FSPMLM is analyzed by the two-dimensional finite element method（FEM） to investigate the static electromagnetic characteristics such as flux-linkage,back EMF（electromotive force） and inductance performances.The cogging forces of two kinds of FSPMLMs with different shaped cores are analyzed and compared,and the results show that the cogging force is significantly reduced by using the E-shaped cores.Additionally,based on the co-energy method,the thrust equation is derived and verified by the simulation results obtained by the FEM.Finally,an experimental prototype is used to test the characteristics under open circuit and load conditions.The simulation and experimental results indicate that the proposed motor has advantages of a sinusoidal back-EMF waveform,a small cogging effect and a high thrust density,and it is suitable for the application of linear direct driving machine tools.