基于车用永磁同步电机转子结构的电磁噪声优化仿真分析

针对目标电机低速加速段中存在明显类似“口哨”的高频噪声的问题及电机量产降本原则,将48槽8极峰值功率62 kW的乘用车前驱动电机作为案例进行电磁方案设计。基于设计指标及存在问题设计了定子结构相同内置式转子拓扑结构不同的优化方案,推导计算了两电机方案气隙磁场幅值波形时空分布方程及电磁力表达式,建立了两电机方案有限元模型及电磁-结构声场耦合模型,仿真分析比较两电机气隙磁密及径向电磁力谐波含量。基于仿真结果得到优化方案,在不牺牲电磁性能的前提下削弱了低速段加速过程的0阶6f1径向电磁力,并使磁钢用量从1.474 kg降低到了1.371 kg,实现了降本目的。最后分别制作样机进行实验验证,结果表明优化方案明显削弱了低速段径向振动,降低了24倍频电磁噪声,与仿真结果相吻合。

基于非线性建模与拟合的永磁同步电机转子初始位置精确估计方法

针对永磁同步电机转子初始位置估计的精度与收敛速度受限问题,提出一种基于高频信号注入的非线性建模与拟合实现的初始位置估计方法。首先,建立初始位置与高频信号响应的关联模型,表明高频响应可用于直接计算初始位置,但直接计算结果在大部分转子位置易受测量噪声的影响。为此,提出基于多项式模型建立位置估计非线性模型,选取合适的模型参数,利用少量测试点拟合该模型,即可实现初始位置的快速精确估计,有效提高了估计精度与系统抗干扰能力。实验与仿真结果表明,相比现有方法,提出的方法易于实现,无需复杂滤波器与观测器设计,仅需要选取少量测试点即可快速估计精确转子初始位置,在保证估计精度的同时改进了传统估计方法收敛速度慢问题。

双风冷外转子永磁同步电机不同动密封结构的传热特性

为加强基于定转子双风冷外转子永磁同步电机内部小间隙处密封性的同时保障间隙的散热性,在考虑旋转因素下,利用计算流体力学的方法对电机小间隙处不同迷宫密封结构在不同工况下的流场和传热特性进行数值模拟,通过对间隙处压力、速度的分析,探讨上下间隙处不同迷宫密封结构对电机整体密封性能以及定子侧壁面散热性的影响,并使用泄漏量和努塞尔数作为评价因子对其密封性能和散热性进行评估。结果表明:轴流风扇工况为吸风时更有利于提升电机密封性并同时保障间隙处散热性;在上下定转子间隙处添加迷宫密封的方式可以有效提高电机在双风冷系统下的密封性,且上下间隙处密封结构的压降总和越大,泄漏量越小;间隙处定子侧壁面的平均努塞尔数因迷宫密封的添加会有所下降,并且当来流温度低于壁温时其下降程度随密封结构阻流效果的增大而增大,高于壁温时随密封结构阻流效果、凹槽漩涡强度的减小而增大;相较于无密封结构,定子侧双凹槽结构在提高电机整体密封性的同时有效保障了间隙的散热性,研究结果为外转子永磁同步电机内部间隙处密封和散热结构的设计提供了参考。

一种自适应扩展卡尔曼滤波的永磁同步电机无位置传感器矢量控制

在粗差干扰或噪声统计偏差情况下,扩展卡尔曼滤波(EKF)对永磁同步电机(PMSM)的速度和转子位置估计存在精度下降问题,为此提出一种基于新息序列的自适应扩展卡尔曼滤波算法(AEKF)。首先,将粗差干扰加入系统观测方程中,分析粗差干扰对系统观测精度的影响。其次,为增强算法的抗扰性能,在新息协方差计算中设置加权系数,通过调整临近时刻的新息协方差阵权重,计算出新息协方差值,并更新到卡尔曼增益的计算。最后,建立AEKF数学模型,并对比粗差干扰与噪声统计出现偏差情况下,AEKF与EKF两种策略的观测性能。仿真和实验结果表明,在粗差干扰或噪声统计信息出现偏差情况下,AEKF算法对永磁同步电机转速的观测具备更强的鲁棒性及更高的预测精度。

转子激励对永磁同步电机电磁振动影响分析

对于电动汽车用永磁同步电机,气隙内的电磁激励会产生高频振动和噪音。通常将气隙电磁激振力施加到定子齿部,并通过理论计算或仿真得到定子或壳体外表面的振动噪音响应,而由转子激励引起的振动噪音被忽略。为研究转子激励对整体电磁振动噪音的贡献度,首先依据麦克斯韦应力张量法对气隙电磁力谐波进行理论分析,同时建立单电机的电磁振动仿真模型。然后以一台8极定子48槽内置式永磁同步电机为样机,通过试验模态分析和仿真分别对定子和转子的材料参数进行修正。再分别进行转子动力学和电磁激励下的整机动力学仿真,结果表明由转子偏心引起的不平衡电磁激励能够引起转子系统共振,并且在单位电磁力波的激励下,转子激励引起的响应与定子激励引起的响应在低频段具有同等的重要性。最后通过样机振动试验对上述结论进行了验证。

基于增益控制的永磁同步电机低速转子位置估算方法

当永磁同步电机工作在零低速域内时,受系统延迟时间的影响,采用高频脉振方波电压注入的传统差分解调法会出现系统失稳和动态性能下降的问题。提出了误差系数标幺下的增益控制策略。分析了不同延迟时间下传统差分解调法的开环增益变化趋势,得出了延迟时间会影响增益幅值和符号的结论;通过求解延迟时间变化时的实际开环增益表达式,并用实际增益值对误差函数进行标幺,提升了系统的稳定性和收敛性。实验结果表明,该方法不仅提升了位置估算系统的稳定性,而且收敛速度快。

基于模型预测锁相环的永磁同步电机转子位置估计方法

针对传统锁相环(PLL)估计永磁同步电机转子位置存在响应速度慢及跟踪精度低的问题,提出一种基于模型预测锁相环的转子位置估计方法。首先,对永磁同步电机模型预测控制原理进行分析,将传统模型预测控制方法与锁相环结合,提出一种模型预测锁相环(MP-PLL)结构;然后,结合离散位置搜索算法对转子位置进行估计,通过高效优化离散位置搜索算法改善模型预测锁相环在宽转速范围内的性能,提高其鲁棒性和转子位置估计精度;最后,进行仿真和实验验证。结果表明,在永磁同步电机参数变化情况下,所提出的模型预测锁相环比传统锁相环具有更好的响应性能,能快速准确地实现永磁同步电机转子位置估计。

利用旋变软解码研究分析车用永磁同步电机定转子同心度

本文提出了一种新能源车用永磁同步电机定转子同心度的检测方法和检测原理,通过该方法可以检测永磁同步电机定转子的同心度偏差,同时还对检测原理进行了分析和研究。本文介绍的检查方法基于旋变软解码原理,能够精准测量电机定转子的同心度,并根据检测方法设计了实验平台和检测流程。试验台特别设计了电机控制器和电驱动系统,配备了实时测量和标定功能的软件应用界面,使得检测流程更为直观和高效。经过实验验证,该检测方案展示了高稳定性和可靠性,测量结果的误差范围小,证明了其精准度和实用性。

真空泵用反凸极永磁同步电机设计与性能分析

针对真空泵用驱动电机运行过程中存在转子温度高、散热难的问题,根据真空泵驱动工况的实际要求,设计了一台反凸极永磁同步电机和一台常规永磁同步电机。首先,利用有限元软件,分析了转子磁障尺寸对电机转矩的影响以及磁障层数对电感的影响,从而得出了转子磁障尺寸和磁障层数的合适值;其次,对两台电机的气隙磁密波形、空载反电动势和损耗等电磁性能进行了对比分析;最后,通过仿真对比分析了两台电机的温度场以及两者转子和转轴处的温升。结果表明,相比于常规永磁同步电机,反凸极永磁同步电机的转矩性能更好、转子损耗和转子温升更小,为新产品研发提供了科学的参考依据。

永磁同步电机无位置传感器控制技术综述

无位置传感器电机驱动器具有成本低、可靠性高、硬件电路简单以及维护要求少等优势,在学术界和工业应用中受到了越来越多的关注。对适用于零低速域、中高速域以及全速域三种运行范围的多种无位置传感器技术进行了综述。首先,分别对比分析了零低速域和中高速域下各种无位置传感器控制方法的优缺点。其次,梳理和总结了目前全速域运行的切换控制策略。最后,对永磁同步电机无位置控制技术的未来发展趋势进行了展望,并指出了后续研究的关键问题。

并轴式双转子永磁同步电机齿槽转矩分析

为有效分析和削弱并轴式双转子永磁同步电机的齿槽转矩,首先给出并轴式双转子永磁同步电机并接区气隙尺寸确定的一般原则,其次在计及并接区特殊结构参数的情况下给出各部分等效磁导的计算公式,进而建立并轴式双转子永磁同步电机等效磁网络模型,并通过能量差分法建立该电机齿槽转矩的解析表达式,然后以一台双8极54槽并轴式双转子永磁同步电机为例,建立其2D有限元计算模型,综合分析电机并接区气隙、永磁体、槽口宽度等不同结构的尺寸参数对齿槽转矩的影响,得到削弱并轴式双转子永磁同步电机齿槽转矩的有效方法,最后使用田口法以电机齿槽转矩为优化目标,以并接区气隙尺寸、永磁体尺寸、定子槽口宽度等不同参数作为优化变量进行优化分析,有效提高电机的性能。

基于FFT的高频信号注入法在永磁同步电机中的应用

为解决静止和低速问题,许多学者提出了高频注入的方案,通过注入一个已知的高频信号,再提取电流响应中的高频成分,得到关于转子角度信息的变量,再从中求解转子位置。传统的高频注入存在磁极难以识别的问题。为此,提出一种基于快速傅里叶变换(FFT)的信号提取方法,通过傅里叶变化即可求出转子位置信息,省去大量滤波器的使用。

基于永磁辅助转子和改进磁障的笼型感应电机的研究

为了有效提高笼型感应电机的功率因数,通过对传统三相四极笼型感应电机的转子结构进行改造,提出了一种基于永磁辅助转子和改进磁障的新型笼型感应电机。采用二维瞬态有限元分析方法,对比和分析了所提新型感应电机和传统感应电机在磁路分布、磁通密度、功率因数和效率方面的性能差异。结果表明,相比于传统感应电机,所提出的新型感应电机可将功率因数提升至0.86~0.98,效率最高可达到95.5%,新型感应电机能够在优化的功率因数下更加高效地运行。

气体轴承-高速永磁电机转子系统亚同步涡动效应研究

气体箔片轴承(gas foil bearings-GFBs)在高速永磁电机中应用广泛,为了进行合理的轴系设计,预测GFBs-高速电机转子系统的动力学行为,基于刚性气膜假设,建立GFBs-非对称刚性转子动力学模型,研究了转子不平衡量和箔片结构刚度对转子动力学行为的影响规律。结果表明:对于一根特定的刚性转子,存在一个与之匹配的最佳的结构刚度,使得转子的振幅和亚同步涡动效应最弱。计算结果表明,气体轴承支承的高速永磁电机轴系的综合设计,需要考虑转子与箔片结构刚度的合理匹配,以抑制亚同步涡动对轴系振动的影响。

永磁同步电机电流谐波自适应抑制策略

逆变器非线性、电机转子磁场畸变会使相电流中包含6k±1次谐波,从而导致电机产生转矩脉动,振动噪声,恶化电机的控制性能。针对上述问题,提出一种永磁同步电机电流谐波自适应抑制策略。首先对逆变器非线性和转子磁场畸变在相电流中引入谐波的产生原理进行了分析,设计电流谐波自适应控制器,提取相电流谐波并分离电流谐波正余弦分量的幅值,利用PI调节器对直流量的无静差跟踪能力,构造电流谐波幅值自适应控制器,生成补偿电压以抵消逆变器非线性、电机转子磁场畸变的不利影响,并给出了自适应控制器参数选取原则。最后通过仿真和实验验证所提电流谐波抑制策略的有效性。

齿调制作用下转子开槽对永磁电机电磁振动影响

为了研究齿调制作用下转子表面开槽对永磁同步电机电磁振动的影响,以小功率分数槽集中绕组(FSCW)内置永磁同步电机(IPMSM)为研究对象,通过麦克斯韦应力张量法推导径向电磁力波的频率及空间阶数特征。分析齿调制作用在FSCW-IPMSM中将空间高阶电磁力波调制为低阶电磁力波的过程,并给出转子表面开槽在齿调制作用影响下与电磁振动间的联系。研究表明,转子表面开槽结构的改变会使各次谐波磁场发生变化,进而改变以极数阶电磁力波为代表的高阶电磁力波的幅值。在齿调制作用下,这些高阶电磁力波会被调制为幅值较高的低阶电磁力波,并引起不同幅度的低阶振动。然后建立C型、V型两种不同转子表面开槽结构的10极12槽FSCW-IPMSM电磁及结构有限元分析模型并进行仿真分析。结果表明,极数阶即10阶电磁力波会被调制为2阶并引起2阶振动,且两种不同开槽结构间的电磁振动存在着高达22.1%的差异。最后,在一台10极12槽样机上进行振动实验,验证理论与仿真分析结果。

船舶永磁同步推进电机的优化I/f起动控制方法

为解决高转矩与高转动惯量的船舶推进电机在开环I/f控制中转速和转矩波动大、电机易失步、效率低的问题,提出一种I/f控制改进方法。通过建立转矩角观测器,调节给定电流矢量的幅值,使其跟随负载转矩变化,提高系统鲁棒性。同时,将电机运行状态推进至接近最大转矩电流比状态,提高电机的运行效率;通过瞬时有功功率调节电流矢量的角速度,降低电磁转矩波动,加快电机的转速收敛过程。最后,在Matlab/Simulink中进行仿真实验,实验结果表明该方法可以显著提高推进电机运行效率和稳定性。

基于改进粒子群优化算法的外转子永磁同步电机的多目标优化设计

为降低外转子永磁同步电机(ERPMSM)作为皮带输送机驱动电机时的永磁体成本并提高电机性能,提出基于响应面法(RSM)和改进多目标粒子群优化(IMOPSO)算法的优化设计方法。在建立电机基本结构的基础上,将永磁体尺寸、气隙长度、槽口宽度等作为优化参数,将永磁体成本、输出转矩、转矩脉动等作为优化目标。通过参数灵敏度分析筛选出显著参数,基于RSM结合有限元仿真建立样本空间,并拟合出优化目标和优化参数的函数关系,通过IMOPSO寻优。最后对比优化前后的方案结果,所提多目标优化算法准确可靠且具有更好的收敛性和多样性,能够在降低永磁体成本的同时优化电机的性能。

基于旋转高频电压注入的六相串联三相永磁同步电机系统转子初始位置解耦观测

用一台逆变器驱动两台永磁同步电机串联系统,可以通过控制不同平面的电压矢量实现对两台电机的独立解耦控制。该文提出在一台六相逆变器的六相平面和三相平面下同时注入旋转高频电压信号,通过解调静止坐标系下电流响应的负序分量来分别获得两台电机的转子初始位置角。同时为了提高观测精度,利用解调电流响应中正序分量所获得的误差角对解耦获得的转子初始位置角进行补偿。此外,对于六相串联三相永磁同步电机(PMSM)系统,考虑到系统中两台电机的浅磁饱和特性,在极性判断中利用了与传统单台永磁同步电机相反的结果来进行判断。根据该文所设计的旋转高频电压注入法,可以实现两台电机转子初始位置解耦观测。六相PMSM和三相PMSM的估计误差绝对值的平均值分别为3.72°和1.81°。最后,实验验证了所提观测算法的有效性。

磁悬浮永磁同步电机转子系统的参数辨识与控制

针对磁悬浮永磁同步电机转子系统在悬浮控制过程中,由于磁力参数不准确从而影响控制器的优化设计甚至破坏系统稳定性的问题,提出一种基于高斯调制函数法的磁力参数辨识方法,并设计滑模控制律对转子的稳态悬浮进行控制。首先,让磁悬浮转子系统在PID控制下闭环稳定,再以多正弦信号激励系统,利用高斯函数作为调制函数,对磁悬浮转子系统连续动力学模型进行数字调制积分,从而建立离散等价参数辨识模型;然后,选择与磁悬浮转子系统频带覆盖范围相匹配的尺度参数构建高斯调制函数,对磁悬浮永磁同步电机实验台的磁力参数进行辨识;最后,依据辨识所得的模型参数设计滑模控制器,实现永磁同步电机转子的稳态悬浮。所提方法避免了对微分信号的直接处理,同时又回避了积分初值问题,能够便捷、有效地辨识磁力参数;所设计的滑模控制器使得磁悬浮转子系统拥有更好的稳态和动态性能。实验结果表明:根据所提方法设计的滑模控制器能够使转子在0.2 s内到达目标位置并保持稳定,其调节时间仅为PID控制的40%。