超高速电机模型预测控制的静差消除双闭环控制策略研究

三矢量模型预测控制不仅可实现交直轴电流的无差拍控制,还具有良好的稳态性能。但应用于高基频低载波比的超高速电机控制系统时,仍存在电流跟踪静差、计算量大等缺陷。文中首先对传统三矢量模型预测控制进行等效控制集优化,在不影响控制性能的情况下,能够大大降低算法复杂度。同时,为提高预测电流误差消除的快速性,提出一种电流预测静差消除双闭环控制策略。设计自适应加权数据选择器,交直轴电流预测误差经自适应加权数据选择器后,通过调节器对逆变器模型角度进行补偿,从而形成内环;外环则由交直流预测电流跟踪误差反馈至电流给定值构成。在该双闭环控制系统中,内环实现了纯延时误差的全补偿,并优化非纯延时误差在交直轴上的分布;外环则能完全消除分布优化后的内环预测误差。仿真分析和实验结果证明了所提控制策略的可行性和有效性。

超高速电机转子碳纤维防护设计方法研究

随着超高速电机在家电领域不断的应用,电机转速不断提升,以清洁领域为例,吸尘器电机最高转速高达120000 rpm以上,电机在超高转速运行下,转子运行过程中会受到很大的离心力。由于转子材料的机械性能较其余部件差很多,因此转子防护设计尤为重要。碳纤维护套较金属护套比较具有质量轻、尺寸热稳定性好、无涡流等优势,因此本文对超高速电机转子碳纤维防护进行研究。

基于滑模自适应鲁棒的超高速电机调速控制

针对超高速铣削永磁同步电主轴高性能、高精度的控制需求,设计了一种滑模变结构自适应鲁棒控制器。该控制器利用滑模变结构控制产生滑动模态,削弱了建模误差的影响;利用自适应鲁棒控制减少了电主轴超高速运行中受外界扰动和系统内部参数摄动的影响。针对超高速运行的电主轴控制器控制周期时间短的特点,设计了基于比例谐振的电流矢量控制器,在保证电流控制效果的前提下减少了坐标变换和电流解耦,降低了控制算法实现的难度。仿真结果表明:基于比例谐振控制的电流矢量控制器能对给定电流进行较好跟随,滑模自适应鲁棒调速控制器具有良好的控制性能,并对负载扰动具有较强的鲁棒性。

超高速电机结构设计及建模仿真分析

本文根据某型空压机性能指标,设计一台功率为12 kW,转速为120,000 r/min的车用超高速电机。首先根据功率和额定转速确定电机的外形尺寸参数,结合高速运转下电机温升、电磁性能、机械强度等多种情况确定电机的定转子结构及材料,并给出了两种绕组形式的电机设计方案,最后用Motor-CAD软件进行参数化建模与多物理场耦合仿真对比,确定本文所提的设计方案。结果表明电机的功率、转矩、磁感线分布、温升以及效率均符合要求,该超高速电机设计合理。

基于有限元的燃料电池空压机用超高速电机铁心损耗研究

超高速电机,除了要考虑定子铁心损耗,转子涡流损耗也是不能忽视的,转子涡流损耗容易导致内转子电机永磁体失磁。论文建立了超高速电机有限元模型,首先采用基于Spearman秩相关的灵敏度分析方法对超高速电机各设计参数对电机定子铁心损耗和转子涡流损耗进行了灵敏度分析,然后剔除灵敏度低的设计参数,最后详细研究分析了各设计参数对电机定子铁心损耗和转子涡流损耗的影响,并为下一步优化设计提供了参考。

超高速低载频比下永磁同步电机无差拍电流控制

基于数字控制的超高速电机驱动系统具有运行速域宽、载频比低的特性,采用传统无差拍控制已不能保证其电流环在高速区域的控制性能及稳定性。针对上述问题,通过在Z域构建超高速电机电流环复矢量等效模型,分析了低载频比下等效延迟项对无差拍控制系统稳定性的影响;推导了无差拍控制近似离散模型误差及参数失配误差解析式并对其定量分析。提出一种适用于超高速电机低载频比运行的改进型方法:一方面采用基于离散滑模观测器的电压前馈补偿方案,有效加强了系统抗模型误差和参数扰动的鲁棒性;另一方面将观测器控制函数与扰动量引入电流预测模型,并对时间延迟附加项修正补偿,有效消除了系统延迟的综合影响。最后,仿真和实验验证所提理论及方法的正确性。

实心圆柱式超高速永磁电机建模与极限设计

实心圆柱式超高速永磁电机转子线速度大、损耗密度高,其设计受到多物理场约束。针对上述问题,建立了圆柱永磁转子的应力解析模型,能够考虑离心应力、热应力和过盈配合的共同作用计算转子应力以及合金护套的最小厚度。提出了计及涡流效应的电枢反应解析模型,分析转子涡流损耗及其分布。基于应力模型,分析装配奥氏体不锈钢护套时转子在特定热态温升下的极限转速,并将转子涡流损耗代入有限元软件计算转子温升。结合应力分析和温升计算,分析转子在该热态温升下的极限功率以及对应的控制策略,实现转子的极限设计。将以上模型和分析方法用于一台40 kW、60 000 r/min超高速永磁电机的设计,并制造样机用于超临界二氧化碳发电。有限元仿真和样机实验结果验证了模型的准确性和设计的有效性。

基于多物理场的超高速永磁电机冷却系统设计及分析

为了解决超高速永磁电机转子散热困难的问题,提出一种有效提高转子散热能力的散热结构。首先,采用计算流体动力学(CFD)仿真方法计算一台15 kW、15000 r/min水冷高速永磁电机的温升,将计算值与试验测得的数值进行对比,证明了CFD仿真方法的有效性。其次,通过孤立翼型法针对一台10 kW、100000 r/min表贴式超高速永磁电机设计了同轴轴流风扇,采用流体场与温度场耦合的方法仿真分析了风扇叶片数量和叶片安装角对电机温升的影响,从而得到风扇叶片的最优参数,抑制转子温升的同时降低风扇的风摩损耗。最后,通过仿真分析对比自扇冷却与强迫风冷的冷却效果,结果显示风量相当的情况下自扇冷却的永磁体温升相对于强迫风冷降低了13.8 K左右。经过应力场分析,风扇符合安全运行要求。

超高速永磁电机转子机械强度的实验研究

在超高速永磁电机运行时,电机中的永磁体会因难以承受巨大的离心力而破损。为了解决这一问题,基于1台超高速永磁电机,对电机转子的机械强度进行了仿真分析和实验研究。首先,基于1台超高速永磁电机,对其进行了应力有限元仿真,分析了护套厚度、过盈量、温度、旋转速度对转子应力的影响程度及其灵敏性;然后,基于上述分析结果获得了高机械强度转子的设计方案,并对不同运行工况下的超高速电机转子的应力进行了校核;最后,加工出了1台额定功率为7 kW、额定转速为150000 r/min的超高速永磁电机,并对其进行了机械强度运行实验和空载特性测试。实验测试结果表明:永磁体应力在不同工况下均表现为压应力,其最大值为109 MPa,安全系数大于6,尚有较高的裕量;而护套应力的最大值为967 MPa,安全系数大于2,说明与永磁体相比,护套更易达到极限机械强度;同时,样机测试的空载反电势为362 V,与计算值的吻合度在98%以上,且该转子在超速运行数小时后,未见任何损坏。研究结果表明:所设计的电机转子具有高可靠性,可以满足电机超高速运行的需要。

超高速永磁无刷电机无位置传感器半闭环启动法

针对超高速永磁无刷电机无位置传感器启动过程中低速时无法准确提取反电动势信号的问题,提出一种半闭环启动方法。该方法可以使电机由静止阶段通过单步加速迅速切换到闭环加速阶段,当电机闭环加速至可以检测到稳定的反电动势信号时在一个换相周期内切换到正常运行。该启动方法无需任何附加电路,整个启动过程稳定,不会出现因扰动或负载变化引起的失步,可以很好地解决超高速永磁无刷电机无位置传感器启动问题。依据此启动方法开发出一套永磁无刷电机驱动器并进行实验验证,证明该启动方法可以快速地启动永磁无刷电机,且能在80 000 r/min时平稳运行。

超高速永磁电机驱动系统电流环稳定性分析与改进设计

超高速永磁电机驱动系统在超高基频运行条件下,延迟会严重影响系统稳定性。该文对电流环动态模型进行精确重构,并系统分析高基频运行条件下延迟引入的交叉耦合与时延效应对系统稳定性的影响。在此基础上,提出一种适用于超高速电机的基于双采样电流预测的阻尼-积分型电流环调节机制,通过对系统阻尼比进行补偿,消除附加交叉耦合影响。此外,该文还设计一种分段执行式的双采样电流预测算法,可在不依赖任何参数的情况下实现下一拍反馈电流预测,有效补偿系统稳定裕度。以上两个措施为确保超高基频系统全局稳定提供有力保障。最后,在一台550000r/min/110W超高速实验样机平台上,对所提改进型电流环调节机制进行充分仿真与实验分析,有效验证了所提方案的有效性与优越性。

超高速永磁同步发电机的多复合结构电磁场及温度场计算

以1台117kW、60000r/min的超高速永磁同步发电机为例,建立了二维瞬态电磁场数学模型,利用场路耦合时步有限元法分析了电机的磁场分布和气隙磁密,给出了输出电压、电流随转速变化的关系,并与试验结果进行了对比;根据流体力学原理和传热学理论,采用有限体积法计算了冷却介质三维流动时电机内及冷却介质的温度;研究了电机护套分别采用铜屏蔽层、碳纤维复合材料、热喷陶瓷涂层时转子的涡流损耗分布情况,给出了碳纤维复合材料导电性和铜屏蔽层厚度对转子涡流损耗的影响规律;最后通过对电机转子护套采用不同材料和结构时电机各部分温度的对比分析,得出了护套材料和结构对电机温度分布的变化关系,对超高速永磁电机设计具有一定的指导意义。

充磁导致的超高速永磁同步电机不平衡磁拉力

转子永磁体充磁角度偏差导致的不平衡磁拉力对微型燃气轮机发电系统用超高速永磁同步电机的安全稳定运行有很大的影响.采用有限元数值分析方法,分别在不考虑转子偏心和考虑转子偏心的情况下,对由充磁角度偏差导致的超高速永磁同步电机不平衡磁拉力进行了计算和分析;将不平衡磁拉力的计算结果作为载荷,获得了超高速永磁同步电机空气轴承-转子系统的固有频率及振动特性.研究结果表明:转子系统在740Hz附近发生共振,共振幅值随着转子磁芯充磁偏差角度的增大而增大;要保证转子系统安全可靠的工作,需要将磁芯的充磁角度偏差限制在5°以内.

一种基于电流源逆变驱动的超高速永磁同步电机改进型控制策略

针对传统电流源逆变器(current source inverter,CSI)超高速电机驱动系统存在的控制对象阶次高、电流调节器设计困难问题,提出基于混合型两级式CSI的改进型控制策略。其基本思想为:前级引入宽禁带(wide band gap,WBG)器件高频调节定子电流幅值;后级采用普通硅器件调节定子电流相位。在此基础上,为实现最大转矩电流比控制,提出单电流传感器锁相环(phase-locked loop,PLL)方案,通过对转子位置信号与相电流锁相实现电流相位自动校正。混合型CSI前后级通过该改进控制策略进行协同控制,从而实现闭环系统降阶。同时考虑到混合型CSI在超高基频运行条件下控制延迟的实际问题,进一步完善电流控制环路模型,并与CSI传统拓扑及其控制策略下的电流环稳定性及动态性能进行深入分析与对比。最后研制一套混合型CSI驱动平台,并以一台(550000r/min)/110W的超高速永磁同步电机(ultra-high-speed permanent magnet synchronous motor,UHSPMSM)为对象进行仿真及实验验证,结果表明混合型驱动拓扑及改进型策略具备更高的稳定裕度与动态性能。

车用超高速永磁电机驱动控制技术综述

超高速永磁电机具有体积小、效率和功率密度高等优点,广泛应用于燃料电池空压机和电动涡轮增压器等车用领域。小电感和高基频等特性,使其驱动控制比常速永磁电机难度更大。本文从电路拓扑、电压调制策略匹配和无位置传感器控制3个方面详细论述车用超高速永磁电机驱动控制技术的研究现状,总结各类技术的研究热点,通过优缺点对比,给出了评价。最后展望了未来发展趋势。

10 kW超高速永磁电机三维瞬态温度场计算

为了考察电机在装配螺旋槽水冷套时对转子的冷却效果,针对1台功率10 k W、额定转速90 000 r/min的超高速永磁电机,采用有限元方法对电机三维温度场进行了研究,考虑了定子铁损、定子铜损,转子铁损和转子风摩擦损耗的影响。结果表明:定转子小间隙内的空气对转子起到了类似"热密封"的作用,当转子损耗功率较大时,仅依靠螺旋槽水冷套并不能有效地冷却转子,还必需辅以定转子小间隙的强迫空气冷却,以进一步降低转子温度。研究结果为大功率高速永磁电机热设计提供了重要参考依据。

超高速开关磁阻电动机设计

开关磁阻电机结构简单坚固,转子上无永磁体和绕组,特别适合超高速运行。针对超高速电机的运行特点,对超高速开关磁阻电机的多物理场一体化设计方法进行探讨,研制了一台6/2结构超高速开关磁阻样机,样机最高转速为130000r/min,功率为1kW。为提高样机的起动转矩,改进了样机的转子结构,并基于有限元法对样机的电磁性能和动力学性能进行优化。采用自主开发的具有角度控制功能的开关磁阻电机专用集成电路SR3P10K07A作为控制系统的控制核心。最后对样机进行了实验,实验结果表明本文采用的设计方法、转子结构和专用芯片是可行和有效的。

基于多耦合特性的整体支撑式超高速微型永磁电机设计

基于超高速微型永磁电机(UHSMPMM)受多物理场特性制约的问题,该文对超高速微型永磁电机支撑系统、电磁(热)设计、结构强度及动力学等方面进行综合设计研究。首先,结合超高速微型永磁电机的工作特性及微型转子结构特点设计整体式支撑系统及电机整机架构;其次,研究高频条件下的电磁-损耗-温升特性,其中重点分析温升特性对转子结构强度的影响,并给出基于温度场耦合下的超高速转子结构强度关键参数的优化方法;再次,探究整体支撑系统中转子临界转速的影响因素及变化规律;最后,依据多耦合特性分析及优化结果,研制一台550000(r/min)/110W原理样机,并对样机进行实验测试。结果显示,该样机实现了稳定运行,从而证明了所提设计方法的有效性。

超高速微型永磁电机转子强度分析与结构设计

超高速微型永磁电机具有能量密度大、运行效率高、便携的优越性能。而永磁材料抗拉强度低,难以承受超高转速下转子巨大的离心力,该文针对超高速微型永磁电机的转子强度问题及结构设计方法进行深入研究。首先,结合微型转子结构特点,建立一种满足多边界类型的转子应力解析模型;其次,重点分析计及机械过盈、永磁体内径、材料特性及环境温升等多影响因素下,超高速微型永磁电机转子结构在不同工况下的应力分布特点及变化规律。此外,基于边界条件及转子结构变化对转子强度影响的规律性分析,设计一款550000r/min超高速转子结构,给出护套厚度、过盈量的选择区间,以及转子应力在不同转速和温度场下的特性评估。最后根据设计方案进行样机研制和实验,实现该转子额定转速稳定运行。

超高速永磁电机转子结构的研究

针对超高速永磁电机在高速旋转时,永磁体因离心力作用易被破坏的问题,对适用于超高速永磁电机的转子结构进行了研究。采用有限元法对常规转子结构电机和实心永磁转子结构电机进行了研究,对比分析了两种结构电机在额定条件下的转子涡流损耗,分析了护套厚度和转速对转子强度的影响,最后分析了两种结构电机在温升方面的差异。研究结果表明:在满足电磁性能的前提下,实心永磁转子结构的电机在更小的转子护套厚度下,能够达到比常规结构永磁电机更好的转子强度;同时,实心永磁转子的电机的有效长度更短,转子涡流损耗和电机温升都比常规转子结构电机更低。