高速轴向电励磁双凸极电机设计与特性分析

现代多电飞机技术不断发展,对航空电源系统提出了更高的要求。依据航空起动发电机具有可靠性高、功率密度高、电源容量大的要求,设计了一种高速轴向电励磁双凸极电机(DSAEM)。对电机的基本结构和工作原理进行了描述,建立了电机的数学模型,并通过有限元仿真加以验证,详细分析了电机的磁场、电感、空载特性和负载特性。结果表明,高速轴向电励磁双凸极电机具有完全对称的三相磁链,可输出更稳定的电压,其电机绕组的空间利用率高、功率密度大、效率高,可满足航空电源的基本需求。

基于矢量控制的电励磁双凸极电机失磁容错运行转矩脉动抑制策略

电励磁双凸极电机(doubly salient electro-magnetic machine,DSEM)在航空和电动汽车等领域具有广阔的应用前景,这些领域对可靠性有更高的要求。DSEM通过励磁绕组实现他励,其励磁故障是影响DSEM电动运行可靠性的重要方面。针对DSEM驱动系统的励磁故障,该文提出一种基于矢量控制的DSEM失磁容错运行转矩脉动抑制策略。首先,根据瞬时功率不变原则建立DSEM失磁后极坐标系下的转矩数学模型,该模型建立磁阻转矩与电流矢量的幅值和相角之间的关系。随后,基于该模型,以铜耗最小化为目标确立电流矢量的相角,通过控制电流矢量的幅值抑制转矩脉动,将所得的电流矢量变换后得到三相参考电流,进行闭环控制。最后,针对1台18/12极DSEM,通过实验验证所提方法的可行性和有效性。

电励磁双凸极发电机偏心特性研究

针对电励磁双凸极发电机静态偏心故障,首先对于发电机的气隙长度进行了等效解析建模,并对静偏心程度与磁链、电磁转矩以及气隙磁密等重要特性的关系进行了理论推导。然后,通过Ansys有限元建立12/8三相电励磁双凸极发电机的2D有限元模型,并对电磁信号理论分析结果进行验证。最后,利用Workbench中耦合电磁、模态与谐响应分析模块对发电机的径向振动信号进行有限元仿真。研究结果表明,仿真结果与理论分析结果基本吻合,证明静偏心故障中偏心率对于电励磁双凸极发电机性能具有一定的影响,为后续其静偏心故障诊断提供理论基础。

新型定转子齿混合励磁双凸极电机转矩特性研究

为增大混合励磁双凸极电机的电磁转矩并减少转矩脉动,本文分析混合励磁双凸极电机电磁转矩产生机理。为有效利用磁阻转矩,对电机的定、转子齿分别进行开槽设计,使电机自感曲线分布发生变化,有效削弱负向磁阻转矩,减少磁阻转矩,增大平均转矩。对通场路耦合进行仿真验证,结果表明定转子开槽可在不增加转矩脉动的情况下提升转矩输出能力。

考虑电感变化的双三相槽口永磁型混合励磁双凸极电机铜耗监督控制

提出了一种新型双三相槽口永磁型混合励磁双凸极发电机,建立了该电机的矢量空间解耦数学模型,分析了不同工况下电机的电感特性,并提出了一种考虑电感变化的发电稳压铜耗监督控制策略。该策略建立了以最小铜耗为目标,以转矩、电流和电压为约束的非线性规划模型。首先,查找电感响应面,获得电机在当前工况下的实时电感参数;其次,将实时电感代入模型作二次优化,得到适用于电机当前工况的d轴、q轴优化电流及励磁优化电流,在实现系统稳压发电的同时有效减少铜耗;最后,通过Ansys和Simulink的联合仿真,验证所提控制策略的正确性和有效性。

电励磁双凸极无刷直流发电机热网络建模与热特性研究

电励磁双凸极无刷直流发电机具有调压方便、可靠性高的优点,在航空电源领域得到应用,但励磁绕组的引入会带来额外的励磁损耗,进而影响电机的温升。建立准确快速的电励磁双凸极电机温度场模型,并进行热特性研究对其安全稳定运行非常关键。该文对比分析集中励磁与分布励磁双凸极电机的结构特点与损耗分布特性。针对集中励磁双凸极电机的非均匀槽特点,考虑异型槽之间的热耦合作用,建立热网络分析模型。建立有限元分析模型验证了热网络模型的正确性,并对比分析不同转速与负载下集中励磁与分布励磁双凸极电机的热特性。搭建水冷集中励磁双凸极电机实验平台,并完成电磁与温升实验。实验结果与仿真结果一致,表明水冷条件下集中励磁双凸极电机相比于分布励磁双凸极电机具有更高的效率与更低的温升。

基于改进型准比例谐振控制的电励磁双凸极电机电流谐波抑制方法

电励磁双凸极电机的非正弦反电动势特性会导致相电流存在较大的2次和4次谐波,从而降低电机的转矩输出能力。同时,电励磁双凸极电机的电流谐波频率较高,导致传统准比例谐振控制器经过双线性变换后会存在较大的谐振频率偏差,使得电流谐波抑制效果有限。针对此问题,该文首先推导了具有零谐振频率偏差的离散变换表达式,并对表达式进行简化处理,提出了一种基于改进型准比例谐振控制的电励磁双凸极电机电流谐波抑制方法。此外,结合电机的反电动势特性,分析了相电流谐波的产生原因,推导了考虑电流谐波和反电动势谐波的电励磁双凸极电机转矩模型,分析了相电流谐波对电机平均转矩的影响。最后,仿真和实验结果表明,所提方法可以有效地补偿谐振频率偏差,抑制电励磁双凸极电机的相电流谐波,提升电机的转矩输出能力。

定子不对称极混合励磁双凸极电机改进型非线性变磁网络模型构建方法研究

因低速大转矩、宽调速范围等优点,定子不对称极混合励磁双凸极电机(hybrid excitation asymmetric stator pole double salient machine,HEASPDSM)近年来受到业界人士的关注。然而,因HEASPDSM定子极间隔角度不等、依靠谐波工作等特点,传统的有限元法和变磁网络模型法很难快速、准确地计算出电机的关键参数及性能指标。为解决该问题,该文提出一种非线性变磁网络模型法,可便捷地计算出HEASPDSM定转子间的互磁导,进而对不同工况下的电机参数及特性进行深入分析。大量仿真和实验及对比分析表明:该方法较好地兼顾了有限元法的准确性、通用性和变磁网络模型法的快速性,可迅速准确地计算出不同工况下HEASPDSM的各种性能参数,为其后续的优化设计及应用拓展奠定了基础。

不同励磁方式的电励磁双凸极电机正弦化设计与分析

该文在分析传统电励磁双凸极电机(doubly salient electro-magnetic machine,DSEM)反电势畸变的基础上,对两种不同励磁方式的DSEM进行正弦化设计,以实现该磁阻电机的正弦驱动,减小转矩脉动。提出相位调制正弦化的方法,指出该方法的设计原则,有效解决传统斜极DSEM反电势畸变、正弦度低的问题。研究发现,偶数相的DSEM经过特殊的定转子极弧系数设计后总有两相存在严格的互补关系,使所提正弦化方法的实现成为可能;并进一步提出提高反电势波形的对称性和正弦度的方法。随后,将设计的正弦化定子集中励磁电励磁双凸极电机、正弦化定子分布励磁电励磁双凸极电机和传统DSEM进行仿真对比分析。因为正弦化定子分布励磁电励磁双凸极电机性能最优,故加工其样机进行实验验证。实测样机不同励磁电流下空载反电势的总谐波失真均小于4%,采用基于空间矢量脉宽调制的正弦波驱动方式,实现DSEM的正弦化驱动,减小其输出转矩脉动。仿真和实验结果证明了DSEM正弦化设计和采用正弦驱动抑制转矩脉动的有效性,为高性能驱动应用提供了新的电机类型选择。

基于机电信号融合的电励磁双凸极电机绕组匝间短路故障诊断

定子绕组匝间短路是电励磁双凸极电机常见的故障,当匝间短路故障匝数较少时,对电机磁场的影响较小,使得难以通过单一故障特征精确地识别故障。该文通过分析该电机的本体结构和故障特征的提取机理,提出了一种基于振动和相电流信号的多源机电信号融合的电励磁双凸极电机短路故障综合诊断方法——基于多分类支持向量机及改进卷积神经网络的信号融合故障诊断。该文首先根据电励磁双凸极的结构特点研究了短路故障发生时特征信号的变化情况及提取机理;其次根据理论分析结果提出了一种自寻优卷积神经网络结合支持向量机的多源信号融合的故障诊断方法,该方法首先分别利用两种算法计算两个单信号特征下的故障诊断概率,再利用DS证据理论,得出融合后的诊断结果;最后通过实验表明,该文所提出的诊断方法可以更有效地识别电机不同的短路故障,降低了误判率,解决了单一信号源诊断方法精度较低的问题,具有良好的可靠性和互补性。

航空电励磁双凸极电机单/双层绕组下的发电性能研究

不同绕组结构的电机发电性能存在很大差异,选取合适的绕组形式对于电励磁双凸极电机在航空电源系统中的应用至关重要。该文对比研究单、双层绕组电励磁双凸极电机线性区和饱和区发电性能。首先,阐述2种电机的绕组结构形式与磁路特点。其次,在此基础上建立等效磁路模型,解析获得绕组结构对漏磁通的影响规律与机理,从原理上解释了不同绕组结构电励磁双凸极电机饱和特性差异的原因。最后,比较线性区和饱和区单、双层绕组电励磁双凸极电机的输出性能。结果表明:电流密度较低时,单层绕组电励磁双凸极电机的励磁效率更高,输出能力更强,但是双层绕组电机具有较强的过载能力,在航空电源系统中有更大的应用潜力。研制了原理样机,实验结果验证了仿真分析的有效性。

电励磁双凸极电机九状态转矩闭环控制策略研究

针对电励磁双凸极电机(doubly salient electro-magnetic motor,DSEM)运行时存在的转矩脉动问题,提出1种九状态转矩闭环控制策略。该控制策略基于实际非线性电感模型,通过在电机反电势过零点进行状态切换,抑制由电流续流引起的换相转矩脉动,并在各相反电势负过零点附近区域引入传统的两相导通模态,以增加电机出力。分析DSEM在各个模态下相电流、转矩输出的变化特性,基于占空比分析论证所提控制策略的可行性,并总结换相角度对控制策略的影响。最后,通过实验验证所提控制策略能够有效抑制电机转矩脉动,具有良好的动态性能以及较高的转矩电流比。

极端条件下基于特征层面信号融合的电励磁双凸极电机匝间短路故障诊断

电励磁双凸极电机(WFDSM)具有结构简单、可靠性高等优点,适用于航空航天等环境恶劣领域。当发生小匝数短路故障时,由于其电流、振动等信号不会产生明显的变化,难以用传统的检测手段区分。因此,该文提出一种基于特征层面多源信号融合和改进神经网络的WFDSM匝间短路故障诊断方法,用于诊断极端环境下WFDSM早期匝间短路故障。首先,对电流信号进行经验模态分解,获得本征模态函数,同时对振动信号进行小波包变换,并对分解后的各个频段提取峭度和裕度特征,同时计算能量占比;然后,将上述特征矩阵处理后输入改进卷积神经网络训练模型中;最后,通过实验表明,采取特征融合的计算方法诊断准确率可达98%,较数据层面和结果层面的融合计算方法准确率有明显的提升,并且对极端运行环境下的噪声,该方法具有很强的抗干扰能力。

轴向磁通电励磁双凸极发电机仿真分析

研究了一种新型轴向磁通电励磁双凸极电机。在轴向磁通永磁电机的基础上,用励磁绕组取代原电机的永磁体,发电运行时,无需功率变换器和转子位置传感器。兼具了轴向磁通与电励磁双凸极电机的优点,电机结构简单、新颖,励磁磁场可调,功率密度高。采用双定子结构,励磁效率高。转子铁心凸极数为3个,有利于降低铁损。采用三维电磁场有限元法对电机的静态特性参数进行仿真分析,并初步验证该电机的合理性。

高压直流轴向混合励磁双凸极发电机的结构及特性分析

270 V高压直流体制是现代飞机电源系统的重要发展方向之一。依据高压直流发电机具有自启动和短路电流限制能力的要求,提出了轴向混合励磁双凸极发电机,在对基本结构和工作原理进行描述的基础上,通过磁路分析得到了电机气隙磁场随励磁电流的变化规律,并采用有限元仿真加以验证,详细分析了电机的磁场分布、磁链、反电势、输出电压及负载特性等。结果表明,轴向混合励磁双凸极电机相磁链双极性变化,且正弦度高,调磁范围宽,可实现完全灭磁,同时电机运行时效率高,适用于航空高速运行。

轴向磁通电励磁双凸极电机及容错运行控制策略

为使电机系统具有更高的可靠性、较强的容错能力,本文提出一种新型轴向磁通电励磁双凸极电机驱动系统。所提电机不仅具有开关磁阻电机结构坚固、可靠度高的特点,而且还解决了传统电励磁双凸极电机(Doubly Salient Electro-magnetic Motor, DSEM)各相励磁磁路不一致问题。利用可控的励磁磁场补偿电枢磁场以达到容错控制及抑制转矩脉动的目的,并建立非线性数学模型,对新型DSEM驱动系统在三相三状态运行、单相开路、容错控制及加入励磁电流角度控制这四种不同工作状态下的转矩特性进行分析研究。本文的仿真和样机实验结果表明,容错控制策略可以有效降低单相开路故障对电机运行产生的影响,由此验证了新型DSEM拓扑结构的可行性。

新型混合励磁双凸极永磁电机磁场调节特性分析及实验研究

提出一种新型带导磁桥的混合励磁双凸极电机,介绍电机的结构特点和磁场调节原理。采用简化等效磁路模型对气隙磁通调节范围、电励磁绕组的励磁磁势和并联导磁桥磁阻三者之间的关系进行分析,用有限元法获得样机磁场分布和磁场调节特性,设计制造了实验样机。样机实验结果不仅验证了理论分析的正确性,并表明:通过改变电励磁绕组电流的大小和方向,实现了电机内气隙磁场灵活调节与控制,有效解决了双凸极永磁电机难以实现电机气隙磁场调节的不足,在电动汽车等需宽调速直接驱动的场合具有应用前景。

多极低速电励磁双凸极风力发电机及整流特性

提出24/16极电励磁双凸极风力发电机结构型式,通过有限元法计算其静磁场分布特性,论述了共阳极半波整流、共阴极半波整流以及桥式整流电路下电机的不同发电方式和工作机理,指出励磁电流方向和电机转向与发电方式的关系。建立3种整流模式下发电机的场路耦合模型,对不同发电方式下的发电机输出特性进行了仿真分析。研制1台2kW原理样机,实验结果与仿真和理论分析一致,表明转子滑出端发电方式下电机输出电压调整率低、外特性硬,输出功率最大,而传统桥式整流电路不适用于低速电励磁双凸极风力发电机系统。

电励磁双凸极发电机的非线性模型

电励磁双凸极发电机是一种新型的交流无刷电机,结构简单,可靠性高,在汽车和飞机发电领域有着广阔应用前景。但其磁链和电感均为激磁电流、相电流、转子位置的非线性函数无法采用常规的方法建立精确的数学模型。该文采用二维电磁场有限元法对一台12/8极电励磁双凸极发电机进行了精确分析计算,得到了电机的静态特性;利用模糊神经网络的非线性逼近能力,尝试建立了双凸极电励磁发电机的模糊神经网络非线性模型,获得了很高的模型精度,并将仿真分析结果与实验结果进行了对比,验证了所建模型的精确性、有效性及方法的可行性,为飞机直流发电系统的设计、分析建立了基础。

一种新型电励磁双凸极无刷直流发电机

提出一种新型电磁式双凸极无刷直流电机,它是在双凸极永磁电机基础上,用电励磁代替原电机的永磁结构,发电运行时,取消了原电机中的功率变换器和转子位置传感器,电机的结构和制造工艺简单,可靠性高,功率密度高,成本低。本文设计加工一台原理样机,并采用二维电磁场有限元法对其进行了精确分析计算,得到了电机的静态特性,与实验结果进行了对比。