中速磁悬浮列车分段式长定子永磁直线同步电机牵引控制策略

采用分段式长定子永磁直线同步电机牵引的中速磁悬浮列车在定子段换步时,相邻定子段绕组交链的永磁磁链的改变会导致牵引力损失,除此以外,在牵引过程中,馈电电缆长度的增加使得电机漏阻抗增大,在变流器供电容量的限制下,列车无法在试验线中完成全速度运行。该文首先建立含有定子段换步的长定子永磁直线同步电机数学模型,在此基础上,提出全速度运行的换步控制策略,以及适用于该电机的弱磁控制策略。该策略对q轴电流实时分配,保证在换步区间相邻定子段的q轴电流均跟随参考值;利用电机端电压计算得到d轴电流参考值,使电机在id=0控制和弱磁控制两种工况之间平滑切换。通过硬件在环实验,验证了采用所提策略可在线路长度和变流器容量限制下,实现列车全速度运行,并消除电机在定子段换步时的牵引力损失。

基于径向气隙磁密和定子电流的永磁同步电机均匀退磁故障诊断研究

该文提出一种基于径向气隙磁密和定子电流的永磁同步电机均匀退磁故障诊断方法。首先,建立电机的d轴等效磁路模型,分析均匀退磁故障后径向气隙磁密的变化规律;然后,获取电机的径向气隙磁密和定子电流信号,对各极下径向气隙磁密幅值进行归一化处理,并绘制雷达图,根据雷达图和比较相同定子电流幅值下健康电机和故障电机的各极下径向气隙磁密幅值的平均值,来诊断均匀退磁故障;利用空载各极下径向气隙磁密幅值的平均值计算故障程度。最后,仿真和实验结果均验证所提均匀退磁故障诊断方法的有效性。

永磁直线同步电机改进预测电流控制

永磁直线同步电机(PMLSM)预测电流控制(PCC)时存在易受参数变化和延迟以及负载扰动影响,为此提出基于二阶超螺旋滑模观测器(STSMO)的改进型PCC。首先,建立包含不确定性的PMLSM动态数学模型。然后,为了补偿参数变化以及延迟的影响,采用二阶STSMO估计下一周期的电流和参数变化造成的扰动电压,估计值用以计算下一周期的给定电压,以提高电流跟踪精确度,通过李雅普诺夫函数证明观测器的稳定性。同时,采用基于改进指数趋近律的自适应滑模控制器(ASMC)对速度进行跟踪,将状态变量和滑模面加入到指数趋近律中,不仅削弱了电流抖振,且进一步提升了系统的鲁棒性。半实物仿真实验结果表明,与传统PCC相比,提出方法能有效地抑制不确定性对系统影响,使系统具有更好的跟踪性能和鲁棒性。

基于扩张状态观测器的永磁直线同步电机改进模型预测电流控制

针对永磁直线同步电机(PMLSM)模型预测电流控制(MPCC)中存在的电流脉动过大、在线计算复杂的问题,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的改进MPCC策略。利用最优电压矢量相角和重新划分后的电压矢量扇区,改进第一电压矢量的选取方式,减小第二电压矢量选择范围,以实现电压矢量的快速选取,进而降低电流脉动。同时,为了提高PMLSM抗负载扰动能力,通过ESO对扰动进行观测,将观测到的扰动转换为电流进行补偿,提高系统的鲁棒性,且补偿电流可起到进一步减小电流脉动的作用。仿真结果表明,所提出的控制方法切实可行,与MPCC相比,基于ESO的改进MPCC系统具有更好的控制性能、更小的电流脉动和较强的鲁棒性能。

分段式双三相永磁直线同步电机的无模型电流预测控制

分段式结构的双三相永磁直线同步电机(PMLSM),动子穿入和穿出定子分段时,传统的无差拍预测电流控制(DPCC)易受反电动势动态扰动的影响,无法实现精确的电流跟踪和推力控制。同时,该电机模型的参数失配会增大DPCC电流和推力控制的难度。针对以上问题,该文提出了一种基于无模型电流预测控制(MFPCC)的电流控制策略。首先,构建了分段式双三相PMLSM的超局部模型。其次,基于该超局部模型设计了预测电流控制器,并设计扰动观测器以补偿反电动势动态扰动和参数失配的影响。最后,实验验证了所提MFPCC能够抑制分段式双三相PMLSM的反电动势和参数失配的扰动,有效提升参数鲁棒性、电流跟踪性能并降低推力波动。

基于谐波注入分段供电永磁直线同步电机变流器开路推力波动抑制

该文提出一种电流谐波注入的方法,减小长定子分段并联供电永磁直线同步电机系统的驱动变流器发生单相开路故障下电机推力波动。首先,根据动子在定子段的位置,推导出分段单元电机的电压方程,得到各个单元电机的推力表达式和系统总推力。然后,依据变流器单相开路前后的全耦合状态下单元电机基波磁动势不变的原则,构造降阶坐标变换矩阵,得到电机的电压方程和推力表达式。采用注入谐波电流、优化故障后直线电机的输出推力的方式,消除变流器单相开路故障产生的4次和6次推力谐波并消除耦合因数变化对电机推力影响;通过多变流器协同控制多单元电机,有效降低变流器单相开路故障后的推力波动,提高电机的最大输出推力。仿真和实验验证该方法的有效性。

基于级联线性-非线性自抗扰控制器的永磁直线同步电机速度控制策略研究

为了提升永磁直线同步电机(permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM)在负载变化、参数摄动和其他不确定因素下的抗扰性能和速度跟踪性能,提出一种基于级联线性-非线性自抗扰控制器的PMLSM速度控制策略。首先,建立考虑负载扰动和参数失配的PMLSM数学模型;其次,设计级联线性-非线性扩张状态观测器来实时估计和补偿系统所受的不确定扰动,前级线性扩张状态观测器保证系统在大扰动下保持稳定,后级非线性扩张状态观测器利用非线性机制进一步提高系统对扰动的估计精度,从而将线性自抗扰控制和非线性自抗扰控制的优势相结合,以此提升系统的速度跟踪性能和抗扰动能力;并且,对所提控制器提出基于劳斯判据的稳定性分析方法,并对系统的抗扰性能和噪声抑制性能进行了频域分析;最后,对基于PI控制、级联线性自抗扰控制、非线性自抗扰控制和级联线性-非线性自抗扰控制的永磁直线同步电机系统进行仿真和实验对比,验证所提方法的优越性。

模块化永磁直线同步电机考虑制造公差的推力鲁棒性优化

模块化永磁直线同步电机(MPMLSM)具有效率与推力密度高、可靠性和可加工性好等优点,非常适用于长行程运输系统;缺点是批量生产中性能易受到加工公差的影响。针对这一问题,该文提出了一种考虑制造公差的综合多目标鲁棒优化设计方法。首先,基于六西格玛设计方法建立了鲁棒优化模型;其次,采用拉丁超立方采样方法在尺寸公差范围内根据正态分布规律进行抽样,模拟大规模生产时电机尺寸受公差影响可能会出现的各种变化;再次,在尺寸优化范围内均匀抽样构成足够的训练样本,由有限元软件仿真这些抽样方案的推力性能,并基于反向传播神经网络建立电机设计代理模型;然后,应用该代理模型对拉丁超立方采样得到的样本进行电机性能的计算,求解样本整体对应的各优化目标的均值与方差,进而计算多目标优化的适应度;最后,采用非支配排序遗传算法Ⅱ进行全局优化,得到鲁棒优化方案,与不考虑公差的确定性优化方案相比,验证了该方法的有效性。鲁棒优化方案虽然略微增加了电机体积和推力波动,但是其失效概率低,受公差影响小,更加符合产品批量生产过程中的质量要求。

基于SOGI高频方波电压注入的永磁直线同步电机无感控制

针对永磁直线同步电机的无感控制技术,为了解决传统高频方波注入法无法准确定位转子位置和转速的问题,提出了基于SOGI高频方波电压注入的无感方法。与传统的高频方波电压注入法不同,为了得到更好的高频电流信号,采用二阶广义积分器提取响应高频电流信号,采用正交锁相环解决反正切函数没有反馈直接放大噪声的影响。为证明无感控制技术的有效性,用Simulink进行了仿真验证。结果表明,基于SOGI高频方波电压注入的无感方法大大降低了误差,缩短了调节时间,提升了响应时间。

定子槽偏移的内置式永磁同步电机的优化与分析

为降低永磁同步电机齿槽转矩和提高电机输出性能,以三相8极36槽内置组合式永磁同步电机为例,提出了一种电机定子槽偏移的方法。首先,通过理论推导定子齿气隙磁导函数,建立电机定子槽偏移数学模型;其次,对不同定子偏移槽数下不同偏移角度的齿槽转矩峰值、输出转矩以及转矩脉动的影响做出分析,利用自适应遗传算法确定电机定子偏移槽数偏移角度下的目标值;最后,通过试制样机进行实验。结果表明,优化后的电机齿槽转矩峰值降低了49.56%,转矩脉动降低了39.2%,平均输出转矩得到适当提升,气隙磁密谐波得到适当降低,同时,平均输出转矩增大,电机输出性能得到提升。所提定子槽偏移结构及多目标联合仿真方法具有一定的合理性和有效性,可为同类型电机的齿槽转矩优化和输出性能提高提供参考。

永磁同步电机扁线6层定子绕制嵌线技术研究

驱动电机关乎着汽车的动力性能和能源转换效率,永磁同步扁线电机因其大扭矩、恒功率、强磁场等优势逐步成为新能源汽车的首选。文章通过分析扁线多层电机的性能参数,以永磁同步扁线6层定子电机为例,采用叠绕组和波绕组两种绕制方式展开绕组绘制图,对6层定子绕组接线方式进行了细致分析,得出叠绕短距绕制时节省端部用铜,但引接线比较杂乱且最后线圈嵌线较困难;波绕组虽引接线整齐美观,但短距绕制时不能节省端部用铜量,据此解读了扁线电机定子绕组的嵌线技术,力求解决职业院校教学中的难点和汽车维修技术上的难题。

定子槽结构的永磁同步电机振动噪声优化

为改善永磁同步电机一阶齿谐波引起的振动噪声,基于ANSYS Workbench多物理场耦合平台,对电机电磁噪声进行联合仿真,优化电机振动噪声.分析一阶齿谐波引起的振动噪声所在的空间与时间阶次,通过对定子结构优化的方式降低电机的振动噪声.分析定子槽的各种参数对电机气隙磁通密度的影响,并通过回归分析的方式得到其对电机气隙磁密的回归模型,利用优化算法找到最适合定子槽参数.经仿真分析表明优化后的电机气隙磁密得到明显改善,0空间阶次由12倍电磁频率引起的48时间阶次的电磁噪声得到显著降低,证明优化方案的可靠性.

基于延迟补偿的永磁直线同步电机伺服系统双闭环鲁棒重复控制

【目的】为提升永磁直线同步电机(PMLSM)伺服系统的动态响应和鲁棒性,提出了一种将带延迟补偿的鲁棒速度控制与插入式重复比例微分(PD)位置控制相结合的双闭环级联复合控制方法。【方法】首先,基于参考模型鲁棒补偿原理设计了鲁棒速度控制器,该控制器能够有效地调节参考模型与实际系统模型之间的建模误差,并利用逆系统延迟模型来抵消系统传输延迟效应。此外,为了有效抑制周期性外部扰动,引入了插入式重复控制器与PD位置控制器相结合,构建了插入式重复PD位置控制器。【结果】试验结果表明,通过这种双闭环级联控制结构,可以有效地减小位置误差,解决了传输延迟导致的系统性能变差和响应超调问题,并且有效抑制了外部周期性扰动的影响。【结论】所提复合控制方法使PMLSM位置伺服系统能够实现对周期性信号的高精度跟踪,并提高了系统的动态响应和鲁棒性。

E型分块定子永磁同步电机热分析及优化

分块定子永磁同步电机作为一种新型电机拓扑结构,具有高容错性、高转矩密度等特点,同时存在电机损耗大的问题,威胁到电机性能的稳固性。以E型分块定子永磁同步电机为研究对象,分析电机损耗机制,研究不同运行工况下电机损耗变化规律;采用磁热双向耦合法对电机进行热分析,并基于热分析结果采用响应面优化方法对电机进行多目标优化设计。优化后,电机平均输出转矩提升了14.15%,涡流损耗降低了55.99%,平均温升降低了12.62%。最后通过实验验证了双向磁热耦合法的准确性及优化设计的有效性。

考虑悬浮导向间隙变化的长定子直线同步电机力性能分析

常导高速磁浮列车长定子直线同步电机由于特殊的分离结构,气隙由悬浮与导向系统决定,导致牵引力与悬浮力容易受到悬浮与导向系统性能的影响。研究了一个长定子段下垂、悬浮磁极模块纵向倾斜和横向偏移三种工况对气隙的影响,基于有限元软件建立了2D与3D有限元模型,计算分析了长定子直线同步电机的牵引力和悬浮力,揭示了气隙变化对力的影响规律。分析结果可以为高速磁浮列车的牵引系统设计与控制提供参考。

多定子永磁直线同步电机绕组切换故障特性研究

针对多定子永磁直线同步电机(PMLSM)运行过程中绕组切换故障可能引起的失步问题,研究了绕组切换故障特性。在分析PMLSM推力功角特性的基础上,研究了频率对稳定运行区间的影响规律,建立了考虑出入端效应的多定子PMLSM推力模型,研究了绕组切换故障对稳定性的影响规律,利用样机进行了实验研究,得到了一台及两台绕组切换故障时,电机运行频率、运行方式对运行特性的影响规律。研究结果表明:低速PMLSM的电阻效应不能忽略,动子所受正向推力作用空间变小,负向推力作用空间增大。相同数量的绕组失电,提升运行时较易失步。失电绕组越多,剩余电机承担电流越大,越易引起失步。

基于补偿绕组的永磁直线同步电机推力波动研究

为抑制永磁直线同步电机的推力波动,提出了一种引入补偿绕组的永磁直线同步电机,具有推力波动低、推力损失小等特点。首先,以12槽14极永磁直线同步电机为对象,优化端部齿参数降低了定位力基波幅值;其次,采用端部力补偿绕组削弱了定位力的二次谐波;再次,采用相补偿绕组较大程度上平衡了三相反电动势。有限元仿真结果显示,在额定负载条件下,引入补偿绕组的结构的推力波动率与优化前相比下降了28.51%,且推力保持不变,验证了其有效性。

定子分段式永磁直线同步电机速度波动抑制方法研究

为了解决定子分段式永磁直线同步电机(PMLSM)存在的因磁阻效应、负载阻力、摩擦力、参数摄动以及动子进出定子时耦合面积变化所造成的控制性能下降的难题,根据动子和定子的耦合状态,提出一种在完全耦合阶段和动子退出定子阶段的分段式控制方法。首先,在动子与定子完全耦合阶段采用改进滑模控制器减小推力波动导致的速度波动,再通过加入扰动观测器降低滑模切换项所带来的抖振现象;在动子退出定子阶段,建立相关电磁参数与动子位置的函数关系,实时补偿由耦合面积变化引起的动子失速,使动子速度在退出时接近给定值。仿真及实验结果表明动定子完全耦合过程中的速度稳态误差为0.005 m/s,收敛时间为0.3 s,动子退出定子阶段的速度波动不超过0.04 m/s,满足定子分段式PMLSM用于长行程自动运输系统对平稳性及快速性的需求。

定子铁心焊缝数量及尺寸对永磁同步电机性能的影响

本文基于工程实践,首先仿真分析了焊槽尺寸形状、焊槽位置和焊槽数量对于6极54槽新能源汽车用永磁同步电机三相感应电势不平衡度的影响;其次仿真分析了在不同定子槽数和电机极数下,电机三相感应电势不平衡度的变化规律;最后进行了样机制作和测试验证。通过仿真分析和试验验证,指出了对于6极54槽新能源汽车用永磁同步电机,焊槽的宽度和深度均会影响电机的三相感应电势的不平衡度,电机的三相感应电势的不平衡度与焊槽的尺寸成正比例关系;同时还指出了对于永磁同步电机,从减小三相感应电势不平衡的角度,定子焊槽的数量不适宜选用极数的整数倍;此外还指出了电机的三相电压和电流的平衡度与电机的扭矩输出和运行效率的对应关系。

定子开槽加斜槽抑制永磁同步电机噪声研究

为抑制永磁同步电机的噪声,本文以表贴式永磁同步电机为研究对象,首先分析了电机的噪声理论,其次从振动噪声产生的机理出发,提出利用定子开槽加斜槽手段对电机定子进行优化。首先对两种模型进行仿真分析,分别计算了不同结构电机的气隙磁场,从而对比分析了两种结构电机的径向电磁力谐波、径向磁密谐波与齿槽转矩,其次对电机进行谐响应分析,计算了优化前后两种结构电机的声压级,确定了采用定子开槽加斜槽的方法可以降低电机的电磁噪声,最后为验证仿真的准确性,按照仿真优化后的结构生产了一台电机,并搭建了实验测试平台,经测试噪声结果与仿真结果基本吻合,验证了仿真的准确性,证明了通过电机定子开槽加斜槽的方式可以降低永磁同步电机的噪声。