船舶轮缘推进器关键技术研究现状和发展趋势

采用电力直驱模式来完成电能与机械能的无传动转化是高端交通动力装备领域的未来战略性技术之一。轮缘推进器(RDT)作为一种高度集成的电力直驱推进,是近年来研究的热点。文章梳理了船舶轮缘推进器的6项关键技术,包括水力部件设计及优化、电机设计及控制、水润滑轴承的设计和性能强化、系统集成与测试、船体匹配及联合控制以及可靠性评估与智能运维;阐述了各项技术的研究现状和趋势,总结了国内外RDT产品和实船应用情况。研究和应用表明,节能、环保、灵活的轮缘推进器是绿色智能船舶电力推进形式的重要选择,高性能轮缘推进器专用化设计、效能提升和状态监测以及智能运维是轮缘推进器未来重要发展趋势。

永磁同步电机故障诊断方法研究综述

永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)具有结构简单、运行稳定、效率高和外形多样等显著优点,在生产制造领域得到广泛应用。PMSM在工作中不断受到速度变化和负载波动等复杂工况的影响,不可避免地会出现各种故障,如轴承故障、偏心故障、退磁故障和匝间短路故障等。文中综述了PMSM常见故障类型,并总结了自动化领域中基于信号的状态监测方法的现有研究,以用于各类电气和机械故障的检测和诊断。随后,对诊断方法进行了总结,并分析了其优势与限制,探讨了不同信号处理方法在应用中的利弊。最后,根据当前研究现状,讨论了PMSM故障监测与诊断存在的问题和未来发展方向。

低温高速永磁电机硅钢片铁心电磁性能变化机理研究

由于低温泵用高速电机工作在低温环境中,探究低温环境对构件材料性能的影响、低温条件对电机特性的作用机理以及形成统一的选材原则已经成为该类电机亟待解决的问题。采用实验法在常温(25℃)和低温(-196℃)条件下对不同系列的冷轧无取向硅钢片的电磁性能进行了研究,分析了低温环境与频率对硅钢片电磁性能的影响情况。基于实测数据并采用有限元法计算了电机定子铁耗,得到了电机采用不同系列硅钢片的定子铁耗分布以及变化情况。为了探究低温环境下采用不同系列硅钢片时电机定子铁耗变化幅度不同的原因,采用低温冲击法对硅钢片的矫顽力进行测量,验证了有限元计算所得规律的正确性。探明低温条件对硅钢片电磁性能的影响机理,提出低温高速高频电机铁心材料的选材建议,为低温工作环境下低温电机铁心材料选材提供理论借鉴与参考。

降低永磁球形电机铜耗的通电策略研究

连续运行模式下,针对永磁球形电机(Permanent-magnet spherical motor,PMSpM)恶劣的通风、冷却条件影响电机可靠运行和使用寿命的问题,提出了几种能够精确输出目标转矩并避免局部过热的自旋通电策略。建立了基于有限元分析(Finite-element analysis,FEA)的单线圈电流有效值-稳态温度(IRMS-Tsteady)模型,提出使用高精度电流传感器间接测量线圈温度的方法,以验证模型的准确性。基于此分析了偏心自旋、最小电流和、固定励磁线圈三种通电策略。后两种策略采用改进的粒子群优化(Particle swarm optimization,PSO)算法优化驱动电流,算法通过参数方程限制粒子产生与更新以精确输出目标转矩,并分别尝试通过减少粒子维度和指定线圈组合来进一步降低铜耗。策略对比结果表明,固定励磁线圈策略能够在输出目标转矩的前提下大大降低铜耗且避免了局部热点出现。

高速飞轮与电机耦合动力学模型研究

基于替代映射方法分别建立主动磁轴承和永磁同步电机的非线性模型,并与飞轮转子动力学模块、PID控制器等组件结合,构造高速飞轮转子与电机耦合的非线性动力学系统模型。仿真结果表明,替代映射方法计算得到的永磁同步电机齿槽转矩数值与有限元模型结果之间误差较小,具有良好的精度,可正确描述其基频到多次倍频的振动特性。永磁同步电机转子偏心作用力随着转子振幅的增大而增强,会显著削弱主动磁轴承对飞轮转子的控制能力。基于前人“双弹簧”模型,结合永磁同步电机替代映射模型,建立包含主动磁轴承和永磁同步电机的“三弹簧”模型。仿真计算结果表明,永磁同步电机转子偏心作用力改变了飞轮转子的第二临界转速的频率和振幅,作用力较大和位置偏置会造成第二临界转速附近的运动失稳。

高速内置式永磁电动机转子系统的模态特性

针对含多组件的高速内置式永磁同步电动机转子结构等效弹性模量准确获取难度大,忽略轴承支承阻尼引起的模态分析误差大的问题,提出一种基于悬臂梁模型的等效弹性模量解析法,采用复数里卡蒂传递矩阵法建立考虑支承阻尼的转子系统动力学模型,分析了轴承支承特性和等效弹性模量对模态特性的影响,并进行了仿真和试验验证。结果表明:增加轴承刚度将增大转子系统的刚性临界转速并降低系统稳定裕度,增加轴承阻尼将减小刚性临界转速并增大系统稳定性;当转子系统阻尼比增加到0.4左右时,锥动刚性模态消失;等效弹性模量主要影响转子系统的弯曲模态,而对刚性模态几乎无影响。

车用驱动电机轴电压产生传导和抑制方法研究

【目的】针对车用驱动电机长时间运转后,由于轴电压导致的电机轴承电蚀问题,分析驱动电机轴电压的产生机理以及提出相应的抑制方法,以提高车用驱动电机设计的可靠性。【方法】通过使用Matlab建立永磁同步电机的控制模型,建立轴承油膜击穿的模型,结合电磁仿真软件计算电机的寄生电容,分析轴电压与控制器母线电压、开关频率、共模电压、扭矩等的关系。【结果】验证了轴电压的频率和控制器的开关频率相同,轴电压和控制器的共模电压在波形上存在镜像关系,幅值约是共模电压幅值的3%,轴电压与电机扭矩变化的关联度较低。【结论】使用该模型可以方便地研究电机各工况下的轴电压情况,依据提出的抑制方法,可在电驱动系统开发初期,采取相应措施降低轴电压及相关危害。

南水北调韩庄泵站永磁同步电机温升计算及散热改进措施探究

南水北调东线韩庄泵站采用永磁同步电机,在额定负载和轻载时均具有更高的运行效率和功率因数,但在调水过程中发现机组运行一段时间后,在环境温度、流量、水位、水温等未发生变化的情况下,出现电机电流增大、电机各部分温度升高、有功功率增大的现象。文章通过对原始电机模型进行温升计算,得到了电机内部各区域温度的分布状况,探究了在不更改原有电机和散热结构的前提下,提出了减小电机温升的措施,使电机运行时产生的损耗降低,为日后同类型大型直驱永磁同步电机的设计提供了理论支撑。

高速永磁电机设计与分析技术综述

高速永磁电机在航空航天、能源及精密制造等领域具有广阔的应用前景。该文首先介绍了现有文献中的高速永磁电机定转子结构及其所使用的材料;然后从定子铁耗、铜耗、转子涡流损耗与风摩损耗等方面,分别总结归纳了电机中各项损耗及其计算方法;对比分析了各种高速永磁电机温升计算方法;概述了高速电机转子支承方式的发展情况。总结了转子强度与动力学分析相关的问题,最后展望高速永磁电机相关技术的主要发展方向。

基于磁场定向控制的永磁同步电机参数测量

基于矢量控制原理,介绍永磁同步电机参数测量的一种新方法.该方法借助于同步伺服系统实现电机相关参数的测量,不需要特殊的仪器,也没有特别的测试要求,适用于永磁同步电机参数的现场测量.利用矢量控制情况下电机启动制动过程中速度的线性变化过程,测量电机转子的转动惯量,为电机控制系统的数学建模与仿真分析奠定基础.

永磁同步直线电机磁阻力分析及抑制措施

以某机床用永磁直线电机为例,分析了永磁直线电机磁阻力产生的原因,通过解析公式推导得到了最小端部力下的初级长度计算公式,利用此公式可以初步估算端部力较小时直线电机的初级长度,并且通过有限元和样机实验两种手段验证了初级长度计算公式的可用性;基于分磁环理论,通过有限元法,建立了直线电机的计算模型,对其磁阻力进行了分析计算,并利用样机实验进行了对比验证,得出在初级端部贴铁块可以进一步削弱端部力。本文通过实验证实这两种方法对削弱直线电机磁阻力是有效的,结论可为永磁直线电机磁阻力的削弱提供抑制措施。

一种永磁同步电机参数测量方法

基于永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,简称PMSM)的数学模型,由数学推导得出PMSM在d,q坐标系下电感参数的理论公式,通过电桥测量电机的静态三相电感和三相电阻参数即可计算得到d,q轴电感和相电阻参数。该方法无需考虑电机永磁转子的当前位置,无需额外测量电路及进行驱动控制,具有理论清晰、测量简单、通用性强等特点。针对PMSM磁链参数,将电机加速到一定转速后通过测量开路电压及转子频率,即可计算获得磁链系数。实验验证了该测量方法的正确性和准确性。

片状无轴承磁电机的研究

研究了一种新型的片状无轴承永磁电机的工作原理和结构设计,只须控制转子的两个径向自由度,就能够实现磁悬浮并驱动电机旋转;当电机极对数≥3时,径向磁悬浮力与电机转矩互不耦合,可以独立设计磁悬浮轴承与电机的控制系统;提出了新的、工艺性好的绕线方法,只需在单个磁极上绕线,不需要跨磁极绕线;研制了电气控制系统,包括双向电流型开关功率放大器、PID控制器等;设计、制造了内转子式的片状无轴承永磁电机样机;试验研究表明,研究的片状无轴承永磁电机成功地实现了磁悬浮,最高转速达到了3300r/min,转子振幅<20μm。

轴流式人工心脏泵混合磁悬浮系统的耦合特性

植入式人工心脏泵要求体积小、质量轻、功耗低,为了满足这些要求,需要研究磁悬浮人工心脏泵的轴承特性。为此,对径向永磁轴承自身的耦合特性进行了理论分析与仿真,据此提出了心脏泵转子的磁悬浮支承方案,该方案采用两个径向永磁轴承和一个轴向电磁轴承来实现转子的五自由度稳定悬浮。根据径向永磁轴承的磁场分布特性,提出了采用两个关于转子轴线对称布置的霍尔传感器,从转子径向方向检测转子轴向位移的方法,理论分析揭示了转子径向位移和轴向位移在检测结果中的耦合关系,并给出了解耦方法,得出了轴向位移。基于研究成果设计了轴流式磁悬浮人工心脏泵原型机,并成功实现了转子的五自由度稳定悬浮。

一种新型的五自由度磁悬浮电机

介绍了一种新型的五自由度磁悬浮电机系统 ,它由两自由度无轴承电机和三自由度磁轴承两个独立悬浮单元构成。其中无轴承电机将悬浮绕组与转矩绕组叠绕在一起 ,同时实现转矩驱动和转子两自由度径向悬浮 ;三自由度磁轴承利用单极永磁偏置磁场实现转子轴向悬浮以及两自由度径向悬浮。该电机结构紧凑 ,有利于向大功率、高转速方向发展。文中介绍了悬浮力产生的基本原理 ,简要推导了系统数学模型 ,给出了控制系统框图。最后对实验样机转子在五个自由度上的悬浮情况以及绕组电流变化进行了测量和分析。实验结果验证了所述原理和控制方案的正确性。

基于α阶逆系统五自由度无轴承永磁电机解耦控制

文中应用多变量非线性控制α阶逆系统方法,对新型五自由度无轴承永磁同步电机这一多变量、非线性、强耦合的控制对象进行动态解耦控制研究。介绍了新型五自由度无轴承永磁同步电机结构,阐述了α阶逆系统方法,分析了三自由度磁轴承的工作原理和二自由度无轴承永磁同步电机径向力产生机理,给出三自由度磁轴承轴向力、径向悬浮力方程和二自由度无轴承永磁同步电机转矩力和径向悬浮力方程,建立了电机的状态方程,分析了基于α阶逆系统方法解耦控制的可行性,推导出基于α阶逆系统方法的动态解耦控制算法,并进行了仿真研究。仿真结果表明这种控制策略能够实现五自由度无轴承永磁同步电机转矩力和悬浮力之间的动态解耦控制,系统具有良好的动、静态性能。

考虑转速滤波的永磁同步电动机转速伺服系统改进型自抗扰控制器

在永磁同步电动机伺服系统中,通常根据位置信号采用M法计算转速。由于位置信号存在量化误差等原因,计算转速存在测量噪声,因此常将滤波后的转速作为反馈。在传统的转速一阶自抗扰控制系统中,自抗扰控制器的设计过程并未考虑转速滤波环节的影响,这将使系统性能受滤波时间常数的影响。提出一种考虑反馈转速滤波环节的改进型自抗扰控制器,将滤波后的转速扩张为一个新状态量,利用三阶线性扩张状态观测器估计滤波之前的转速量,并将其作为反馈。实验结果表明,改进型自抗扰控制系统具有较好的控制性能。

一种基于增量式卡尔曼滤波器的PMSM转速滤波算法

为了滤除永磁同步电机转子转速测量环节存在的量化误差等噪声,提出一种基于增量式卡尔曼滤波器的转子转速滤波算法。该算法通过两个相邻周期的离散运动方程相减的方式消除负载转矩项,根据卡尔曼滤波器原理,推导出基于增量式卡尔曼滤波器的永磁同步电机转子转速滤波算法,并与低通滤波器的滤波效果进行比较分析。研究表明,基于增量式卡尔曼滤波器的滤波算法可以在不带来延时的前提下有效滤除转速测量噪声,并且计算负荷显著减少,对电机参数依赖度低。仿真和实验结果验证了所提算法的有效性。

基于检测单元的永磁同步直线电机位置检测新技术

针对目前复杂机电系统与位置检测技术无法在机械结构和电气功能上形成有效集成的矛盾,提出将永磁同步直线电机定子内周期性变化励磁作为空间位移测量载体,采用磁阻传感器结合时栅位移传感技术构建永磁同步直线电机内置式位置检测单元,通过感应的两路驻波合成行波信号,构建位置传感所需的运动参考系,建立空间位移和时间基准之间的关系。在不改变永磁同步直线电机原有机械结构和电气特性的基础上,可实现永磁同步直线电机在150 mm范围内-47.2~49.6μm的定位精度和0.15μm的测量分辨力。这种位移检测集成技术具有结构简单,成本低廉等优势,可替代一些中等精度光栅在复杂机电系统实现位移信息反馈,具有重要工程应用价值。

基于UKF方法的永磁同步平面电动机位移测量

针对现有永磁同步平面电动机位移测量方法测量自由度少,且安装要求苛刻等缺点,利用少量分散排布,在磁场中相位不重合的霍尔传感器组成的霍尔阵列信号及电动机的磁通密度模型,基于无味卡尔曼滤波(Unscented Kalman filter,UKF)方法导出一种永磁同步平面电动机沿x、y轴平动及绕z轴转动位移的测量方法。仿真及试验结果表明,该方法可以实现电动机平面3自由度位移的测量。在观测值使用次数一定的情况下,随着观测噪声逐渐减小,位移估计值精度便逐渐提高,但当观测噪声小到一定程度时,位移估计值精度稳定在一定水平上,此时由算法造成的计算误差成为影响精度的主要因素。在同样的观测噪声下,多次使用观测值进行反复迭代,可以使位移估计值精度得到进一步提高。在实际工程应用中,应该从精度要求和计算量综合考虑,从而确定最优观测值迭代次数。