Analysis of Temperature Rise in High-Speed Permanent Magnet Synchronous Traction Motors by Coupling the Equivalent Thermal Circuit Method and Computational Fluid Dynamics

To solve the problem of temperature rise caused by the high power density of high-speed permanent magnet synchronous traction motors,the temperature rise of various components in the motor is analyzed by coupling the equivalent thermal circuit method and computational fluid dynamics.Also,a cooling strategy is proposed to solve the problem of temperature rise,which is expected to prolong the service life of these devices.First,the theoretical bases of the approaches used to study heat transfer and fluid mechanics are discussed,then the fluid flow for the considered motor is analyzed,and the equivalent thermal circuit method is introduced for the calculation of the temperature rise.Finally,the stator,rotor loss,motor temperature rise,and the proposed cooling method are also explored through experiments.According to the results,the stator temperature at 50,000 r/min and 60,000 r/min at no-load operation is 68℃ and 76℃,respectively.By monitoring the temperature of the air outlets inside and outside the motor at different speeds,it is also found that the motor reaches a stable temperature rise after 65 min of operation.Coupling of the thermal circuit method and computational fluid dynamics is a strategy that can provide the average temperature rise of each component and can also comprehensively calculate the temperature of each local point.We conclude that a hybrid cooling strategy based on axial air cooling of the inner air duct of the motor and water cooling of the stator can meet the design requirements for the ventilation and cooling of this type of motors.

共母线开绕组永磁同步牵引电机级联模型预测电流控制

为抑制共母线开绕组永磁同步牵引电机传动系统转矩脉动和由共模电压以及三次谐波反电动势作用于零轴回路产生的零序电流,提出一种自抗扰级联模型预测电流控制方法。首先,在第1级采用第1个有效电压矢量使得q轴电流增加,第2个有效电压矢量使得q轴电流减小,这一新的筛选组合规则将2个有效矢量根据对q轴电流作用效果分组寻优和作用时间分配;其次,在第2级对第1级所选有效电压矢量的零轴分量局部寻优,在第3级对第1级和第2级优化后系统产生的零轴电流分量采用极性相反的零矢量进行矢量分类寻优抑制,并精确分配作用时间;然后,在第4级对前3级所选电压矢量进行开关状态局部寻优,确定最优电压矢量的低开关频率状态组合作用于逆变器。最后,引入自抗扰控制减少电机启动加速过程中的调速超调,并对所提策略和双矢量模型预测电流控制进行稳态和动态仿真对比。结果表明:所提策略对转矩脉动、零轴电流、总谐波畸变率、开关频率和调速超调都具有很好的抑制效果,避免了传统模型预测控制的多目标代价函数中权重系数整定,对系统的控制性能有明显的提升作用。研究结果为进一步对共母线开绕组永磁同步牵引电机传动系统弱磁控制进行究,以及将驱动控制系统应用于机车牵引提供参考。

分布式驱动系统用轮毂电机及其技术综述

应用轮毂电机的分布式驱动型电动汽车在系统效率、车身控制、平台开发等方面具有突出优势,是新一代电动汽车领域的研究热点和重要发展方向。该文对比分析电动汽车集中式驱动与分布式驱动的技术优缺点,指出分布式驱动系统用轮毂电机具有巨大的发展潜力;介绍国内外学者在轮毂电机拓扑创新方面做的工作,总结该领域的研究特点以及面向高转矩密度的技术发展方向;阐述振动分析与抑制、温升计算与冷却、多目标优化与算法加速这三大轮毂电机优化设计研究领域的技术进展,提出全局性多物理场分析优化理论的技术空白;阐明驱动控制领域的研究主要围绕单电机层的高性能控制与容错控制、整车层的多电机协同控制展开;最后,该文总结分布式驱动轮毂电机的研究进展,展望该领域的技术研究方向。

基于单元斜率永磁曳引机ARSM优化设计

依据指标优化设计一款额定功率为7.5kW、效率大于89.7%的永磁同步曳引机。由于磁路法单一参数扫描无法分析永磁曳引机中多变量、强耦合关系,以及设置斜槽或斜极时存在削弱齿槽转矩同时牺牲一定的输出转矩这一对不可调和的矛盾,现通过自适应性响应面法(ARSM)对曳引机各参数优化调整,同时引入新变量单元斜率以此中和永磁曳引机固有矛盾,计算出最佳斜槽角与最佳设计点,然后有限元仿真曳引机各项优化特性并试制样机。结果表明,引入单元斜率后基于ARSM优化可使曳引机齿槽转矩峰峰值缩小88.3%而效率提升一个百分点,且试制样机具有宽广高效的运行范围。

牵引用永磁同步电机温度场集总参数热网络法分析

永磁同步牵引电机具有效率高、体积小、功率密度高等优点,在城际铁路运输领域应用越来越多,具有广阔的发展前景。但随着永磁同步牵引电机的单机容量日益增大,其内部损耗也随之不断增加,损耗的增加使得电机的温升不断增加。在高温环境下,永磁体有可能产生退磁等一系列问题,影响牵引电机的稳定安全运行。本文以一台永磁同步牵引电机为例,对电机转子内置转子等较复杂部件进行合理等效,其次使用集总参数热网络法,建立能够反映电机整体热量传递的热网络结构,该结构可快速计算电机不同工况下的温度分布情况,对电机的热设计有一定的帮助。

空轨车辆用永磁同步牵引电动机研制

空轨车辆运行于空中轨道,其永磁同步牵引电动机存在结构紧凑、转矩密度高、损耗密度大等问题,同时还需要具体低齿槽转矩及低转矩脉动等。通过对电磁设计、热管理设计、结构设计等关键技术进行研究,开发了样机,先后通过了单电机试验、地面联调试验和装车运行考核。试验结果分析表明,该电机满足空轨车辆指标要求,验证了设计的可行性。

铁道车辆牵引系统用永磁同步电机比较

永磁体的采用,使永磁同步电机即使在空转的时候也能产生反电势,并且随着转速的升高反电势亦升高。当永磁同步电机作为铁道车辆牵引电机时,由于铁道车辆特有的惰行工况,必须解决永磁同步电机在铁道车辆惰行时的高反电势,以及由此带来的重投困难。如果仅从控制的角度,在电机高速运行时施加直轴负向电流,从而减弱合成气隙磁场,以降低反电势,但由此将带来惰行的铜耗,并且对控制器和逆变器的可靠性提出了更高的要求。本文从降低电机高速惰行时的反电势出发,提出了几种永磁电机方案,从而为铁道车辆牵引用永磁同步电机的选择提供一定参考。

永磁同步电机作为机车牵引电机的应用现状及前景

在介绍永磁同步电机结构和特点的基础上,对其在机车牵引电机上的应用做了较详细的介绍,并对其应用前景进行了展望。

直驱式永磁曳引系统无称重传感器起动控制策略

无齿轮直驱式永磁曳引系统已成为现代电梯的发展趋势。为了提高电梯永磁曳引系统的性能,提出一种基于无静差模型预测控制的无称重传感器起动转矩控制策略。针对直驱曳引系统机械模型不确定、非线性和强扰动负载特性引起的预测模型失配问题,在预测模型中引入模型校正环节以克服模型失配问题。在预测模型中加入估计等效扰动信息来消除零伺服过程的速度静差,并将转速估计量引入到速度预测环节作为速度预测初值,从而无需在价值函数中再对预测速度进行校正。所研究的无称重传感器控制策略能够在抱闸释放瞬间准确控制电磁转矩,快速追踪不确定性综合扰动转矩,有效减小轿厢倒溜距离,并避免机械振动,从而提高了乘梯舒适性。最后,仿真和实验结果均验证了所提出无称重传感器控制方法的有效性。

电动汽车用永磁同步牵引电动机直接转矩控制(英文)

为提高电动汽车电传动系统性能,提出永磁同步牵引电动机直接转矩控制策略。根据电机的运行状态选择空间电压矢量获得快速动态转矩响应,同时有效降低逆变器的开关损耗。为提高系统效率,采用基于实时输入功率检测的定子磁链优化控制方法。仿真及实验结果证明了控制策略的有效性。

改进同步SVM过调制在机车牵引永磁同步电机中的应用

针对机车牵引大功率永磁同步电机,提出了一种基于同步调制和零序电压注入的空间矢量调制（SVM）过调制方法。综述了当前对机车牵引变换器调制算法的研究,介绍了同步载波调制的切换方式选择方案,详细分析了SVM过调制在零序电压注入方式下的实现方法,推导了其在注入区、补偿区、修正区及六脉波区的数学表达式。提出的机车牵引变换器调制方法可以降低开关频率、减小分数次谐波。零序电压注入的SVM过调制方法实现方式简单、无参数依赖、能够平滑过渡到六脉波调制模式。最后通过仿真和实验的方法在永磁同步电机实验平台上验证了所提方法的正确性,该方法在不增加其它硬件成本的情况下,可减小开关频率为500 Hz以下、减少开关损耗、提高电流谐波特性,有一定的工程应用价值。

基于转子磁场定向的永磁同步电机牵引控制策略

以永磁同步电机为控制对象,研究了其转子磁场定向驱动的控制策略。首先分析永磁同步电机的数学模型,基于此研究转子磁场定向永磁同步电机的调速控制策略,并设计了速度外环和电流内环的调节器,最后通过系统仿真验证了整个驱动控制策略的有效性。结果表明,系统抗干扰能力强,具有良好的动静态性能。

轨道交通车辆永磁同步牵引系统断电区穿越控制策略

永磁同步牵引传动系统是轨道交通车辆稳定运行的重要组成部分,由于车辆经过断电区时,供电系统会出现短暂失电而引起母线电压突变,对牵引系统造成电流冲击以及LC振荡,甚至触发系统发生重大故障,影响系统运行。为使车辆能够平稳穿越断电区,该文通过建立轨道车辆永磁同步牵引系统穿越断电区的等效电路,推导出系统进入断电区前后的数学模型,并在此基础上提出一种通过整流发电稳定母线电压穿越断电区的控制策略,避免关闭牵引系统和断开主接触器,同时降低驶离断电区时母线电压突变,从而减小牵引系统的冲击及振荡。仿真和试验结果验证了所提控制策略的有效性和可行性。

永磁同步交流牵引系统准实时小波降噪研究

针对永磁同步电机矢量控制系统中电流传感器信号污染影响系统性能问题进行研究,利用小波降噪原理,提出基于非线性小波变换阈值法的准实时降噪算法。建立永磁同步牵引系统仿真模型,分析电流传感器信号污染对系统性能的影响,针对电流传感器含噪声系统,应用准实时降噪算法进行系统闭环控制。仿真结果表明:在电流传感器信号受噪声污染条件下,该方法能够在满足系统实时性要求前提下,有效地降低传感器噪声对系统性能的影响,提高系统稳定性。

永磁同步交流牵引系统LQG/LTR控制研究

针对永磁同步交流牵引系统运行过程中存在参数扰动及传感器量测噪声的影响,采用线性二次高斯/回路传输恢复(LQG/LTR)鲁棒控制技术,设计了基于LQG的系统控制器,通过LTR技术优化系统控制器设计,完成参数扰动时的控制性能仿真。仿真结果表明,在参数扰动±5%时,系统具有较强的鲁棒性。提出了基于DSP平台的永磁同步交流牵引LQG/LTR控制系统实现方案。试验结果表明,在系统噪声和测量噪声存在的情况下,使用LQG/LTR控制器的交流永磁同步交流牵引系统,比使用传统的PID控制系统具有更好的动态响应及鲁棒性。

一种永磁同步电机无模型高阶滑模控制算法

针对城市轨道交通高转矩永磁同步牵引电机因参数摄动和未知扰动等不确定因素造成控制性能下降的现象,提出一种基于扩展非奇异终端滑模扰动观测器的转速环新型无模型非奇异快速终端滑模控制方法。首先,依据永磁同步牵引电机在参数摄动和未知扰动下的数学模型,使用转速环的输入输出建立新型超局部模型。其次,基于新型超局部模型设计转速环的无模型非奇异快速终端滑模控制器;同时结合高阶滑模和非奇异终端滑模设计观测器来实时精准估计新型超局部模型的未知部分,通过对控制器进行前馈补偿,增强了系统的鲁棒性,提高了转速的控制精度,并减少了系统抖振。最后,通过与PI控制、无模型滑模控制进行仿真和实验综合比较,验证了所提出的控制算法对电机参数摄动和未知扰动具有较强的容错性和抗干扰性,能降低对电机精准数学模型的依赖。

轨道交通永磁同步牵引系统研究

由于体积小、重量轻、效率高、功率密度高的特点,永磁同步电机近年来受到轨道交通行业的密切关注。阐述了永磁同步电机的发展概况、优点及其结构,并从实现轨道交通直接传动和直接替换现有异步牵引系统两方面阐述了目前永磁同步牵引系统的研究概况,同时介绍了南车株洲电力机车研究所有限公司在永磁同步牵引系统所开展的工作。综合技术趋势和工程化,从系统设计策略、主电路结构、永磁同步电机、控制策略以及运营维护等方面对永磁同步牵引系统进行了具体的分析,为永磁同步牵引系统的研究应用提供参考,以积极推动我国永磁同步牵引系统的技术发展。

永磁同步电梯曳引机的二自由度伺服控制

为了改善永磁同步电梯曳引机的启动突加负载扰动抑制性能和给定速度曲线跟踪性能,提出了二自由度、三速度控制器的转子磁链定向矢量控制算法,该算法中控制器参数根据曳引机与电梯参数进行自动匹配。Matlab仿真与实际电梯测试结果证明该方法相对于传统单自由度单速度控制器的算法,有效地改善了启动突加负载扰动抑制性能及速度跟踪性能。

基于装配模型的曳引机整体强度有限元分析

厢梯用永磁同步无齿轮曳引机具有结构紧凑,控制准确,运行平稳,效率高,噪音低等优点,被越来越多的电梯电机生产厂家开发和应用.对于一种新型永磁同步无齿轮曳引机,应用有限元分析软件,通过分体建模,整体装配,进行静力学和动力学分析,并结合实际动、静态测试结果,对整机主要部件做出准确的强度评估.

轨道交通中永磁同步牵引系统的优势与挑战

在轨道交通领域,永磁同步牵引系统经历了多年发展,初步进入了商业化阶段。相比传统的感应电机作为牵引电机的传动系统,永磁同步牵引系统能耗更低;电机功率密度更高,可以在功率较低的场合实现直驱;电机可设计成全密封结构,噪声可明显降低。同时,永磁同步牵引系统也具备一些缺点和特殊性,例如永磁体的失磁风险;牵引系统复杂性较高;控制和故障保护上有特殊性;永磁同步电机制造难度和成本较高等。这些问题都需要引起足够重视和深入研究,才能促进永磁同步牵引系统的成熟和应用。最后展望了永磁同步牵引系统在轨道交通领域中的应用前景:虽然无法取代异步电机牵引系统,但永磁同步牵引系统将以其鲜明的优点,在多元化用户需求和细分市场中占得一席之地。