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.

Rotor Strength Analysis of High-speed Permanent Magnet Synchronous Motors

为了对转子进行有效的冷却，在满足电机电磁性能的前提下，可通过减小保护套的厚度来尽可能增大定转子之间的气隙，因而必须对保护套和永磁体进行强度校核。将转子受力状况简化为平面应变问题，在此基础上推导出了两层过盈配合、三层过盈配合转子的应力场、应变场、位移场的解析公式，并利用有限元方法验证了解析公式的正确性。归纳了高速情况下热套式永磁转子强度设计准则，为转子的优化设计提供了理论依据。以一台额定转速120kr／min、10kW的高速永磁同步电机为例，给出了两种常用过盈配合高速电机转子的强度设计方法。

Analysis for Rotor Losses of High Speed Permanent Magnet Synchronous Motor

This paper presents an analysis based on analytical method for solid rotor motors for determining the rotor eddy current losses due to the current harmonics of the stator winding. The accuracy of the analytical results is verified by experiments.

Analysis of temperature field for a surface-mounted and interior permanent magnet synchronous motor adopting magnetic-thermal coupling method

Aiming at obtaining high power density of surface-mounted and interior permanent magnet synchronous motor(SIPMSM),it is important to accurately calculate the temperature field distribution of SIPMSM,and a magnetic-thermal coupling method is proposed.The magnetic-thermal coupling mechanism is analyzed.The thermal network model and finite element model are built by this method,respectively.The effects of power frequency on iron losses and temperature fields are analyzed by the magnetic-thermal coupling finite element model under the condition of rated load,and the relationship between the load and temperature field is researched under the condition of the synchronous speed.In addition,the equivalent thermal network model is used to verify the magnetic-thermal coupling method.Then the temperatures of various nodes are obtained.The results show that there are advantages in both computational efficiency and accuracy for the proposed coupling method,which can be applied to other permanent magnet motors with complex structures.

A Permanent Magnet Linear Synchronous Motor Drive for HTS Maglev Transportation Systems

A permanent magnet linear synchronous motor （PMLSM） for a high temperature superconducting （HTS） maglev system has been studied, including the motor structure, control strategy, and analysis techniques. Finite element analysis （FEA） of magnetic field is conducted to accurately calculate major motor parameters. Equivalent electrical circuit is used to predict the drive＇s steady-state characteristics, and a phase variable model is applied to predict the dynamic performance. Preliminary experiment with a prototype has been made to verify the theoretical analysis and the HTS-PM synchronous driving technology.

航空电推进电机多层波浪形拓扑及散热设计方法

针对航空电推进电机的散热问题,提出一种基于多层波浪形散热拓扑的航空电推进电机高效散热设计方法。航空电推进电机采用多层波浪形散热拓扑,建立电机等效热网络模型,确定等效热阻、对流换热系数等重要参数,完成电机温度精确计算,并通过CFD仿真验证所建立电机等效热网络模型的准确性和有效性。以此为基础,对比分析传统散热翅和多层波浪形散热拓扑对电机功率密度的影响。基于多层波浪形散热拓扑的等效热网络模型,采用遗传学习粒子群优化(GL-PSO)算法,完成航空电推进电机高效散热优化设计。优化结果表明:相比于原始方案,优化方案的机壳质量减轻15.1%,整个电机的功率密度提升0.06 kW/kg。

基于高频正交方波注入法的永磁同步电机控制研究

针对传统高频注入法解调过程复杂和观测精度受非理想因素时延影响的不足,提出一种基于高频正交方波注入法的零低速位置估计方法。首先,考虑估计旋转轴系注入的低可靠性,选择将高频信号注入静止轴系,采用简单代数运算提取出高频响应电流,通过解调正向虚拟高频响应电流初步估计转子位置;然后,针对主要非理想因素进行影响分析,在此基础上,通过解调负向虚拟高频响应电流提取出相位滞后角,完成补偿;最后,为避免启动阶段位置收敛错误,通过获取电感变化趋势判断出磁极极性。实验结果表明,所提算法在各类工况均能稳定收敛,且最大平均误差不超过1°,说明了算法的抗扰性以及准确性。

基于ADE优化的IPMSM全速域无传感器控制

为了实现内置式永磁同步电机(IPMSM)全速域的无传感器控制和切换速域的平滑过渡,提出了一种基于自适应差分进化(ADE)算法优化的复合控制方法。分别在零低速域、中高速域采用旋转高频电压注入法和滑模观测器法来对电机转速和转子位置进行估算,并在切换速域采用基于ADE算法的权重系数优化法来实现上述两种控制方法的平滑切换,从而实现IPMSM全速域无传感器控制。仿真结果表明:提出的复合控制方法能够实现电机全速域的无感控制和切换速域的平滑过渡,且具有良好的稳定性。

IPMSM全速域无位置传感器控制策略

为了实现内置式永磁同步电机(IPMSM)无位置传感器系统全速域运行,提出一种改进型IPMSM复合控制策略。首先,在零低速域选用高频旋转电压注入法实现对电机转速和转子位置的估计;其次,在中高速域,为了削弱传统滑模观测器中开关函数造成的系统抖振问题,构造新型超螺旋滑模观测器,提高系统的观测精度;最后,引入差分进化算法优化过渡速域权重系数,实现不同观测方法间的合理切换,完成全速域下转子位置和转速的高精度辨识。研究结果表明,所提算法能够实现电机全速域运行,且具有良好的动态性能。

基于广义二阶积分器的高频脉振电压注入PMSM无位置传感器控制

传统高频脉振电压注入法需要使用多个滤波器滤除杂波信号,会使系统产生延时且估计误差较大,本文提出广义二阶积分器代替滤波器滤除杂波,实现对转速和转子位置估计精度的提高。针对传统高频脉振电压注入法位置观测精度和动态性能较差的问题,采用一种基于广义二阶积分器的速度环和电流环位置误差信息提取方法。采用广义二阶积分器代替位置观测闭环的带通滤波器和低通滤波器,提取电机速度和转子位置信息,简化参数整定过程,提高位置观测精度;同时用2个广义二阶积分器串联取代电流环中的低通滤波器,提取基频电流分量,增加电流环带宽,减小系统延时。仿真和实验结果表明,该方法提高了位置观测精度和系统的动态响应性能。

基于参数辨识的低速永磁同步电机MTPA控制策略

在永磁同步电机运行过程中,由于铁芯材料磁导率呈非线性变化而导致电感变化,继而在最大转矩电流控制比(MTPA)控制下出现固有的计算参数与实际参数不匹配现象,严重影响了电机的动态性能和运行工况下的稳定性。针对这一现象,该文采用高频注入原理,通过对高频注入产生的响应信号解调辨识得到实时的电感参数,然后令辨识得到的电感参数参与到MTPA计算中,保证了参数辨识的准确性和电机运行的稳定性,避免了最大转矩电流控制参数与电机不匹配导致的失控问题。最后,采用DSP LAUNCHXL-F28379D为控制核心的实验平台对所提方法进行了验证,实验结果表明该方法能够有效辨识电感参数并实现最大转矩电流控制。

计及总损耗功率的电动汽车母线电容主动快速放电方法

针对电动汽车遇到碰撞等紧急情况时,高压驱动系统母线电容电压需迅速降到安全电压(60 V),而传统基于PI控制的母线电容主动放电方法存在鲁棒性差、放电时间长和安全性低的问题,提出一种计及总损耗功率的电动汽车母线电容快速放电方法。首先,建立以永磁同步电机绕组作为泄放电阻的母线电容能量流动模型,将逆变器损耗、电机绕组铜耗、电机电感储能等损耗作为总损耗,利用扩展滑模观测器(ESMO)对总损耗功率进行估算,并通过Lyapunov稳定性理论对ESMO的稳定性进行了证明。然后,将观测的总损耗功进行前馈补偿,从而使母线电压快速降低并稳定在安全电压。仿真和实验结果表明,与现有主动放电方法相比,所提放电方法不仅显著减小了放电时间,而且提高了快速放电的鲁棒性和安全性。

船舶永磁同步推进电机的优化I/f起动控制方法

为解决高转矩与高转动惯量的船舶推进电机在开环I/f控制中转速和转矩波动大、电机易失步、效率低的问题,提出一种I/f控制改进方法。通过建立转矩角观测器,调节给定电流矢量的幅值,使其跟随负载转矩变化,提高系统鲁棒性。同时,将电机运行状态推进至接近最大转矩电流比状态,提高电机的运行效率;通过瞬时有功功率调节电流矢量的角速度,降低电磁转矩波动,加快电机的转速收敛过程。最后,在Matlab/Simulink中进行仿真实验,实验结果表明该方法可以显著提高推进电机运行效率和稳定性。

基于滑模观测器的高速PMSM无传感器控制

针对基于饱和函数滑模观测器方法存在调节参数多及低通滤波器带来的相位延迟问题,研究一种基于超螺旋算法的滑模观测器无传感器控制策略,通过理论推导及系统稳定性分析,设计了一种滑模系数根据转速变化在线调节的自适应滑模系数算法。通过实验验证了该方法相比于基于饱和函数滑模观测器,能在较宽速度范围内有效地抑制抖振,提高了无传感器控制系统的估计精度,简化了参数调节过程及滤波器设计环节。

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。

永磁同步电机全转速范围无位置传感器控制

为解决IF控制启动速度偏慢、启动转矩能力薄弱等问题,采用高频脉振电压注入法完成电动机零低速启动,并结合中高速区有效磁链法形成全转速范围无位置传感器复合控制策略。为了实现两种控制方法的平滑切换,提出一种基于转速过渡区与状态机结合的滞环切换策略,所提策略将全转速范围划分为零低速区、过渡区以及中高速区,电动机由中高速区进入过渡区时提前开启高频脉振电压注入法,使其位置估计过程达到稳定,为切换做好准备。为了减小注入高频电压对有效磁链法位置估计过程的冲击,在转速过渡区采用软开启的方式实现高频脉振电压注入法的投入与退出。针对转速过渡区两种位置估计方法同时工作时的耦合问题,设置了双同步旋转坐标系,实现了转子位置估计的解耦控制。在一台三相永磁同步电机上对所提方法的有效性进行了验证。

内置式永磁同步电机无感复合控制策略研究

为了解决内置式永磁同步电机无位置传感器控制系统中采用单一控制算法无法实现全速度范围内理想控制效果的问题,提出了一种改进型复合控制策略。在低速运行时,采用脉振高频注入法,解决了转子初始位置检测问题。通过二阶广义积分器代替带通滤波器,提高了系统的速度响应。在高速运行时,采用龙伯格观测器。同时,为了解决两种控制算法的切换问题,提出了基于改进粒子群算法的线性加权平均切换方法。仿真结果表明:在初始角度θ=2.5 rad的情况下,该策略能使电机运行在全速度范围内、转速误差范围控制在[-8 r/min,+5 r/min],且转子角度波动较小。该研究对机械制造与航天、航空领域具有实际指导意义。

基于桨距角控制的永磁风电机组高电压穿越控制策略

为解决传统永磁风电机组高电压穿越控制策略存在超速脱网风险问题,提出一种基于桨距角控制的高电压穿越控制策略。高电压穿越期间,首先,按照并网要求向电网提供无功支撑;其次,考虑转子转速限制,当转子转速达到参考值时启动桨距角控制,抑制转子转速上升;最后,通过仿真试验,验证了所提控制策略的有效性。基于桨距角控制的永磁风电机组高电压穿越控制策略,既能向电网提供无功支撑,又能避免超速脱网。

A sensorless efficiency test system for a high-speed permanent magnet synchronous motor

We present a sensorless efficiency test system with energy recovery for a high-speed permanent magnet synchronous motor(PMSM). In the system, two identical high-speed PMSMs are used as the motor under test(MUT)and the load machine(LM),respectively.A new sensorless vector control(VC) method based on a hypothetical reference frame is presented to control both the MUT and the LM.Also,a regenerating unit is used to implement energy circulation to save energy.Experiments were carried out on a prototype, with a digital controller based on the TMS320 F28335, to verify the adequacy of the sensorless VC method.As a result,the efficiency test system achieves the load test at the speed of 21000 r/min without any reduction equipment. During the test, the energy regenerated by the LM could be fed back to the MUT by the regenerating unit, and 81.31% electrical power was saved.In addition, with the proposed sensorless VC method,both the MUT and the LM can work at i_d = 0 without a position sensor.

低载波比下基于状态反馈和大林算法的永磁同步电机高性能电流控制策略

受到功率器件开关频率的限制,高速永磁同步电机驱动系统通常需要低载波比运行,此时系统延时相对很大,对电流环设计要求很高。常规在连续域设计的复矢量PI控制器由于离散化实现存在误差,dq轴解耦不完全,而且扰动传递函数包含电机自身低阻尼比极点,使系统抗干扰能力差,尤其是负基波频率附近的扰动。因此,文中提出状态反馈大林控制算法。首先,利用延时环节电压进行反馈来使系统完全解耦;然后,通过输出电流反馈提升系统阻尼来抑制扰动;最后,对解耦且阻尼后的系统设计大林控制器来提升稳定裕度。实验结果表明,相较于复矢量PI控制器,所提出的状态反馈大林控制器dq轴解耦性能好,电流超调小,系统振荡小,且抗扰能力显著提升。