超强型齿层永磁混合式步进电机结构原理及性能分析

结合定子永磁混合式步进电机和超强型混合式步进电机结构及性能优点,提出一种仅在定转子齿层放置永磁磁条的超强型齿层永磁混合式步进电机,具有定转子结构简单、转矩和功率密度高、电磁场二维分布、设计分析计算方便等特点。针对电机结构特征、运行原理及转矩提升机制进行理论分析。基于归一化分析方法和二维有限元计算,探究齿高、齿宽、齿距、气隙等齿层参数变化对空载反电势、定位转矩、输出转矩、转矩脉动、保持转矩等电机性能的影响规律,提出该类电机齿层参数优化设计准则。将同规格定子轭部永磁混合式步进电机、定子齿层永磁混合式步进电机与所提出的超强型齿层永磁混合式步进电机进行性能比较研究,验证了理论分析的正确性及新型电机结构性能的优越性。

内置式永磁同步电机无位置传感器控制

针对无位置传感器内置式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronous motor,IPMSM)矢量控制系统,通过将滑模观测器和高频电压信号注入法相结合,提出一种可实现在宽调速范围获取准确转子位置信息的混合观测方案。设计基于扩展反电动势模型的滑模观测器,对高频信号注入的滤波器和软件锁相环进行研究,并给出混合观测器的切换控制方法,以保证切换过程锁相环跟踪的同步性。针对无传感器IPMSM系统起动困难的问题,研究了一种初始位置估计方法,先注入高频信号检测磁极位置,再注入脉冲电压矢量来判断极性。最后通过IPMSM无位置传感器矢量控制系统验证了该控制策略的有效性。

车用永磁同步电机的改进MTPA控制策略研究

针对车用内置式永磁同步电机(IPMSM)的最大转矩电流比(MTPA)的控制原理,研究一种改进的MTPA控制策略。根据变步长搜索的理论,该策略通过对理论转矩表达式进行多项式拟合,计算出需要的初始转矩角;进而从该初始值开始进行变步长搜索以获取最优转矩角,从而实现最大转矩电流比的最优控制。仿真和实验结果说明:该方法成功避开了电感和磁链等电机参数对控制性能的影响,而且弥补了传统搜索法搜索速度慢,搜索精确度较差的缺点,提高了系统的快速性和控制的准确性。该方法实现简单,具有实际工程应用性。

表面-内置式永磁转子同步电机等效磁路法特性分析

针对有限元法计算分析电机的复杂性和耗时长等特点,采用等效磁路法分析一种表面-内置式永磁转子同步电机工作特性。建立电机开路状态表面式与内置式永磁体串并联励磁结构等效磁路模型,根据表面-内置式永磁转子磁路结构特点,得到开路状态简化等效磁路模型,计算电机励磁磁场分布、电枢绕组反电势和磁通链;分别建立电机电枢反应下直轴和交轴简化等效磁路模型,求解电机负载磁场分布、电枢反电势和输出电磁转矩;建立电机有限元模型,分析求解电机开路和负载状态电磁特性;建立试验平台,进行试验样机空载和负载测试试验。对比分析简化等效磁路模型、有限元模型计算结果和试验样机测试结果,验证了所提出的等效磁路模型的正确性与合理性。

内置式永磁同步电机牵引系统宽调速非线性控制器

针对内置式永磁同步电机(IPMSM)牵引系统机械参数时变、恒转矩区需高转矩输出、恒功率区需宽调速问题,运用非线性自适应控制理论,设计了一种电流滞环控制非线性自适应反步控制器。该非线性控制器在恒转矩区采用最大转矩比电流控制,提高转矩输出能力;在恒功率区采用弱磁控制策略,扩大调速范围;同时对电机参数摄动有较强的抑制能力,表现出较好的鲁棒性。仿真结果证明了IPMSM牵引系统非线性控制器的正确性和有效性。

基于混合遗传算法的内置式永磁同步电机的优化设计

分别应用田口法、遗传算法(GA)和混合遗传算法(HGA)对电动汽车用内置式永磁同步电机(IPMSM)转子结构相关参数进行优化设计,使电机的转矩、转矩脉动、铁耗及效率等性能最优。经过以上三种优化方法的优化,除了转矩、转矩脉动、铁耗及效率等性能均得到有效提升外,IPMSM的弱磁扩速能力也大大增强,由田口法和GA结合而成的HGA优化效果最佳。此外,GA和HGA优化方案的永磁体用量减少,可节约电机制造成本。

内置式同步电机转子分段移位的性能分析与参数计算

转子分段移位能有效削弱相反电势中的齿谐波,降低齿槽转矩和转矩脉动。在有限元仿真计算的基础上,分析转子分段移位数对内置式永磁同步电机相反电势齿谐波及齿槽转矩的削弱效果,并揭示出转子分段移位数与被削弱齿谐波次数之间的关系。分析验证转子分段移位结构的d-q轴电感计算方法,以及对磁阻转矩的削弱影响。

定子永磁型混合式步进电机结构及性能分析

定子永磁型混合式步进电机是一种新型结构的混合式步进电机,相比传统转子永磁型混合式步进电机具有一系列结构及性能优点。为分析电机结构对电磁性能的影响,提出3种电机拓扑结构并建立了解析模型,计算对比不同拓扑结构电机的电磁特性,包括电感特性、磁链特性、反电动势特性和转矩特性。推导磁阻转矩、齿槽转矩和脉动转矩的解析表达式,分析负载变化及定子永磁磁路不对称对转矩脉动的影响。采用有限元法对解析模型进行验证,结果表明,所建立的解析模型能够体现结构参数和电机性能之间的关系,计算速度快且通用性强,特别适合于该类电机的初始设计分析和性能比较研究。

基于DSP的三相混合式步进电机脉冲细分驱动系统

采用数字信号处理器DSP作为控制器,实现细分角度和电流的实时运算;利用其片内集成的事件管理模块通过软件实现脉宽调制。实验证明,此驱动系统简化了电路,提高了系统控制性能,实现步进电机步距角的高精度、连续细分驱动。

一种削弱表面-内置式永磁电机齿槽转矩方法

为了削弱表面-内置永磁同步电动机的齿槽转矩,设计了一种新型槽口偏移方案。分析了永磁电机齿槽转矩表达式,验证了该电机总齿槽转矩为各槽产生齿槽转矩的叠加。以此为原理,将定子铁心的槽进行分组,每组槽口偏移适当角度可以抵消电机齿槽转矩某次谐波,并计算出了槽口偏移最优偏移角。有限元仿真验证表明,该方法可以有效削弱表面-内置永磁同步电动机的齿槽转矩,且电机其他性能不受影响。

基于自抗扰控制的船舶永磁电机无位置传感器混合控制

无位置传感器控制是船舶电力推进系统可靠性的重要保障。针对目前没有单一算法能够实现全转速范围的无位置传感器控制,提出了一种基于自抗扰的无位置传感器混合控制策略。对于电机零、低速区域采用高频电流注入法估算转子位置,对于中、高速区域采用扩展反电动势(EMF)法估算转子位置,并将2种估算方案集成到同一控制结构中,分别设计了适用于其电流内环的自抗扰控制器,使用扩张状态观测器实现了高性能的位置估计,最后针对2种算法切换的问题给出了融合过渡方案。实物平台验证了算法的精准性及强鲁棒性,为实现全转速范围船舶推进内置式永磁同步电机(IPMSM)无位置传感器控制提供了依据。

基于定子永磁拓扑的混合式步进电机二维等效模型构建方法

齿层比磁导法和三维有限元法是目前分析混合式步进电机的主要方法。然而,齿层比磁导法难以考虑铁心叠片间绝缘层磁阻对永磁磁场轴向非均匀分布的影响、计算精度较差,三维有限元法计算过程复杂、耗时较长,为此提出一种基于定子永磁拓扑的二维等效模型构建方法及其二维有限元分析。该方法通过电机结构等效变换和轴向分段将混合式步进电机转子永磁三维模型等效变换为定子永磁二维模型,并采用对三维模型、二维模型分别进行一次空载有限元静态仿真的方法确定二维等效模型参数,能够考虑永磁磁场轴向非均匀分布的特性,具有模型建立简便、计算精度高、耗时少的优点。通过三维有限元仿真验证了该方法的可行性和准确性。

一种航空用直线直流步进电机控制系统设计

研究了一种飞机油阀用直线直流步进电机及其控制系统。混合式直线直流步进电机直流驱动替代目前的有刷直流电动机的间接驱动,简化了繁琐的蜗轮蜗杆机构;细分技术使步进电机运行平稳,消除了间接驱动的弊端,提高了飞机油阀驱动控制系统的技术水平。

单极内嵌两相混合式步进电机

传统型混合式步进电机(HSM)采用轴向永磁磁路结构,环形永磁体放置在转子上,其截面积受转子铁心内、外径的限制,磁钢用量有限;其转子常采用多段式以缩短磁路,解决永磁磁通沿轴向衰减问题,但转子分段的增加导致转子有效铁心占比的减小,限制了电机的转矩密度,且轴向长度的增加在电机安装尺寸受限的情况下并不适用。本文提出了一种两相单极内嵌式HSM,转子铁心轴向分两段,错开半个齿距,每段内嵌两个半圆瓦片形径向充磁同极性永磁体。该结构永磁体不额外占用轴向空间,且磁通沿轴向衰减较小,从而减小了电机体积,提高了转矩密度。本文首先介绍了单极内嵌式HSM的电机结构及工作原理;其次,为了与传统HSM作对比,采用传统57型HSM结构参数,基于三维有限元设计了相同体积的单极内嵌式HSM样机电磁方案,仿真分析了其空载磁场和气隙磁密分布,对比分析了两种电机的稳态运行性能,仿真结果表明,与相同尺寸的传统型HSM相比,单极内嵌式HSM的额定保持转矩和输出转矩均大于传统型HSM。

内置式永磁电机齿槽转矩的优化设计

针对内置式永磁同步电机存在的齿槽转矩问题,采用有限元软件Maxwell分别对不同分段数、不同非均匀气隙情况下的内置式永磁同步电机进行分析.理论分析表明:转子分段斜极可以抑制齿谐波,从而削弱齿槽转矩;而采用非均匀气隙结构则可以通过优化气隙磁密的特定次谐波削弱齿槽转矩.依据理论分析,提出一种二者相结合的方法抑制电机的齿槽转矩.优化结果表明:该方法能有效地抑制电机的齿槽转矩.

定子永磁和转子永磁混合式步进电机性能比较研究

定子永磁型混合式步进电机(stator-permanent-magnet hybrid stepping motor,SHSM)是一种新型结构的混合式步进电机,其运行原理与普通转子永磁型混合式步进电机相同,但转子结构更为简单、转子机械强度更高、转矩及功率密度更大、永磁体散热更容易、设计分析计算更为方便。为合理评估两种结构混合式步进电机性能,该文从永磁气隙磁密、最佳铁心迭长、永磁转矩、定位转矩及转矩脉动、永磁磁链及空载反电动势、永磁体漏磁及利用率、定子轭部磁通密度等方面对两种电机进行综合分析比较。试制一台功率为240W的2相8极50齿SHSM样机,通过实验验证其工作原理的实际可行性。基于SHSM样机参数,构建两种电机的有限元仿真模型并进行有限元分析比较。有限元和实验结果验证了理论分析的正确性,为新型SHSM的进一步推广应用奠定一定理论基础。

基于DSP的三相步进电机脉冲细分控制器设计

混合式步进电机的工作原理类似于永磁同步电机,完全可以引入同步电机的先进控制方法.从同步电机控制的角度来控制步进电机,就从根本上跳出了步进电机细分控制是对相电流控制的限制,实现了全新的脉冲细分控制.基于这一理论开发出以电机控制专用的数字信号处理器芯片TMS320LF2407为核心的三相混合式步进电机脉冲细分控制器.

电动轻型车辆驱动用切向充磁永磁电机研究

针对电动轻型车辆用驱动电机,设计开发了一种新型永磁体内置式永磁同步电机(IPMSM).电机的转子采用永磁体切向充磁(spoke-type)结构,在保证转子机械强度和兼顾电机电磁特性的前提下,提出了一种IPMSM用spoke-type混合冲片转子结构,并采用了非均匀气隙设计.采用有限元法分析计算了电机的空载反电动势波形、齿槽转矩及不同工作条件下的输出转矩特性,并与采用内置V-type转子结构的IPMSM进行对比分析.研究分析结果表明,在保证与内置V-type转子结构的IPMSM相同电磁特性的条件下,采用本文所提出的spoke-type混合冲片转子结构,永磁体的用量可减少32%,从而实现了降低电动轻型车辆用驱动电机的制造成本.

基于IPMSM的全速范围无位置传感器复合控制

为克服无位置传感器控制方法中单一方法不适用于全速范围的缺点,基于内置式永磁同步电机(IPMSM)提出一种全速范围内无位置传感器的复合控制策略。通过权数据转速平滑变化的加权函数将脉振高频注入法与模型参考自适应法结合,同时通过制定复合控制系统的参数整定流程,解决了因多估计观测器而带来的复杂性问题,实现了复合控制系统的快速整定。动静态仿真结果表明:所提出复合控制策略在全速范围内位置与转速估计中具有较强的鲁棒性和较高的跟踪精度,大幅降低了脉振高频注入法引入滤波器带来的相位延迟而导致的估计误差,同时克服了模型参考自适应法在低速反电动势低时导致的估计误差大的缺点。

基于台架标定的IPM电机复合弱磁控制技术

内置式永磁(IPM)电机在基速以上需要进行弱磁扩速,为弥补负i_d补偿法高速稳定性差的不足,提出一种基于台架弱磁标定查表法+负i_d补偿法的复合弱磁控制技术。详细分析了台架弱磁标定方法和数据处理方式;电机运行区域判断和d,q轴电流指令由转矩指令和实际转速根据查表得到。负i_d补偿法以逆变器最大输出电压为参考值构建弱磁环,输出d轴去磁电流,使异常工况下d,q轴电流指令落到电压极限椭圆内。实验结果表明,该方法具有良好的动态响应特性,系统稳定性高。