Transient characteristics analysis of linear flux-switching permanent magnet machines for precision control

A dynamical dq model is proposed for a linear flux-switching permanent magnet（LFSPM） machine which is suitable for high-precision control applications.The operation principle of the prototype machine is analyzed using the finite element method（FEM）,and the parameters,such as the back electromotive force（EMF） and the phase flux linkage,are calculated.The calculated and measured results reveal that the back EMF and the flux linkage are essentially sinusoidal,and the variation of the phase flux linkage profile of the LFSPM machine is similar to that of the linear surface permanent magnet（LSPM） machine.Based on this,a dynamical dq model and a simulation control model are proposed.The simulation results are compared with the test results obtained from a DSP-based control platform,which verifies that the model is correct and effective.Moreover,the model can be used for design optimization and control development.

Performance Analysis and Comparison for Two Topologies of Flux-Switching Permanent Magnet Machine

Flux-switching permanent magnet(FSPM)machine is a kind of stator-typed permanent magnet machine,which is suitable for driving electric vehicles and hybrid electric vehicles because of their large power/torque density and high efficiency.The axial field flux-switching permanent magnet machine(AFFSPMM)and radial field flux-switching permanent magnet machine(RFFSPMM)with H-typed iron cores are reached and compared in this paper.On the condition of the same outer diameters and total volumes,the electromagnetic performances of the two machines are analyzed and compared by the three-dimensional finite element method,including the air gap flux density,inductance,back electromotive force(EMF),electromagnetic torque and loss.The finite element results show that the copper loss of AFFSPMM is higher than that of RFFSPMM at the rated load,however,the total loss of AFFSPMM is lower than that of the RFFSPMM.Meanwhile,AFFSPMM has greater torque than RFFSPMM in the constant power range.The related experiments are done to validate the finite element results,which are basically consistent with experiment results.

Static characteristics of a novel flux-switching permanent magnet linear motor

A novel flux-switching permanent magnet linear motor（FSPMLM） is proposed for linear direct driving machine tools.First,the two-and three-dimensional topological configuration of the proposed motor is presented;the basic operational principle of the FSPMLM is introduced;and the magnetic fields at the two typical conditions of no-load are analyzed.Secondly,the FSPMLM is analyzed by the two-dimensional finite element method（FEM） to investigate the static electromagnetic characteristics such as flux-linkage,back EMF（electromotive force） and inductance performances.The cogging forces of two kinds of FSPMLMs with different shaped cores are analyzed and compared,and the results show that the cogging force is significantly reduced by using the E-shaped cores.Additionally,based on the co-energy method,the thrust equation is derived and verified by the simulation results obtained by the FEM.Finally,an experimental prototype is used to test the characteristics under open circuit and load conditions.The simulation and experimental results indicate that the proposed motor has advantages of a sinusoidal back-EMF waveform,a small cogging effect and a high thrust density,and it is suitable for the application of linear direct driving machine tools.

Reduction of Cogging Torque in Permanent Magnet Flux-Switching Machines

Permanent magnet flux-switching machine (PMFSM) is a relatively new structure. Available literatures mainly focused on its general design procedure and performance analysis. In this paper, Finite Element Method (FEM) is taken to ana-lyze various design techniques to reduce the cogging torque in a prototype 12/10-pole PMFSM.

Quantitative Comparison of Modular Linear Permanent Magnet Vernier Machines with and without Partitioned Primary

A comparison of two modular linear permanent-magnet vernier(LPMV)machines is presented.A modular LPMV machine with a partitioned primary,which can significantly improve the modulation effect,is proposed.Benefitting from the partition design,the space conflict between the permanent magnet(PM)and the armature magnetic field is relieved.First,the topologies of modular LPMV machines with and without a partitioned primary are presented.Then,the effect of the partitioned primary on the modular LPMV machine is analyzed using flux modulation theory.Moreover,analytical expressions for the trapezoidal permeance are derived.In addition,the harmonic components,back electromotive forces,and thrust forces of the machines with and without the partitioned primary are comparatively analyzed.The results reveal that the thrust force density of the LPMV machine with a partitioned primary is increased by 32.3%.Finally,experiments are performed on a prototype machine for validation.

AN ANALYSIS OF AXISYMMETRIC MAGNETIC FIELD OF LINEAR OSCILLATION MOTOR

In this paper, using axial field finite analysis method, the field of a movable core type linear oscillation motor is analyzed. The program of axial field finite analysis is worked out. Using this program, we analyze various fields, including the field excited by permanent magnet materials, the field by two coils respectively, and the fields with the core moving to various positions.

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。

短初级永磁同步直线电机推力波动优化

带辅助极式短初级永磁同步电机理论上可通过优化电机结构,实现辅助极定位力与电枢定位力相互抵消,达到保持高推力的同时降低推力波动的目的。但永磁同步直线电机(permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM)待优化参数多,其电磁非线性的特征增加了优化的难度和工作量。为提升优化效率,课题组提出了一种帕累托(Pareto)蚁群优化算法(ant colony optimization,ACO)。Pareto ACO采用可变信息素挥发系数替代传统的固定挥发系数,使全局搜索速度与局部搜索速度更快;通过与同类多目标算法的3种测试函数处理结果作比较,得出Pareto ACO的性能更优越;利用Pareto ACO对带辅助极式短初级永磁同步直线电机槽口宽度、辅助极宽度和永磁体宽度等结构尺寸进行多目标优化。优化结果表明该算法可有效节省永磁体材料,降低推力波动,实验验证了该算法的有效性。

基于系统误差辨识的波浪发电系统功率优化

针对复杂工况下运行的直驱式波浪发电系统,考虑模型不匹配,设计滑模观测器在线检测建模误差;应用系统辨识技术进行误差拟合,减少在线计算量;随后将传递函数转为状态空间,建立更精确的水动力方程以设计后续策略,降低模型失配影响;基于变分法构造能量泛函,求解泛函极值获得最优控制律,经滤波估计系统运动速度,采用空间矢量脉冲宽度调制技术跟踪控制理想电流,提高发电系统功率捕获能力。仿真结果表明,所提方案动态性能好、鲁棒性强、观测精度高,可有效提高系统存在建模误差时的波能捕获能力,输出能量增加,输出平均功率提升。

基于深度神经网络的永磁直线电机仿真与优化

针对永磁直线同步电机(permanent magnet linear synchronous machine,PMLSM)有限元仿真模型的计算时间长,不能直观地显示结构参数与输出推力的关系,无法指导电机结构参数优化等问题,提出基于子域解析法和深度神经网络算法的PMLSM改进仿真模型,根据麦克斯韦方程组计算得到电机的磁通密度、空载反电势等性能数据,结合深度神经网络算法拟合出电机结构参数与输出推力的非线性关系。基于此模型,使用自适应遗传算法对PMLSM的推力密度进行优化,并与有限元仿真结果对比。结果表明:PMLSM改进仿真模型的计算速度是有限元模型的87.1倍,推力计算结果与有限元结果的平均误差为2.87%,优化后的电机推力密度提高了5.7%。

环形和分布绕组永磁游标直线电机性能对比分析

针对分布绕组永磁游标直线电机端部重叠导致端部过长、质量过重、电机效率过低的问题,提出一种环形绕组永磁游标直线电机。首先,介绍了永磁游标直线电机的工作原理和基本结构;然后,基于有限元分析,将环形绕组永磁游标直线电机的平均推力、推重比、效率、功率因数等性能与分布绕组永磁游标直线电机进行比较;结果表明,相较于分布绕组,环形绕组永磁游标电机的绕组长度缩短了18.7%,端部漏抗降低了41.5%、推重比提高了19%,电机效率提高了4.2%,同时减少了电机铜耗与体积,更具有工程应用价值。

面向建筑电梯的圆筒型永磁直线电机优化设计

为了提高用于建筑电梯系统的圆筒型永磁直线同步电机(Tubular Permanent Magnet Linear Synchronous Machine,TPMLSM)建模计算效率、改进电机的优化设计方法,提出了一种基于子域解析法和自适应遗传算法的TPMLSM建模与优化方法,首先根据麦克斯韦方程组算得电机的磁通密度,使用气隙磁通密度积分法和麦克斯韦张量法分别算得空载反电势和定位力。基于解析模型,使用自适应遗传算法优化TPMLSM的初级铁心长度、轭部高度、齿槽宽度等尺寸参数,最后加工制作了优化后的样机进行实验测试,并建立了相应的有限元模型对比验证。实验结果表明,优化后的TPMLSM定位力减小了43.4%,电机解析模型与有限元模型的定位力计算误差为1.37%,解析计算速度是有限元法的4.7倍。

永磁同步电机弱磁转矩响应速度提升策略

弱磁控制技术能够有效地拓宽永磁同步电机运行速度范围,因此对永磁同步电机弱磁控制的研究具有重要意义。大多弱磁控制通过单一的PI环节修正弱磁电流指令,其响应速度较慢,难以满足高性能的控制需求,且由于弱磁环的高耦合、非线性,PI参数整定困难。针对以上不足提出一种折算查表的方法作为前馈加入到控制系统中,加快了弱磁调节的速度;同时采用增益线性化的方法,通过分析不同工作点处小信号模型的变化,解决了通过经验整定的弱磁环控制器的固定PI参数无法应对工作点变化的问题,从而提高了系统的稳定性和准确性。最后根据仿真和实验验证了改进的方法,能够有效提升弱磁控制的性能。

初级永磁型游标直线电机绕组连接及其电磁特性比较

初级永磁型游标直线(LPPMV)电机具有低速、大推力输出特性,特别适用于直线直驱系统。设计合理的绕组连接方式可有效改善电机性能。首先根据电机的运行原理,针对一台6/2极LPPMV电机提出了4种不同的绕组连接方式;其次通过有限元法,比较了LPPMV电机在不同绕组连接方式下的特性,包括空载感应电动势、电感,并在相同铜耗条件下计算了绕组的总质量、电枢电流、推力、铁心磁通密度以及铁耗等,以此得到了不同绕组连接方式下电机的运行效率;最后折中选择了一种绕组连接方式,制造了样机,并通过实验验证了电机的性能。

磁路互补型模块化磁通切换永磁直线电机

新型模块化初级永磁直线电机的永磁体和电枢绕组都置于初级短动子,而次级长定子结构简单,仅由导磁铁心组成,若应用在轨道交通等长定子等场合,可大大降低系统成本。在深入分析现有电机结构特点的基础上,提出一种基于磁通切换原理磁路互补的新结构。结构的互补性使每相绕组的反电势更正弦、电机总的定位力更小。介绍了模块化初级永磁直线电机的结构特点和运行原理,并基于有限元法,研究了其静态特性,具体包括对空载和单相绕组通电时的磁场及气隙磁通密度、绕组永磁磁链、空载反电动势、定位力、绕组电感以及静态推力等,并分析了永磁磁场和电枢磁场之间的相互耦合作用对电感特性的影响。理论分析和样机实验结果验证了设计方案的正确性和有效性。

基于x域重复控制的磁通切换永磁直线电机定位力抑制方法

初级永磁型磁通切换直线电机在推力性能要求较高的机床伺服进给系统应用中具有一定的优势,而初次级双凸极结构会引起较大的定位力,从而限制了磁通切换永磁直线电机的应用。该文首先分析了磁通切换永磁直线(linear flux-switching permanent magnet,LFSPM)电机定位力产生的原理,随后从控制角度出发,提出一种利用时变周期信号的重复控制来抑制定位力的新型控制策略。首先将时变的t域信号,变换为具有固定周期的x域信号,再对其进行重复控制器的设计,从而达到抑制定位力和速度脉动的目的。通过半实物仿真平台AD5435实现了该控制算法,仿真及实验验证了该方法的有效性。

直线旋转永磁电机及其控制技术综述与新发展

直线旋转永磁(linear and rotary permanent magnet,LRPM)电机是一种具有直线、旋转和螺旋驱动的两自由度电机,在智能制造装备、交通运输装备、新能源发电、国防装备等领域具有广阔的应用前景。主要论述直线旋转永磁电机的基本特点,分析几种典型的直线旋转电机的结构及工作原理,提出一种新的直线旋转永磁电机拓扑结构。在此基础上,分析直线旋转永磁电机的设计与优化方法,推导磁路独立的直线旋转永磁电机数学模型。在直线、旋转和螺旋驱动需求下,分别研究几种典型直线旋转永磁电机的控制技术。针对目前直线旋转永磁电机控制技术的需求,提出一种多运行模式协调控制策略。最后,给出了直线旋转电机及控制技术的发展趋势,展望其的应用前景。

轴向磁通永磁电机空载气隙磁场建模分析

针对轴向磁通永磁电机有限元仿真较为耗时的问题,建立了轴向磁通永磁电机空载气隙磁场解析模型。提出通过建立虚拟等效直线电机模型用以计算气隙磁场端部效应修正函数,使得空载气隙磁场模型得以整体解析化。给出了气隙磁导函数相应的替代函数,并对此替代函数进行了傅里叶级数转换,使空载气隙磁场函数具有形式上统一的解析表达式,便于计算机编程实现。对空载气隙磁密、空载反电动势和齿槽转矩进行了解析计算,与有限元计算结果对比,验证了该文所建立的空载气隙磁场模型的正确性和可行性,可以作为轴向磁通永磁电机设计人员参考使用。

永磁开关磁链直线电机若干优化设计方法

永磁开关磁链直线电机除具有常规永磁直线电机的优点外,还具有显著的成本优势,因此具有很好的应用前景。本文在简要说明该类电机的基本结构与原理之后,指出通过合理调整初级与次级铁心的外形尺寸来减小反电动势谐波含量与电机推力波动,采用磁桥结构提高弱磁控制能力和初级铁心机械强度,借鉴旋转电机齿槽力矩的抑制方法来削弱推力波动的齿槽效应成分,并提出辅助齿结构来有效削弱推力波动的端部效应成分,最后还给出了一种模块化结构形式来提高电机的容错性以及边端线圈与内部线圈的对称性。

一种基于非线性反馈重复控制策略的磁通切换直线电机推力波动抑制方法

针对初级永磁型磁通切换直线(LFSPM)电机,研究其定动子双凸极结构引起的与位移相关的定位力、摩擦力及参数变化等不确定性对伺服系统的影响,提出一种基于非线性反馈的重复控制策略。首先,在分析LFSPM电机定位力的基础上,通过设计重复控制器对定位力引起的推力波动进行抑制;随后设计非线性反馈控制器,对因摩擦力及参数变化等不确定性因素引起的推力波动进行补偿,同时使逼近误差随周期数的累加而呈现减小的趋势,保证了系统的全局渐近稳定性。最后,通过A&D5435半实物系统搭建了控制模型,实验结果表明,该控制方案有效抑制了因定位力及其他不确定因素引起的推力波动。