Analysis of Permanent Magnet-assisted Synchronous Reluctance Motor Based on Equivalent Reluctance Network Model

In this paper,the equivalent reluctance network model(ERNM)is used to calculate the magnetic circuit of a permanent magnet-assisted synchronous reluctance motor(PMASynRM)and calculate no-load air-gap magnetic field and electromagnetic torque.Iteration method is used to solve the relative permeability of iron core.A novel reluctance network model based on actual distribution of the magnetic flux inside the motor is established.The magnetomotive force(MMF)generated by armature winding affects the relative permeability of iron core,which is considered in the calculation of ERNM to improve the accuracy when the motor is under load.ERNM can be used to measure air-gap flux density,no-load back electromotive force(EMF),the average value of motor torque,the armature winding voltage under load,and power factor.The method of calculating the motor performance is proposed.The results of calculation are consistent with finite element method(FEM)and the computational complexity is much less than that of the FEM.The results of ERNM has been verified,which will provide a simple method for motor design and analysis.

Permanent Magnet Assisted Synchronous Reluctance Motor with Asymmetric Rotor for High Torque Performance

Permanent magnet assisted synchronous reluctance motor(PMA-SynRM)is a kind of high torque density energy conversion device widely used in modern industry.In this paper,based on the basic topology of PMA-SynRM,a novel PMA-SynRM of asymmetric rotor with position-biased magnet is proposed.The asymmetric rotor design with position-biased magnet realizes the concentration of magnetic field lines in the motor air gap to obtain higher electromagnetic torque,and makes both of magnetic and reluctance torque obtain the peak value at the same current phase angle.The asymmetric rotor configuration is theoretically illustrated by space vector diagram,and the feasibility of high torque performance of the motor is verified.Through the finite element simulation,the effect of the side barrier on output torque and the Mises stress under the rotor asymmetrical design are analyzed.Then the motor characteristics including airgap flux density,back EMF,magnetic torque,reluctance torque,torque ripple,losses,and efficiency are calculated for both the basic and proposed PMA-SynRMs.The results show that the proposed PMA-SynRM has higher torque and efficiency than the basic topology.Moreover,the torque ripple of the proposed PMA-SynRM is reduced by the method with harmonic current injection,and the torque characteristics in the whole current cycle are analyzed.Finally,the endurance to avoid PM demagnetization is confirmed based on the PM remanence calculation.

Adaptive Gain Tuning Rule for Nonlinear Sliding-mode Speed Control of Encoderless Three-phase Permanent Magnet Assisted Synchronous Motor

In this paper, an adaptive gain tuning rule is designed for the nonlinear sliding mode speed control(NSMSC) in order to enhance the dynamic performance and the robustness of the permanent magnet assisted synchronous reluctance motor(PMa-Syn RM) with considering the parameter uncertainties. A nonlinear sliding surface whose parameters are altering with time is designed at first. The proposed NSMSC can minimize the settling time without any overshoot via utilizing a low damping ratio at starting along with a high damping ratio as the output approaches the target set-point. In addition, it eliminates the problem of the singularity with the upper bound of an uncertain term that is hard to be measured practically as well as ensures a rapid convergence in finite time, through employing a simple adaptation law. Moreover, for enhancing the system efficiency throughout the constant torque region, the control system utilizes the maximum torque per ampere technique. The nonlinear sliding surface stability is assured via employing Lyapunov stability theory. Furthermore, a simple sliding mode estimator is employed for estimating the system uncertainties. The stability analysis and the experimental results indicate the effectiveness along with feasibility of the proposed speed estimation and the NSMSC approach for a 1.1-k W PMa-Syn RM under different speed references, electrical and mechanical parameters disparities, and load disturbance conditions.

基于磁链相移原理的不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机设计与分析

传统永磁辅助同步磁阻电机(PMaSynRM)无法充分利用永磁转矩和磁阻转矩,该文提出一种新型不对称交替极永磁辅助同步磁阻电机(ACP-PMaSynRM)。基于永磁磁链相移原理,将交替极永磁阵列、不对称磁极和磁障相结合,实现永磁转矩和磁阻转矩的最大值在相同电流相位下叠加,不但提高了永磁转矩和磁阻转矩的利用率,增强了电机输出转矩能力,而且减少了永磁体用量。采用有限元法对比分析了传统和新型ACP-PMaSynRM的电磁性能,验证了所提电机拓扑的可行性。最后,制造了一台48槽14极样机并对其进行了实验验证。

基于六边形轨迹的永磁辅助式同步磁阻电机弱磁控制策略

永磁辅助式同步磁阻电机在高速工况弱磁运行时,直流母线电压利用率不高,电机的效率与转矩输出能力较低。为此,提出了一种基于六边形轨迹的永磁辅助式同步磁阻电机弱磁控制策略。首先,以永磁辅助式同步磁阻电机的d-q轴等效电路为基础,推导了弱磁过程的电压和电流约束,证明弱磁控制提升电机调速能力的根本原因。其次,为充分发挥永磁辅助式同步磁阻电机高速运行下功率密度较高的优势,进而推导过调制算法。并将其应用于永磁辅助式同步磁阻电机的弱磁操作中,以实现更高的直流母线电压利用率。最后,通过仿真验证所提出方法的有效性。

基于参数辨识的永磁辅助同步磁阻电机电流无差拍控制

针对永磁辅助同步磁阻电机电感参数失配引起传统无差拍预测电流控制器受扰动的问题,该文提出一种电感参数自适应的无差拍预测电流控制方案。所提算法利用模型参考自适应系统对电感参数进行在线辨识,并将辨识结果代替控制器中的原始电感模型参数,以确保控制器的模型参数和电机实际参数相匹配,进而增强无差拍预测电流控制系统的鲁棒性。根据永磁辅助同步磁阻的数学模型,对电机本体进行了建模,以实现对所提算法的仿真验证。最后在以TMS320F28335控制器为核心的实验平台上进行了实验验证。仿真和实验结果均表明,当电机参数与模型参数不匹配时,所提算法相较于传统的无差拍预测电流控制算法在电流波动峰峰值、电流跟踪静差及系统鲁棒性方面都有明显的改善。

永磁辅助同步磁阻电机优化设计及试验

永磁辅助同步磁阻电机具有高效率、高功率密度、低维护需求等优点,在电机的电磁设计时,由于涉及的参数变量较多,如磁通密度、线圈匝数、永磁材料的选择等,尤其是在追求最大化效率和输出功率的同时,还需要考虑到成本、物料的可获得性以及设计的可行性。该文基于永磁辅助同步磁阻电机基本工作原理及结构估算模型,以提高电机额定工况下运行效率为优化目标,采用田口法对电机相关参数进行优化设计,并对优化后的结果与原始方案进行对比。测试结果表明,与原始设计相比,优化后的电机在效率、温升控制和输出扭矩方面均有明显改进,尤其是在高负载条件下,优化电机展现出更稳定的性能和更高的能效。研究结果旨在通过采用先进的设计方法和试验验证,为永磁辅助同步磁阻电机性能的优化提供相关参考和建议。

真空干泵用永磁-磁阻复合式同步电机设计与分析

针对真空干泵用驱动电机在真空环境中转子散热难的问题,设计了一种混合励磁永磁-磁阻复合式同步电机。该电机转子永磁体励磁结构由钕铁硼与铁氧体两种磁体组成,旨在改变永磁体的排布方式,降低电机的损耗。首先,构建电机转子的拓扑结构,并设计两种方案来研究永磁体的排列方式对电机性能的影响;其次,分析转子参数对电机空载反电动势和电磁转矩的影响,并对电机转子的尺寸进行调整;然后,对比两种方案的损耗大小,选择损耗更低的电机方案;最后,通过有限元计算对目标电机进行了温度场分析,结果表明,所设计方案的电机温度分布合理,因此通过改变永磁体的排布方式能有效提升电机效率,降低电机损耗,确保电机稳定运行。

低转矩脉动永磁辅助同步磁阻电机转子结构优化设计

针对永磁辅助同步磁阻电机(PMA-SynRM)转矩脉动大的问题,提出了一种基于非支配排序遗传算法(NSGA-II)的PMA-SynRM多目标优化设计方法。首先,介绍了PMA-SynRM的基本结构与工作原理;其次,通过构建空气磁障、设计不对称辅助槽对PMA-SynRM转子结构进行改进;然后,通过灵敏度分析选出了对PMA-SynRM优化目标影响较大的参数,通过NSGA-Ⅱ进行多目标寻优,从生成的Pareto前沿中选择最优拓扑结构;最后,通过有限元软件,对优化后电机与初始电机的转矩性能进行分析。仿真结果表明,基于NSGA-Ⅱ优化后的PMA-SynRM其性能得到了显著提高。

混合辅助同步磁阻电机转子拓扑分析与优化

针对内置永磁同步电机稀土永磁体用量较多以及铁氧体辅助同步磁阻电机易发生不可逆退磁的问题,提出采用铁氧体和稀土混合的方式,将铁氧体退磁严重的区域换成稀土永磁体,建立混合磁体辅助同步磁阻电机。考虑到该电机转矩脉动较大,优化参数较多,采用基于遗传算法和田口法相结合的多目标优化分析方法,以降低转矩脉动和提高平均转矩为优化目标,对电机转子结构参数进行优化。相比传统遗传算法,该多目标优化方法不仅提升了平均转矩、降低了转矩脉动和稀土用量,而且减少了计算量。利用样机进行负载转矩实验,实验实测值与有限元仿真值误差在5%以内,证明了有限元仿真分析结果的正确性。

永磁辅助同步磁阻电机转矩脉动抑制研究

新能源车用永磁辅助同步磁阻电机转矩脉动包含齿槽转矩、永磁转矩脉动及磁阻转矩脉动,各转矩脉动分量对电机转矩脉动均具有重要影响。分析了永磁辅助同步磁阻电机齿槽转矩、永磁转矩脉动及磁阻转矩脉动产生机理,以一台48槽8极新能源车用永磁辅助同步磁阻电机为研究对象,从转子结构入手优化电机转矩脉动;提出了优化永磁体张角、优化永磁体槽端部及开辅助槽来有效降低了转矩脉动。通过样机测试,验证了优化设计效果。

基于U型磁障转子永磁辅助磁阻电机参数化设计研究

针对U型磁障转子永磁辅助同步磁阻电机(PMA-SynRM),在定、转子设计方面进行研究。以设计的一台4极24槽小型PMA-SynRM为例,对比不同定子裂比、气隙长度下的电磁性能和转矩性能;提出U型磁障转子参数化设计模型及方法,研究U型磁障转子参数对PMA-SynRM交直轴电感差值、输出转矩、转矩脉动的影响。借助有限元分析法验证参数化设计分析合理性,发现利用参数化分析法对电机的电磁参数和转矩参数进行仿真分析时,转子的某一参数选取会出现最优值,可综合选取U型转子设计的最优方案,为同类型PMA-SynRM设计分析提供参考。

宽高效率区混合永磁同步磁阻记忆电机设计

铁氧体、钕铁硼混合永磁同步磁阻电机相对铁氧体永磁同步磁阻电机,具有较高的永磁磁链,提高了功率密度尤其是弱磁运行时的功率密度,但一定程度上降低了高速、低转矩区的效率。为此,在铁氧体、钕铁硼混合永磁同步磁阻电机的基础上采用一定量的铝镍钴替代钕铁硼,设计成混合永磁同步磁阻记忆电机,在不降低电机弱磁运行功率的情况下,对不同工况下的永磁磁链进行调节,采用铁氧体、钕铁硼和铝镍钴三种永磁材料混合,可有效提高混合永磁同步磁阻电机高速、低转矩区效率。从维持弱磁运行功率和永磁磁链调节两方面对铝镍钴和钕铁硼的相对用量进行设计,对永磁磁链的调节过程和效率分布进行分析,证明了所设计的电机拓宽了高效率区范围,并分析了相关电磁特性。

多三相分数槽集中式绕组容错电机匝间短路故障温度场分析

匝间短路是一种常见的电机绕组故障,会产生巨大的短路故障电流,导致绕组局部过热并使电机性能下降,造成严重的安全事故和连带损失。该文研究了一台多三相永磁磁阻电机在不同运行工况下匝间短路故障的电磁和热特性。通过精细化绕组建模将故障线圈和健康线圈加以区分,建立三维全域流固耦合仿真模型提高仿真精度。论文基于2D电磁模型和3D热模型的联合仿真分别探究了短路线圈位置、短路线圈匝数、负载电流以及转速对永磁电机匝间短路温度的影响,并加工一台功率为5 kW的样机进行实验验证。实验结果验证了仿真模型的准确性,同时为预防匝间短路故障提供了依据。

铁氧体永磁辅助同步磁阻电机多目标优化设计

铁氧体永磁辅助同步磁阻电机具有高效、高转矩密度、高性价比等优点,然而其转子结构复杂,多物理场综合优化设计困难。本文基于拉丁超立方采样方法,建立径向基函数神经网络代理辅助模型以考虑永磁辅助同步磁阻电机非线性、非周期性指标特性对优化效果的影响,再利用NSGA-II算法对电机电磁效率、转矩脉动和材料成本等进行多目标优化设计。基于该模型,以一台15 kW、1500 r/min的铁氧体永磁辅助同步磁阻电机为例,分析了转子肋宽、空气层占比等因素对电机转子强度、转矩等特性的影响,得到了以效率、转矩脉动、力学性能和成本综合性能最优的电机设计方法,为同类型电机设计提供重要参考。最后对铁氧体永磁辅助同步磁阻电机样机的效率、转矩进行实验测试,通过将优化设计结果和实验结果对比,验证了该优化设计方法的有效性和准确性。

电动汽车用绕组切换型永磁同步磁阻电机设计与分析

永磁同步磁阻电机结合了永磁同步电机和同步磁阻电机的优点,广泛应用于电动汽车,是电机领域的一大研究热点。分别采用辐式磁极和V形磁极设计了两台永磁同步磁阻电机,每台电机都设计了可串、并联切换的电机绕组,以进一步拓宽电机的调速范围。为减小转矩脉动,电机采用不均匀气隙。分析了两种转子电机在定子绕组串、并联模式下的交、直轴电感的特点,以及不均匀气隙对电机性能的影响。研究表明V形磁极电机较辐式磁极电机具有更大凸极率,在电机串联运行时可以获得更大的磁阻转矩,合理的不均匀气隙可以改善电机的性能。样机测试结果验证了上述分析的正确性。

车用驱动电机技术特点研究及发展趋势展望

随着能源与环境问题的逐步加剧,大力发展电动汽车产业势在必行。简要描绘了电机在汽车中的具体应用,提到了电动汽车驱动电机的技术要求,重点介绍了在电动汽车中得到应用的直流电机、交流异步电机、永磁无刷电机、永磁同步电机、感应式电机、开关磁阻电机、轮毂电机及永磁辅助同步磁阻电机。随后,对现阶段驱动电机面临的技术问题进行了阐述,并对驱动电机未来技术发展趋势进行了展望。

基于齿削角的PMaSynRM齿槽转矩抑制分析

本文针对永磁辅助同步磁阻电机在降低齿槽转矩方面的需求,推导了齿槽转矩、气隙磁密和气隙磁导的解析表达式,通过表达式分析了齿槽转矩产生的机理。随后以一台样机为研究对象,通过有限元仿真,研究了不同齿削角宽度对齿槽转矩的影响。结果表明,齿削角可以改善气隙磁导的分布情况,显著降低齿槽转矩。

Encoderless Five-phase PMa-SynRM Drive System Based on Robust Torque-speed Estimator with Super-twisting Sliding Mode Control

In this paper,a robust torque speed estimator(RTSE)for linear parameter changing(LPC)system is proposed and designed for an encoderless five-phase permanent magnet assisted synchronous reluctance motor(5-phase PMa-SynRM).This estimator is utilized for estimating the rotor speed and the load torque as well as can solve the speed sensor fault problem,as the feedback speed information is obtained directly from the virtual sensor.In addition,this technique is able to enhance the 5-phase PMa-SynRM performance by estimating the load torque for the real time compensation.The stability analysis of the proposed estimator is performed via Schur complement along with Lyapunov analysis.Furthermore,for improving the 5-phase PMa-SynRM performance,five super-twisting sliding mode controllers(ST-SMCs)are employed with providing a robust response without the impacts of high chattering problem.A super-twisting sliding mode speed controller(ST-SMSC)is employed for controlling the PMa-SynRM rotor speed,and four super-twisting sliding mode current controllers(ST-SMCCs)are employed for controlling the 5-phase PMa-SynRM currents.The stability analysis and the experimental results indicate the effectiveness along with feasibility of the proposed RTSE and the ST-SMSC with ST-SMCCs approach for a 750-W 5-phase PMa-SynRM under load disturbance,parameters variations,single open-phase fault,and adjacent two-phase open circuit fault conditions.

新型永磁辅助同步磁阻直线电机设计

同步磁阻直线电机是一种通过次级侧在不同位置引起磁阻变化、产生磁阻推力的交流电机,具有成本低、耗能小、推力易于控制等优点,但存在凸极比低、推力小等不足。针对传统直线电机推力小、推力波动大、成本高等问题,采用磁路法建立磁路模型、有限元分析等方法,设计了一种新型永磁同步直线电机,相对传统电机性能有了很大提升,尤其对推力精度要求高的场景,该新型永磁同步直线电机应用范围会更加广阔。