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.

Application of neural networks for permanent magnet synchronous motor direct torque control

Neural networks require a lot of training to understand the model of a plant or a process. Issues such as learning speed, stability, and weight convergence remain as areas of research and comparison of many training algorithms. The application of neural networks to control interior permanent magnet synchronous motor using direct torque control （DTC） is discussed. A neural network is used to emulate the state selector of the DTC. The neural networks used are the back-propagation and radial basis function. To reduce the training patterns and increase the execution speed of the training process, the inputs of switching table are converted to digital signals, i.e., one bit represent the flux error, one bit the torque error, and three bits the region of stator flux. Computer simulations of the motor and neural-network system using the two approaches are presented and compared. Discussions about the back-propagation and radial basis function as the most promising training techniques are presented, giving its advantages and disadvantages. The system using back-propagation and radial basis function networks controller has quick parallel speed and high torque response.

Multi-Objective Optimization of Surface-Mounted and Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Taguchi Method and Response Surface Method

The surface-mounted and interior permanent magnet synchronous motor(SIPMSM)has the characteristics of multiple variables,strong coupling and nonlinearity.In order to improve the performance of SIPMSM,this paper presents a multi-objective optimal design process using Taguchi and response surface methodology(RSM).The peak value of cogging torque(PVCT),ratio value of average torque and permanent magnet weight(RTW),torque ripple and back-EMF total harmonics distortion(ETHD)are selected as optimization goals.The experiment matrix is established by Taguchi method,and analyzed the tendency and proportion of the effect of the optimization parameters on SIPMSM performance.The rules of choosing multi-objective optimization parameters are obtained.The least-squares method is used to establish the optimal objective function,and RSM is used to obtain the resolutions of the optimization objective function.Comparing the initial performance with optimized performance verifies the effectiveness of the proposed method.

The Characteristics Analysis and Cogging Torque Optimization of a Surface-Interior Permanent Magnet Synchronous Motor

This paper proposes optimal stator skewed slot analytical method for cogging torque reduction in surface-interior permanent magnet synchronous motor(SIPMSM)and analyzes the characteristics of SIPMSM.The series-parallel equivalent magnetic circuit models(EMCMs)of SIPMSM is built based on the characteristics of magnetic circuits,which is used to design the basic electromagnetic parameters of SIPMSM.Analytical expressions of cogging torque are derived from applying analytical techniques.Stator skewed slot for cogging torque minimum is adopted,and the stator skewed slot pitch is confirmed based on the analytical expressions of the resultant cogging torque.The cogging torque,torque ripple,back electromotive force(back-EMF),power-angle characteristics,efficiency and power factor of SIPMSM are analyzed by establishing 3-dimensional finite element model(3-D-FED)of SIPMSM with stator skewed slot and straight slot.It is shown that the comprehensive performance of optimized SIPMSM is improved as confirmed by finite element analysis and analytical calculation results.

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。

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。

齿调制作用下转子开槽对永磁电机电磁振动影响

为了研究齿调制作用下转子表面开槽对永磁同步电机电磁振动的影响,以小功率分数槽集中绕组(FSCW)内置永磁同步电机(IPMSM)为研究对象,通过麦克斯韦应力张量法推导径向电磁力波的频率及空间阶数特征。分析齿调制作用在FSCW-IPMSM中将空间高阶电磁力波调制为低阶电磁力波的过程,并给出转子表面开槽在齿调制作用影响下与电磁振动间的联系。研究表明,转子表面开槽结构的改变会使各次谐波磁场发生变化,进而改变以极数阶电磁力波为代表的高阶电磁力波的幅值。在齿调制作用下,这些高阶电磁力波会被调制为幅值较高的低阶电磁力波,并引起不同幅度的低阶振动。然后建立C型、V型两种不同转子表面开槽结构的10极12槽FSCW-IPMSM电磁及结构有限元分析模型并进行仿真分析。结果表明,极数阶即10阶电磁力波会被调制为2阶并引起2阶振动,且两种不同开槽结构间的电磁振动存在着高达22.1%的差异。最后,在一台10极12槽样机上进行振动实验,验证理论与仿真分析结果。

基于延迟校正扩张状态观测器的内置式永磁同步电机电流控制策略

高速电驱动场合会受到开关频率的限制,低载波比特性凸显,由此引起的控制延迟问题影响了内置式永磁同步电机(IPMSM)矢量控制系统性能。基于扩展电动势的建模方案能够获得IPMSM的对称化模型,有利于离散化分析和设计,以提升低载波比运行性能。扩张状态观测器(ESO)能够实现扩展电动势和扰动的集总观测,然而低载波比延迟问题影响了估算性能。该文在离散域中分析延迟影响,设计和对比研究了几种延迟影响抑制方案,即延迟校正扩张状态观测器,提升了估计精度。基于此,设计了IPMSM离散域电流控制方案,显著提升了电流响应特性。通过电动汽车驱动实验平台验证了该文的分析和设计。

转子温度空间分布差异诱发永磁电机局部失磁特性研究

永磁材料磁特性受工作温度影响较大,高工作温度下存在的不可逆失磁现象是永磁电机高可靠性设计的主要瓶颈。针对内置式磁路结构的高功率密度永磁电机用钕铁硼永磁材料的不可逆失磁问题,基于电机全域空间损耗、温度分布的差异,该文提出一种永磁体局部失磁分析模型与特性计算方法。通过磁体虚拟分块法建立基于温度、退磁率等变量的永磁材料磁特性分析模型,利用电磁场和温度场双向耦合的三维多物理场计算方法,得到电机转子永磁体损耗、温度和局部失磁的空间分布特性。最后,通过对一台115 kW、8极永磁电机样机转子永磁体温度和转子表面磁场的实验测试,验证了分析模型与计算方法的准确性,为永磁电机局部失磁问题研究及精细化防失磁设计提供依据。

基于敏感度分层优化的Halbach永磁电机电磁振动分析

为解决内置式永磁同步电机径向电磁力引起的电磁振动问题,提出一种分段永磁体采用Halbach充磁方式同时转子开设辅助槽的电机拓扑结构。首先,对电机气隙磁密、径向电磁力、电磁振动原理进行推导与分析,并建立有限元模型。其次,提出基于电磁场和机械场耦合的电磁振动分析方案,对电机径向电磁力进行时间空间阶次傅里叶分解,在机械场中,分析电机定子在不同频率下的振动加速度幅值大小,并计算出定子各阶模态。在此基础上,基于响应面法和多目标遗传算法构建电机参数敏感度分层优化方案,并求得样本点帕累托前沿从而确定电机最优参数,将优化后的电机与普通V型内置式电机进行比较。最后,在机械场中仿真得到转子所受等效应力和总变形,验证得所提电机结构符合机械设计要求。分析结果表明:所提出结构电机在不损失电磁转矩的基础上,径向电磁力幅值大幅度降低,抑制了齿槽转矩,改善了气隙磁密和反电势的正弦度,在提高电机电磁性能的同时抑制了电磁振动的发生。

基于EKF的IPMSM无位置传感器控制估计误差补偿方法

在基于扩展卡尔曼滤波(EKF)法的内置式永磁同步电机无位置传感器控制系统中,电机转速和转子位置的准确估计十分重要。针对相电流增益误差导致的转速和转子位置估计精度下降的问题,提出一种位置估计误差补偿方法。首先,理论推导得出,在扩展卡尔曼滤波器估算过程中,相电流增益误差会使估计转速及转子位置以二倍工频的频率振荡。其次,设计了一种新型结构扩展卡尔曼滤波观测器,即在传统扩展卡尔曼滤波观测器的基础上增加增益误差系数求解环节,以此来降低相电流增益误差引起的估计转速及转子位置的脉动,提高了估计精度。最后,仿真和试验验证了所提补偿方法的可行性。

基于电流检测误差补偿的嵌入式永磁同步电动机无位置传感器控制实验平台设计

对基于高频脉振电压注入法的无位置传感器控制策略而言,转速和转子位置的准确估计十分重要。在传统高频脉振电压注入法的基础上,针对电流检测误差问题,提出一种电流检测误差补偿方法。该方法在传统位置观测器的基础上,增加了参数自适应陷波器环节,通过实时参数修订,消除位置观测器中由电流检测误差引起的二次谐波,提高转速和转子位置估计的准确性。采用品质因数更高的二阶广义积分器提取高频电流,改善控制系统的动态性能。通过搭建实验平台验证了所提补偿方法的可行性。

基于参数辨识的IPMSM电流谐波自适应抑制方法研究

为了减小电机参数变化对电流谐波抑制效果的影响,提高谐波补偿电压的精度,提出了一种考虑参数变化的电流谐波抑制方法来抑制内置式永磁同步电机(IPMSM)控制系统中的电流谐波.在电流谐波抑制方法的基础上,引入遗忘因子递推最小二乘法(FFRLS)构建自适应电流谐波抑制环,通过FFRLS在线辨识IPMSM运行过程中的电机参数,并将参数变化的辨识结果引入到稳态谐波电压方程中,动态更新谐波补偿电压,从而减小了电机参数变化对谐波补偿电压产生的影响,提高了电流谐波抑制的效果.最后,仿真和实验结果验证了提出方法的正确性和有效性.

IPMSM倒余弦转子外形叠加正弦函数的降噪效果研究

针对永磁同步电机负载气隙磁场谐波含量丰富而造成振动噪音过大的问题,提出一种新型转子结构,在倒余弦削极的基础上,叠加一个幅值相位可调的正弦函数,通过调节其幅值和相位来削弱负载气隙磁密谐波,从而抑制电机的振动噪声。采用田口法,选取负载气隙磁密THD和电磁转矩Te为优化目标,选取叠加正弦函数的幅值、相位和转子q轴半径为优化参数并进行正交试验,得到了优化参数的最佳组合。进行了样机制作和实验测试,结果表明,新型转子结构比原始结构的A加权声压级最大值降低了5.9 dB(A),验证了该新型不对称转子结构可有效降低电机振动噪声。

内置式起发一体机的设计与优化

随着飞行器技术的不断进步,飞行器内部的电路结构向着小型化和高功率化发展。起发一体机将飞行器的起动、发电结合为一体,不仅可以减小飞行器的体积,还可以为飞行器提供起动转矩和电源支持。对起发一体机的研究现状进行了综述,以内置式永磁同步电机作为起发一体机,对转子结构进行了对比选型。选取了“一+V”型转子,经过优化的电机性能最终符合了设计要求。

双极板设备用内置式永磁同步电机结构优化

为了有效地提高永磁同步电机的转矩性能和降低齿槽转矩,选取48槽、8极的内置式永磁同步电机为例,在不改变转子径向半径的前提下,选取转子的关键参数作为优化参数,基于田口算法对内置式永磁同步电机进行多目标优化,在有效降低齿槽转矩的基础上增大内置式永磁同步电机的转矩性能。在优化基础上,对空载运行、额定负载、最高转速3种永磁同步电机典型的运转工况进行有限元仿真。数据结果表明:齿槽转矩峰峰值从1.8 N·m降低至0.9 N·m,额定负载下的平均电磁转矩从73.17 N·m增长至77.12 N·m,最高转速运行下的平均电磁转矩从37.3 N·m增长值38.42 N·m,分别实现了提高永磁同步电机转矩性能和降低齿槽转矩的目标。

基于代理模型的不对称极永磁电机优化设计

针对不对称磁极V型内置式永磁同步电机进行有限元优化耗时长的问题,提出了基于BP神经网络代理模型的优化算法。基于有限元模型对采样点进行性能计算,构建样本数据库,将转子相关结构参数作为优化变量,以高平均转矩和低转矩波动为优化目标。基于样本数据使用BP神经网络得到代理模型,采用NSGA-Ⅱ算法进行了结构优化。结果表明,优化后的结构参数具有较高的精确度,采样过程比直接基于有限元优化减少了90.7%的有限元模型调用次数。

内嵌式永磁同步电机矢量控制系统弱磁控制研究

提高变桨电机的稳态和动态控制性能,保证在不同风况及母线电压跌落的情况下维持电机高速运行的稳定性尤其重要。分析了内嵌式永磁同步电机的模型及约束条件,结合永磁同步电机的应用特点,基于SVPWM的矢量控制与电压外环的双电流弱磁控制策略,设计了矢量控制和弱磁控制系统模型并进行了仿真。基于该控制系统模型搭建了实验平台,对不同直流母线电压下矢量控制与弱磁控制的性能进行了对比测试和分析,验证了模型设计的合理性,实现了扩速性能。目前,该控制系统已应用于风机变桨伺服控制系统,具有较高应用价值。

新能源装备永磁同步电机转子位置估计方法

针对逆变器非线性和电机磁场空间谐波影响永磁同步电机转子位置估算精度的问题,提出一种基于新型自适应滤波器的内置式永磁同步电机(IPMSM)转子位置估计方法,建立无位置传感器电机矢量控制系统,对电机转子位置的估计误差进行分析。基于该方法的特性,设计出一种由多个二阶广义积分器(SOGI)并联的新型自适应谐波滤波器,对反电动势中的高次谐波成分进行滤除,并搭建IPMSM驱动系统的台架展开测试验证。研究结果表明,该方法可有效抑制转子位置估计反电动势中的谐波,其谐波脉动幅值减小至3°,提高电机转子位置精度和系统控制性能。