直升机涵道尾桨永磁同步电机设计与仿真

针对直升机涵道尾桨机械传动系统传动链长、噪声大、结构复杂、传动轴刚度差和安装维护周期长等缺陷,设计一种适用于直升机涵道尾桨的永磁同步电机。通过探究悬停工况下电机主要尺寸与尾桨桨叶长度、宽度以及安装角度的关系,明确一定范围内电机主要尺寸最小时的功率、转矩和转速;采用分数槽集中绕组进一步提升了功率密度,基于14极18槽完成了电机设计。建立电磁场和温度场有限元仿真模型,验证电磁设计的合理性以及永磁体分段降温的有效性。与未分段相比,当永磁体沿周向分4段时,永磁体平均温度降低了55.43%。结果表明:该电机功率密度较高,输出特性良好并且温升较低,能够长时间可靠运行。

抑制电流波动的直线电机分段供电切换方法

分段并联供电的长定子直线电机在进行定子段供电切换时,电机参数发生改变,在高速运行期间会出现电流超调或断相情况,动子过分段时电机推力波动大。该文仿真分析几种动子过分段供电切换方法的特点,提出一种分段并联供电长定子直线电机定子段供电切换方法,在电路拓扑中仅需要将同一变流器交替供电的定子段中性点相连接,切换开关采用双向晶闸管,切换策略为在定子段切换过程中各相电流依次过零开通和关断。该方法抑制了切换过程中变流器的电流断续或波动,减小了电机推力波动。通过采用比例–积分–谐振(proportional integral resonance,PIR)控制器,抑制电机电感不平衡带来的电流2倍频波动。以一台双三相永磁同步直线电机为例,进行仿真实验,并验证该方法的有效性。

直线电机高速高精运动分段式三元复合控制

针对半导体键合机XY运动平台的直线电机在高速启停运动时残余振动较大的问题,提出了一种分段式三元复合控制方法以提高直线电机的定位精度。首先,基于正弦扫频的方法建立了直线电机被控对象的高阶精确模型;其次,在直线电机的高速运动阶段采用三阶前馈控制与PID反馈控制结合的复合控制方法,实现了高动态响应;分析了高速运动状态下扰动观测器对动态性能的影响,在定位阶段引入高阶扰动观测器以抑制残余振动。实验结果表明,与传统的“前馈+反馈”复合控制方法相比,分段式三元复合控制方法在不影响直线电机动态跟踪性能的情况下,使其定位误差调整至±0.5μm所需的时间降低了89%以上,显著提高了其定位精度。

基于补偿绕组的永磁直线同步电机推力波动研究

为抑制永磁直线同步电机的推力波动,提出了一种引入补偿绕组的永磁直线同步电机,具有推力波动低、推力损失小等特点。首先,以12槽14极永磁直线同步电机为对象,优化端部齿参数降低了定位力基波幅值;其次,采用端部力补偿绕组削弱了定位力的二次谐波;再次,采用相补偿绕组较大程度上平衡了三相反电动势。有限元仿真结果显示,在额定负载条件下,引入补偿绕组的结构的推力波动率与优化前相比下降了28.51%,且推力保持不变,验证了其有效性。

多种群遗传算法在无铁心永磁直线同步电机优化设计中的应用

为了同时实现应用于步进扫描投影光刻机中的长行程直线电机的高推力密度、低推力波动和低铜损耗,提出了基于多种群遗传算法(multiple population genetic algorithm,MPGA)的环形绕组形式无铁心永磁直线同步电机(air-corepermanent magnet linear synchronous motor,ACPMLSM)多目标优化设计方法。在建立磁场分析模型的基础上,推导了关键参数的解析表达式。以永磁体、环形绕组的尺寸为变量,以推力体积比、电机常数和推力波动为优化目标,提出了基于权重系数的多目标优化函数,应用搜索能力强、收敛速度快的多种群遗传算法优化电机的结构尺寸。结果表明,在不同的权重系数下,MPGA得到的电机优化设计结果与设计目标具有良好的一致性。有限元仿真和实验结果证明了所提方法的有效性和可行性。

分数槽集中绕组永磁同步直线电机磁场解析计算

分数槽集中绕组永磁同步直线电机(Fractional-slot Windings Permanent Magnet Synchronous Linear Motors,FW-PMSLM)采用端部不重叠的集中绕组,具有磁阻力小、推力波动小、端部绕组短、用铜材料省、损耗小等优点,适合于长行程、高精度驱动场合。本文以15槽16极FW-PMSLM为例,考虑电枢电流分布函数和永磁体电流密度等效,建立分层解析模型。运用傅氏级数法推导出气隙和磁极区域中磁场的解析公式,分析FW-PMSLM电枢磁场和励磁磁场的分布。针对传统卡氏系数法在计算FW-PMSLM磁场的不足,提出采用分布卡氏系数函数来计及铁心开槽对分数槽电机磁场的影响,将解析分析与有限元分析结果进行比较,验证本文所提分布卡氏系数函数法解析求解FW-PMSLM磁场的有效性。利用该方法分析不同极弧系数、不同初级齿宽以及不同气隙长度时的电机推力以及这些因素对推力解析计算精度的影响,利用不同气隙下的实验结果验证推力解析计算精度。为分数槽永磁直线电机的工程计算和优化设计提供依据。

永磁直线电机二维分段复合迭代学习控制

从迭代学习控制二维本质特性出发,研究了二维系统的分段复合迭代学习控制(iterative learning control,ILC)原理。在二维系统鲁棒性分析和设计基础上,提出了基于输入和输出反馈的分段式ILC策略,解决了永磁直线同步电机(permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM)系统中扰动的分段补偿问题。在随机扰动主导段,ILC收敛劣化,反馈控制被加强;在重复扰动主导段,ILC成为主导控制。通过永磁直线电机推力仿真实验,验证了该控制策略沿时间轴和迭代轴均能很好地抑制推力波动。在实际电机位置控制实验中,对该策略与反馈控制进行对比研究,实时结果表明该控制方法可以有效提高系统位置控制精度。

多段初级永磁直线同步电机驱动的垂直提升系统

按照多段式初级永磁直线同步电机实际结构,利用有限元法求出电机次级在不同位置时各段初级的电感、励磁磁链和切向磁力,构建这些量和次级位置间的函数关系。考虑了电感和磁链的不对称性及励磁磁链中的谐波分量,推导出线参数状态方程。以次级位置和速度为关键变量建立系统整体仿真模型。对系统进行动态仿真和特性分析。实验结果表明,所建模型能很好的反映系统特性,是分析系统的有效工具,所提方法也适用于其它类型的永磁直线同步电机。

绕组分段永磁直线电机切换位置传感器故障诊断及容错控制

绕组分段永磁直线同步电机绕组切换过程中位置传感器信号的丢失,将导致电机速度剧烈波动,引起电机失步。针对以上问题,提出一种切换位置传感器故障诊断及容错控制方法。设计了绕组切换位置检测方法,研究了位置接近开关传感器的故障类型及信号特征,利用动子的运行速度及相邻的位置传感器信号进行传感器状态预测,并结合相邻传感器的边沿触发顺序及传感器状态预测值进行故障诊断。当检测到位置传感器故障时,隔离发生故障的传感器,采用估计值替代故障传感器输出驱动信号,可靠切换绕组分段永磁直线同步电机定子绕组,实现传感器容错控制。利用绕组分段永磁直线电机无绳提升系统进行了实验研究,研究结果表明,当增大传感器间隙,模拟传感器信号丢失故障时,电机定子绕组仍能可靠切换,电机速度运行平稳,该位置传感器故障诊断与容错控制方法可以满足绕组分段永磁直线电机切换控制实时性和可靠性要求,实验结果证明了其可行性和有效性。

多定子永磁直线同步电机绕组切换故障特性研究

针对多定子永磁直线同步电机(PMLSM)运行过程中绕组切换故障可能引起的失步问题,研究了绕组切换故障特性。在分析PMLSM推力功角特性的基础上,研究了频率对稳定运行区间的影响规律,建立了考虑出入端效应的多定子PMLSM推力模型,研究了绕组切换故障对稳定性的影响规律,利用样机进行了实验研究,得到了一台及两台绕组切换故障时,电机运行频率、运行方式对运行特性的影响规律。研究结果表明:低速PMLSM的电阻效应不能忽略,动子所受正向推力作用空间变小,负向推力作用空间增大。相同数量的绕组失电,提升运行时较易失步。失电绕组越多,剩余电机承担电流越大,越易引起失步。

永磁直线同步电机暂态建模及起动过程仿真

提出一种建立永磁直线同步电机(PMLSM)暂态数学模型的方法;采用电机绕组函数理论导出PMLSM三相绕组函数;基于对电机暂态过程气隙磁力线形状的假设,提出初、次级复合气隙磁导系数函数和瞬时电感表达式,建立了PMLSM的暂态数学模型,并对电机的起动过程进行了仿真.该模型较好地考虑了开槽效应、电感参数随电机动子位移及初始位置的变化、端部半填槽等因素.对凸极式永磁直线同步电机及其它电机同样适用.

基于电流误差矢量的绕组分段永磁直线同步电机电流预测控制

为了在不降低电机的推力平稳性的前提下,使直线电机具有大推力、高效率的特性,提出了绕组分段永磁直线同步电机。该电机的定子铁心连续,而初级绕组断开,推导了该电机的离散系统模型。通过电流误差矢量的定义与价值函数的选择,阐明了基于电流误差矢量的电流预测控制方法的原理。针对绕组分段结构的特点,将动子运动区域分为5个子区间,并介绍了不同区间中各段电机电流预测控制方法的实现。实验结果表明,系统电流控制的动态响应特性良好,且动子能够顺利经过共用区。

分段式永磁直线同步电动机的磁阻力

针对驱动垂直提升系统的分段式直线同步电动机磁阻力大的问题,利用磁场能量解析分析由于齿槽存在和铁心开断引起的分段式永磁直线同步电动机的磁阻力,建立分段式永磁直线同步电动机的有限元分析模型,分析电机内磁场分布,数值法分别计算电机的齿槽引起磁阻力和由于铁心分段引起的边端磁阻力,解析分析结果与有限元分析结果相一致,在定子绕组不通电的情况下,利用压力传感器实验测试了分段式PMLSM的磁阻力,与有限元计算结果相对比证实了理论分析的正确性。

磁悬浮永磁直线同步电动机的有限元分析

针对数控机床直线电动机驱动系统中动子与导轨之间的摩擦问题,提出采用直接磁悬浮永磁直线同步电动机实现无摩擦进给的方法.该电动机的动子上有两套绕组,一套为推力绕组,用于产生电磁推力;另一套为悬浮绕组,用于产生可控的磁悬浮力.采用Maxwell应力张量法推导了电动机的电磁推力和悬浮力的数学模型,并采用Ansoft对不同永磁材料电动机的电磁推力和磁悬浮力进行有限元分析.计算结果验证了数学模型的正确性,证明了采用磁悬浮双绕组永磁同步电动机实现无摩擦进给的可行性.

基于多阶段速度规划的PMLSM自适应反推滑模控制

针对高精度永磁直线同步电动机伺服系统容易受摩擦力、负载扰动和参数变化等不确定性因素的影响,提出了一种自适应反推滑模控制(ABSMC)和多阶段速度规划(MVP)相结合的控制方法。建立了含有不确定性的永磁同步直线电动机(PMLSM)数学模型,采用反推设计方法,并通过滑模控制和李雅普诺夫函数设计自适应律,从理论上证明了该控制器抑制了不确定性因素,保证系统的鲁棒性和快速跟踪性。为进一步减小瞬时超调量,对每个阶段的速度滑模函数进行设计,采用MVP,利用切换控制来改变系统的控制模式,达到高精度定位控制。最后系统实验结果表明,所提出的控制方案是可行有效的,提高了PMLSM的定位精度,减小了瞬时超调量。

永磁直线同步电机伺服系统的分段变论域模糊迭代学习控制

针对执行重复任务的永磁直线同步电机(PMLSM)在迭代学习过程中易受负载扰动、参数变化等非重复性扰动的影响而难以实现高性能跟踪控制的问题,提出了一种迭代学习控制(ILC)与变论域模糊控制相结合的分段变论域模糊ILC方法。在误差较大的时间段,采用变论域模糊控制实时地改变ILC的学习增益,并智能地调整模糊控制的论域,抑制不确定性因素对系统的影响,提高控制精度;在误差较小的时间段,采用PD型ILC,使学习增益稳定,进一步减小位置误差。实验结果表明,该控制方法可以有效地加快收敛速度,提高位置跟踪精度,并增强系统的鲁棒性。

绕组分段永磁直线同步电机切换控制研究

为了实现绕组分段永磁直线同步电机(SW-PMLSM)稳定运行控制,对绕组切换控制方法进行了研究。结合SW-PMLSM的结构及调度策略,分析了绕组切换过程中的推力变化,认为永磁体动子纵向的长度等于单台定子纵向长度的整数倍时,动子在移动过程中所受的合成推力将基本维持不变。提出了基于PMLSM直接推力控制及PLC绕组切换运行控制的总体方案,设计了动子位置检测及绕组切换控制系统。最后利用SW-PMLSM直驱无绳提升机进行了实验研究。实验结果表明,SW-PMLSM定子绕组切换过程运行平稳,能耗制动可将电机的运行速度限制在一个稳定范围,具有较好的后备保护功能。

永磁直线同步电动机初级绕组的磁势分析

采用绕组函数理论与电流对称分量法结合的方法对具有端部半填槽的永磁直线同步电动机(PMLSM)初级绕组的磁势进行分析。PMLSM的电枢铁芯、初级绕组、永磁体结构断开所造成的边端效应、端部半填槽等问题的存在,导致PMLSM初级绕组边端磁势发生畸变。对PMLSM初级绕组磁势进行深入的研究,有助于PMLSM稳态特性和暂态特性的分析。

双边错位高速永磁直线同步电机的设计与分析

针对传统的4极6槽双边对称长初级永磁直线同步电机,在保证电磁推力大小的情况下,提出采用双边错位来降低永磁体涡流损耗的有效方法。介绍电机的基本结构,阐明双边错位结构可以完全消除偶数次电枢谐波磁动势,进而能大幅度降低次级永磁体涡流损耗。利用有限元分析(FEA)软件对比分析对称结构和错位结构的定位力、电磁推力和次级涡流损耗,验证错位方法的正确性,并进行结构优化设计。最后,研制一台样机并搭建实验平台,测得样机的空载反电动势、定位力以及静推力。

基于七段SVPWM的直线电机改进滑模控制研究

针对传统矢量控制不能满足负载扰动时变的高精度永磁直线同步电机伺服系统与变指数趋近律滑模控制固有不足,采用基于七段插补空间矢量脉宽调制的改进积分滑模控制策略,解决微分滑模噪声放大与变指数滑模增益为零的问题,以及抑制滑模抖振,提高控制系统精度。分析并搭建直线电机伺服控制系统的数学模型,对永磁直线电机的运行特性进行仿真研究,结果验证所提控制策略的正确性及有效性,为进行下一步实验平台的搭建与测试提供理论依据。