基于田口法+磁极偏移的IPMSM转矩脉动优化设计

IPMSM的转矩脉动作为一项重要的性能指标,直接影响电机的控制精度和稳定运行,因此对IPMSM的转矩脉动优化设计至关重要。田口法是一种简单、有效的多目标优化方法,同时磁极偏移可以有效削弱电机的齿槽转矩以及降低转矩脉动,结合这两种方法本文提出了应用田口法+磁极偏移对IPMSM的转矩脉动进行优化设计。通过对比分析了未优化、磁极偏移优化和田口法+磁极偏移优化3种设计方案的仿真结果,验证了田口法+磁极偏移优化设计方案的转矩脉动优化效果为最佳。     

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。     

田口法在永磁同步电机多目标优化设计的应用

针对某电动物流车用永磁同步电机的齿槽转矩和转矩脉动较大,以及电机效率与转矩密度较低这一问题,提出一种基于田口法的某物流车用永磁同步电机多目标优化设计方法。通过选取气隙长度δ、永磁体厚度hm、定子铁心内径Di1、定子齿宽bt2和槽口宽b02等5个参数作为优化因子,以电机最高效率、最小齿槽转矩、最大转矩密度三个参数为优化目标,采用田口法建立正交实验表进行性能指标优化,以得到最佳结构参数组合。正交实验与仿真结果表明,优化后的齿槽转矩减小70.4%,转矩脉动降低12.4%,电机最高效率及转矩密度分别增加了7.8%和17.5%,体现出所提方法的有效性,并通过试验证明仿真结果的真实性。     

基于代理模型的内置式永磁同步电机多目标优化设计

内置式永磁同步电机（IPMSM）因其具有高功率密度、宽调速范围和高效率等优点,被广泛应用于新能源汽车中。本文以一台IPMSM模型为研究对象,针对多目标优化过程中多次有限元迭代导致的计算时间长和优化效率低的问题,提出一种基于人工神经网络（ANN）代理模型的多目标优化方法。以电机的平均转矩和转矩脉动为优化目标,将转子相关结构参数作为优化变量,使用ANN代理模型构建优化变量和优化目标的映射关系,并采用非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）对电机进行多目标优化设计。最后,通过有限元仿真分析证明了本文提出的基于ANN代理模型的多目标优化方法的正确性。     

基于改进迭代田口法的双余度永磁同步电机优化设计

针对双余度永磁同步电机（DRPMSM）的多目标优化设计问题，该文采用Pearson相关系数分析法，在参数敏感度分析的基础上，提出一种改进迭代田口法的多目标优化设计方法。该方法利用单余度模式下的田口法优化设计结果作为双余度模式下优化因子水平取值的依据，对优化因子的水平取值进行了优化选择。既考虑了各工作模式下的优化设计，又解决了不同水平值之间无法寻优的问题。以800 W双余度永磁同步电机为例，利用有限元仿真，对比分析了优化前后的效率、转矩等关键性能参数，验证了所提优化方法的有效性。最后，制作了实验样机，实验测试结果与优化设计结果有较高的吻合度，证明该文所提出方法可有效解决多余度电机的多目标优化设计问题，拓宽了对于该类电机的优化设计思路。     

基于田口法的双余度永磁同步电机优化设计

双余度永磁同步电机有两个余度单元,具有容错率高、体积小、功率密度大等特点,在航空航天、国防、机器人等领域得到广泛应用。针对双余度电机的多目标优化设计问题,基于其典型工作模式,提出二次田口法迭代的多目标优化设计方法。首先,依据双余度度永磁同步电机的应用需求,确定优化目标参数;在初始设计参数基础上,筛选出对目标优化参数影响大的尺寸参数作为优化因子。其次,首次应用田口法筛选出双余度模式下的准最优参数;进而在单余度模式下再次应用田口法对准最优参数进行二次优化;综合两次优化结果确定最终优化参数。最后,通过有限元仿真分析对优化前后的目标参数变化进行验证分析,证明了所提出方法的有效性,也拓宽了对于该类电机的多目标优化设计思路。     

基于MTPA的内置式永磁同步电机转矩预测控制

针对采用矢量控制方法的内置式永磁同步电机(IPMSM)存在解耦复杂、附加优化目标难以融入系统控制等问题,提出了一种基于最大转矩电流比(MTPA)的IPMSM转矩预测控制方法。在推导MTPA控制原理的基础上,分析了转矩预测的控制机理及性能指标函数。22 k W试验样机的仿真与试验结果表明,系统稳态及全局加减负载条件下调速性能良好、转矩动态响应迅速。该方法在重载条件下定子电流利用率显著提高,满足电动车辆驱动控制系统的性能和效率指标要求。     

基于田口法的永磁同步推进电机优化设计

以无人水下航行器推进用内置式永磁同步电机为研究对象,利用传统的等效磁路法和经验公式,初步确定永磁同步电机设计基本电磁参数,并用RMxprt和Maxwell进行初步的校核,确定了各优化参数及取值范围。在保证输出转矩的前提下,以相关尺寸参数槽型参数、直接影响成本的永磁体宽度和厚度、隔磁桥宽度为优化参数,以高效率、永磁体用量少、转矩脉动小为优化目标,通过田口法对内置切向式永磁同步电机优化设计,得出电机多目标优化设计的方案。有限元仿真分析结果验证了该方法的合理性和有效性。     

基于遗传算法的车用永磁电机转子尺寸多目标优化设计

新能源汽车(NEV)驱动电机对于转矩密度、功率密度、转矩脉动、振动噪声和高效率区间等参数有着较为严格的性能要求。转子拓扑及其结构尺寸直接影响电机的磁场大小、磁场分布和谐波磁场含量,对于汽车电机性能起着重要影响。针对该类电机多工况多性能参数的特点,利用有限元软件建立主要工况的电磁场计算模型,确定需要优化的转子结构尺寸。根据车用电机的主要性能指标,以转矩脉动、齿槽转矩、气隙反电动势谐波畸变率和输出转矩作为优化目标,根据不同工况性能需求定义目标函数,选择遗传算法作为多目标优化设计算法,再根据优化计算结果进行方案筛选,最终确定电机的最优转子尺寸。该优化设计方法可快速确定车用永磁电机的最优电磁设计方案,丰富了该类电机的高效优化设计途径。     

新型开关磁阻电机优化设计

为降低开关磁阻电机转矩脉动以及提高转矩出力,提出一种在定转子齿上依次开槽的优化设计方案,对所开槽进行参数化处理,使用控制变量法分析各个开槽参数对性能指标的影响,以性能指标最优为目标选取参数,并利用有限元方法分析了电流转矩特性验证效果。由于该方案无法对多个开槽参数协同优化,因此进一步提出方案二,即借助多学科优化工具optiSLang,使用多目标粒子群算法对开槽参数进行全局优化,得到Pareto最优解集后再使用TOPSIS法客观地从中选取出全局最优解。优化后,与未开槽时相比,转矩脉动下降了32.347%,平均转矩上升了12.594%,效果令人满意。     

减小转矩波动的内置式永磁同步电机空气隔磁槽优化设计

内置式永磁同步电机转矩波动的存在影响电机系统的控制精度,因此如何减小电机转矩波动一直是研究热点。针对具有隔磁桥结构的内置式永磁同步电机,本文提出了一种减小内置式永磁电机转矩波动的空气隔磁槽优化设计方法,即以降低电机转矩波动为优化目标,以空气隔磁槽结构几何参数为优化变量,基于Taguchi法实现了内置式永磁同步电机低转矩波动设计。在此基础上,对优化前后电机空载和额定负载工况进行了有限元仿真对比分析。结果表明,所提出方法可以在保持额定输出转矩不变的前提下有效降低电机空载齿槽转矩和负载转矩波动,提高电机的性能。     

电动汽车用永磁同步电机宽速域抗干扰滑模控制

针对电动汽车内置式永磁同步电机(IPMSM)的宽速域鲁棒抗扰转速跟踪问题,提出了一种高性能IPMSM非线性控制技术。其中采用最大转矩电流比(MTPA)方案和弱磁方案实现了IPMSM的宽速域运行,并通过泰勒展开对算法进行了化简。考虑消除虚拟控制器的微分噪声,引入二阶滑模微分器对其导数进行了估计,并设计了误差补偿信号。此外,为了提高系统在宽速域运行下的抗干扰能力,设计了一种扰动观测器估计负载转矩,对控制器进行了前馈补偿,并结合积分滑模控制(SMC)增强了系统的鲁棒性。最后,通过李雅普诺夫稳定性判据证明了系统的稳定性。基于FPGA搭建了IPMSM硬件在环(HIL)平台,验证了本文设计的控制器具有优异的抗干扰能力和鲁棒性。     

不同极槽配合电动汽车永磁同步电机弱磁性能及抗饱和能力研究

电动汽车永磁同步电动机需要宽的调速范围,但在高速弱磁时,铁心的饱和带来了较大的反电势失真和转矩波动,影响电机的运行性能。本文比较分析不同极槽配合的内置永磁同步电机高速弱磁工况的反电动势、电磁转矩和转矩波动情况。仿真分析表明,在高速弱磁条件下与分数槽电机相比,整数槽永磁同步电动机具有较高的反电势失真率和转矩波动;其中36槽8极电机弱磁能力最好,18槽8极电机转矩波动最小。     

Permanent magnet synchronous motors using primarily reluctance torque

Permanent magnet synchronous motors (PMSMs) are widely used in many applications as high‐performance variable‐speed drives. In traction drives, such as those used for electric vehicles or for the compressor drives of air conditioners, a wide constant‐power speed range and high‐efficiency operation are desired. The aim of this paper is to develop a high‐performance PMSM that offers high‐efficiency performance in the high‐speed region, including light‐load conditions, as well as a wide constant‐power speed range. Simulations show that the proposed interior PMSM, which produces chiefly reluctance torque and in which the permanent magnet flux assists torque production, is capable of meeting the above performance requirements. A prototype PMSM is designed in accordance with this new design concept and several drive tests are carried out. The saliency ratio of the prototype IPMSM is about 5, and, as a result, reluctance torque is the principal torque component, representing more than 70% of total torque. The prototype IPMSM can attain a constant‐power speed range of up to 5:1 with high‐efficiency drive in the high‐speed, constant‐power region. The proposed IPMSM is suitable for variable‐speed drives requiring high‐speed, constant‐power operation. © 2000 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 134(3): 60–68, 2001     

Torque ripple improvement for synchronous reluctance motor using an asymmetric flux barrier arrangement

An interior permanent-magnet synchronous motor (IPMSM) is a highly efficient motor and operates in a wide speed range; therefore, it is used in many industrial and home appliance applications. However, the torque ripple of synchronous motors such as the IPMSM and synchronous reluctance motor is very large. The variation of magnetic resistance between the flux barriers and teeth causes the torque ripple. In this paper, flux barriers are asymmetrically designed so that the relative positions between the outer edges of the flux barriers and the teeth do not correspond. As a result, torque ripple can be reduced dramatically.     

Speed sensorless torque control of an IPMSM drive with online stator resistance estimation using reduced order EKF

Speed sensorless control of an interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) based on direct torque control (DTC) is proposed in this paper. The rotor speed and position of the IPMSM are estimated based on an active flux concept, where, the active flux vector position is identical to the rotor position. The proposed algorithm does not require neither high frequency injection signal nor complicated schemes even at vary low speed operation. Torque/ flux sliding mode controller (SMC) combined with space vector modulation is proposed to improve the performance of the classical DTC. Stator resistance value is required for a stator flux and electromagnetic torque estimation. Its variation due to temperature or frequency degrades the scheme performance, especially, at low speed operation. To overcome this problem, a reduced order extended Kalman filter (EKF) is proposed to update online the stator resistance. The advantages of the direct torque control, sliding mode controller, and speed sensorless control are incorporated in the proposed scheme. Simulation works are carried out to show the ability of the proposed scheme at different operating conditions. The results demonstrate the activity of the scheme at wide range speed operation with load disturbance and parameters variation.     

基于场路耦合的永磁同步电机性能分析

在伺服控制系统中,控制器对内置式永磁同步电机(IPMSM)的性能影响较大。采用时步有限元分析方法,通过在Maxwell中搭建IPMSM三维和二维瞬态电磁场有限元模型,在Simulink中搭建了电机控制算法的模型。经由Simplorer软件接口技术将有限元模型和电机控制算法模型相结合,构建了永磁同步电机的场路耦合仿真模型。分析了电机在不同控制策略和工况下的转矩、电流、损耗、弱磁调速范围等数据,为IPMSM伺服调速系统的计算及优化设计提供了合理的方法。     

外转子无铁心无轴承永磁同步电机参数优化设计

为解决飞轮储能用电机齿槽转矩大,高速运行时铁心损耗高的问题,提出一种外转子无铁心无轴承永磁同步电机。首先阐述了外转子无铁心无轴承永磁同步电机的基本结构和工作原理,然后给出了电机的基本设计参数,接着采用Taguchi法以平均转矩、平均悬浮力、转矩脉动和悬浮力脉动为评价标准优化了极弧系数、永磁体厚度、气隙长度和转子厚度,接着通过有限元仿真对比了优化前后电机性能的变化。仿真结果显示,优化后的平均转矩和平均悬浮力分别提高了15.7%和8.44%,转矩脉动和悬浮力脉动分别降低了0.65%和1.83%。最后,通过实验证明了优化后电机能够稳定运行并且相较于传统的有铁心电机运行稳定性更好。