电动车用永磁同步电机的转矩阶次特征分析

针对电动汽车车身阶次振动和车内噪声的主要振源—永磁同步电机的转矩波动,首先通过转矩测量试验测得了电机24阶以内的动态、高阶转矩信号,分析与揭示了永磁同步电机转矩信号的阶次特性现象;为解释该试验现象,从理论上建立了一种考虑非正弦永磁磁场分布、开槽、时间谐波电流的永磁同步电机转矩波动数学模型,获得了谐波转矩的解析解,预测了转矩波动的阶次与频率,进而提出了试验测量动态、高阶转矩信号的转速判据。试验研究和理论研究表明：永磁同步电机的转矩具有明显的阶次波动特征,主要阶次有h-1、2（h-1）、6i+h-1、 6i-h+1阶（h∈N,且由变频器决定;i∈N）;h次时间谐波电流将单独引起h-1、2（h-1）阶的转矩波动,h次时间谐波电流、非正弦永磁磁场分布、开槽将共同引起6i+h-1、6i-h+1阶的转矩波动。     

电动车用永磁同步电机非线性扭转振动模型

针对电动车车身阶次振动和车内噪声的主要振源—永磁同步电机的扭转振动问题,首先,利用集中参数法建立了永磁同步电机扭转振动的非线性动力学模型,解析求解了考虑非正弦分布的永磁磁场、定子开槽、时间谐波电流的永磁同步电机电磁转矩,获取了定子铁芯、机壳的刚度和阻尼参数,指出了电磁转矩波动是引起永磁同步电机非线性振动的主要原因。然后,采用状态变量法求得了非线性方程组的解。最后,通过永磁同步电机扭转振动实验验证了本模型的有效性。     

基于实测相电流的永磁同步电机转矩波动阶次来源分析及幅值预测EI北大核心CSCD

由于转子磁场非正弦分布、定子开槽及电流谐波等因素影响,轮毂永磁同步电机输出转矩中存在波动,驱动转矩波动将给轮毂电机驱动车辆带来振动噪声问题。为分析各因素对转矩波动的贡献及影响机理,通过转鼓倒拖试验实测了电机空载反电动势,进而确定了转子磁场分布情况及转子磁通系数;通过电机驱动转鼓试验实测了电机三相负载电流信号,发现电流中存在丰富的谐波成分并确定了谐波幅值及初始相位;考虑转子磁通和相电流谐波解析推导了电磁转矩表达式,分析了转矩波动阶次来源并根据电流谐波幅值和相位规律预测了各阶次幅值大小,进而确定了转子磁通谐波和电流谐波对转矩波动的贡献;通过实测的振动加速度信号间接验证了转矩波动阶次分析及幅值预测的准确性。结合试验和理论准确分析了轮毂电机转矩波动的全貌及其来源,为电动轮系统的振动优化提供了方向。     

基于实测相电流的永磁同步电机转矩波动阶次来源分析及幅值预测

由于转子磁场非正弦分布、定子开槽及电流谐波等因素影响,轮毂永磁同步电机输出转矩中存在波动,驱动转矩波动将给轮毂电机驱动车辆带来振动噪声问题。为分析各因素对转矩波动的贡献及影响机理,通过转鼓倒拖试验实测了电机空载反电动势,进而确定了转子磁场分布情况及转子磁通系数;通过电机驱动转鼓试验实测了电机三相负载电流信号,发现电流中存在丰富的谐波成分并确定了谐波幅值及初始相位;考虑转子磁通和相电流谐波解析推导了电磁转矩表达式,分析了转矩波动阶次来源并根据电流谐波幅值和相位规律预测了各阶次幅值大小,进而确定了转子磁通谐波和电流谐波对转矩波动的贡献;通过实测的振动加速度信号间接验证了转矩波动阶次分析及幅值预测的准确性。结合试验和理论准确分析了轮毂电机转矩波动的全貌及其来源,为电动轮系统的振动优化提供了方向。     

考虑时间谐波电流的永磁同步电机电磁噪声阶次特征分析

针对分布式驱动电动汽车主要噪声源-永磁同步电机电磁噪声,通过噪声测试实验测得了电机噪声信号,实验结果表明:电磁噪声具有明显的阶次特征,主要阶次不仅包含了偶数阶、开关频率附近阶次,还包含了大量奇数阶,甚至以往研究中被当做信号毛刺而忽略的分数阶。为解释该实验现象,通过磁势磁导法得到考虑时间谐波电流的气隙磁场分布,应用麦克斯韦张量法获得了电磁径向力波,并沿外转子内表面应用复合柯特斯公式对径向力波积分,求得了具有6阶代数精度的电磁径向集中力,进而应用圆柱壳体理论建立了一种考虑时间谐波电流的永磁同步电机电磁噪声数学预测模型,预测了变频器供电时永磁同步电机电磁噪声的特征阶次:2hi、2hj、2(2μ-1)、(hi±hj)、(2μ-1±hi)、(2μ-1±hj)[hi、hj为时间谐波电流阶次,μ∈N*]。当hi或hj是分数时,电磁噪声将出现分数阶特征频率。经过与实验结果对比,本模型能精确预测和解释永磁同步电机电磁噪声的特征阶次。     

车用永磁同步电机电磁噪声分析研究

以电动汽车驱动用永磁同步电机为研究对象,从作用于电机定子表面的电磁力波和电机定子结构的动态特性两个方面对电动汽车驱动用永磁同步电机空载工况的电磁噪声展开研究.通过研究永磁同步电机产生电磁力波的机理,推导了空载工况电磁力波的解析分析方法,结合电磁仿真的手段,精确计算了电机在空载工况下电磁力波的波次、频率和幅值;通过建立电机定子结构的有限元仿真模型及有限元模态仿真计算,得到了定子结构的模态频率和振型.发现：电机定子结构的前6阶模态频率较低,电机空载工况在调速过程中所激发的电磁力容易引起电机定子结构的共振.该研究为电动汽车驱动用永磁同步电机的减振降噪提供了指导.     

谐波注入在电动汽车动力总成电磁振动抑制中的应用EI北大核心CSCD

动力驱动总成的电磁振动水平严重影响着电动汽车的NVH性能。由于驱动电机结构的非理想和逆变器的非线性特性,电机的输出转矩存在较大的脉动。在一定的转速下,转矩谐波的频率会和动力总成的扭转模态频率一致,导致动力总成的共振。为了研究转矩脉动引起的电磁振动问题,建立了电机电磁模型和控制电路的联合仿真来对电磁激励进行分析,同时通过振动测试试验,认为动力总成在500~1500 r/min转速范围内的48阶振动是由转矩脉动引起的。为了抑制驱动电机输出的转矩脉动,采用谐波电流注入的方法来抵消电机运行时的谐波转矩,将RBF神经网络和遗传算法结合,对电流谐波进行优化。最后通过振动试验验证分析的准确性,结果表明,采用谐波注入的控制方法能够有效抑制动力总成的电磁振动。     

电动轮-悬架系统台架振动特性试验分析

为了说明在实际驱动工况下电动轮-悬架系统的振动特性,进行了电动轮-悬架系统台架振动特性测试试验,测得了电动轮-悬架系统-台架的振动加速度响应,并进行了参数影响因素分析。分析表明,电动轮驱动时,电动轮、台架会出现由电动轮驱动电机引起的比较明显的阶次振动,频率成分主要有与非正弦分布永磁磁场、磁场开槽以及谐波电流有关的电流基频6倍、12倍及6±i/2(i=1,2,3)倍,且间隔均为电流基频一半。影响电动轮驱动电机振动谐频成分以及幅值的主要因素只有转速和负载转矩。转速主要影响频率成分,负载转矩影响振动能量,电动轮驱动电机在高转速、大负载等高负荷运行时高频段转矩波动能量较大。载荷、胎压以及车轮定位参数不影响振动响应的频率成分,对振动能量影响较小,适中的载荷、胎压、主销内倾角以及较小的前束角会减小台架振动。可为电动轮-悬架系统结构设计、使用条件以及电动轮驱动电机控制系统设计提供试验指导。     

气隙偏心下永磁电机转子系统的振动特性分析

研究气隙偏心对永磁同步电机转子系统振动特性的影响。建立了气隙偏心下转子的动力学模型,结合永磁同步电机在带负载工作下转子永磁体及电枢电流共同形成的气隙磁场分布情况,利用Maxwell应力张量法计算了气隙偏心造成的不平衡磁拉力,并代入转子系统运动方程;通过实例分析,详细讨论了不同偏心以及负载类型对转子系统振动特性的影响。结果表明：质量偏心在增大转子振动的同时会削弱不平衡磁拉力的影响,使振动趋于规则;初始静偏心的大小和方向都将影响转子振动特性,当其方向和重力方向相反,振动强度将有所减弱;当外部负载转矩发生变化,其相应谐波频率的振动将被激发出来。     

车用永磁同步电机电磁振动噪声仿真和试验研究

研究了全负荷工况下8极48槽车用永磁同步电机电磁振动噪声仿真建模方法,并通过消声室台架试验验证了研究方法的有效性。首先,建立考虑材料各向异性特性的定子铁芯和系统模型,分析各向异性材料参数灵敏度,并利用激振器模态敲击试验验证仿真模型;其次,针对永磁同步电机和电驱动桥二合一系统,建立电磁-结构-声学多物理场耦合模型,基于三维分布式电磁力激励,仿真再现了全负荷加速工况下电机电磁辐射噪声,并分析电磁噪声特征;最后,利用消声室台架试验结果,验证了永磁同步电机电磁-结构-声学多物理场耦合模型的准确性,重点阐明2 000 r/min附近48阶噪声峰值点产生机理,研究成果可进一步用于车用永磁同步电机设计开发和电磁振动噪声产生机理研究。     

振动驱动的电磁－永磁复合驱动建模

对一种新的电磁-永磁复合激励永磁体偏转驱动的机理进行振动应用理论分析和实验验证研究。对于这种电磁－永磁复合激励方式,提出一种基于面磁荷计算电磁扭矩的数值方法,建立电磁扭矩随电流和永磁体偏摆角度变化的数学模型,并将理论建模进行对比试验研究,验证所提出理论分析方法的正确性和基于永磁体偏摆驱动在振动驱动领域应用的可行性。     

负载谐波诱发轧机主传动机电耦合扭振仿真研究

现场测试发现:轧机在轧制过程中由于负载谐波频率与轧机机械传动系统固有频率接近时使得主传动系统发生强烈扭振。该文结合现场参数,通过计算机仿真,得出负载谐波力矩会引发电机转速振荡,而在机电耦合作用下电机转速振荡会激发电机输出相同频率的电磁力矩,当含有与机械系统固有频率相接近频率的谐波力矩和电磁力矩作用在轧机主传动系统两端时,主传动系统将会出现强烈的扭振。仿真结果验证了存在这种振动,为抑振措施提供理论基础。     

扭振信号拓扑网络的轧机动态扭矩测量

为解决实际测试中轧机传动系统关键点处动态扭矩不易同时测量的难题,提出一种扭振信号拓扑网络的轧机动态扭矩测量方法。通过把扭振计算的力矩和转角位移看作系统的输入输出信号,依据拓扑思想,建立信号之间的扭振信号拓扑网络模型。把有限实测点的测试数据代入扭振信号拓扑网络模型,可获得传动系统中其它关键点处的扭振参数值。轧机实际现场扭矩测试和数据分析处理结果验证了理论推导的正确性。这为轧机现场监测中不易同时布置传感器且非同轴的关键测点的振动参量获取提供了有效方法。通过编制程序可以实现轧机扭振在线监测和故障分析,从而保证轧机正常平稳运行。     

传导薄板的非线性磁弹性振动问题

研究了磁场环境中传导薄板的非线性磁弹性振动问题。由虚功原理,给出了磁场中薄板的磁弹性耦合运动方程。并根据薄板薄壳的磁弹性基本假设及麦克斯威尔方程,得到了方程中电磁力及力矩的表达式。作为具体问题,采用多尺度法求出了横向磁场中条形板非线性振动的近似解析解。通过算例,分析了磁场环境对振动周期和幅值的影响。从而证实了,通过改变磁场因素,可达到控制该磁场环境中传导薄板振动的目的。所得的结论,对工程实际将有较大的应用参考价值。     

On-line mechanical unbalance estimation for permanent magnet synchronous machine drives

An on-line mechanical unbalance estimation for permanent magnet synchronous machine (PMSM) drives is presented. At high speeds, either rotor or mechanical load unbalance generates vibration that can cause mechanical failure such as a defect of a bearing or shaft. To prevent failure and minimise mechanical vibration, the amount of the rotating unbalance should be detected in real time. The information of the estimated unbalance can be utilised to manage an operation to achieve the durability of mechanical parts. The dynamic nature of a mechanical system with a PMSM with regard to unbalance is investigated. From this examination, the models of the stator current in time and frequency domains for PMSMs are presented to develop a robust real-time unbalance estimation scheme. Based on the modelling and analysis of a rotating mechanical system using a PMSM drive, a compact unbalance estimation algorithm is proposed. The algorithm is combined with an open-loop torque observer and an unbalance estimator using a filter. Experimental results show the validation of the developed model and the proposed on-line unbalance estimation scheme.     

Analytical Methods for Minimizing Cogging Torque in Permanent-Magnet Machines

Cogging torque in permanent-magnet machines causes torque and speed ripples, as well as acoustic noise and vibration, especially in low speed and direct drive applications. In this paper, a general analytical expression for cogging torque is derived by the energy method and the Fourier series analysis, based on the air gap permeance and the flux density distribution in an equivalent slotless machine. The optimal design parameters, such as slot number and pole number combination, skewing, pole-arc to pole-pitch ratio, and slot opening, are derived analytically to minimize the cogging torque. Finally, the finite-element analysis is adopted to verify the correctness of analytical methods.      

一种新型隔振器的设计与分析

针对传统被动隔振器低频振动抑制性差的缺陷,设计了一种新型的电磁-橡胶主被动一体化隔振器,通过研究输出力特性来评估其减振性能,首先,利用等效磁路分析法对其磁路结构进行设计仿真以及动力学分析,并得到其电磁力计算公式。然后,基于COMSOL软件对作动器的输出力进行动态仿真分析,并得到电流及其频率对输出力特性的影响,最后,将特性实验结果与仿真结果进行对比分析。     

环形球栅的球感检测器原理研究

目前国内外对高温、高湿、强腐蚀、强冲击等极端恶劣环境下的扭矩测量仍无有效检测方法,针对该现状,在提出的一种由环形球栅与磁电式检测器组成的新型非接触式扭矩传感器的原理基础上,重点从传感器的结构特点出发,结合磁路理论对环形球栅检测器的原理进行了较为深入的研究,并利用ANSYS软件对设计的球感检测器进行电磁分布特性分析与实验。经初步实验验证,该环形球栅检测器能满足极端环境下的扭矩动态测量。