盘式无铁心永磁同步电机矢量控制技术分析

盘式无铁心永磁同步电机的定、转子均为无铁心结构,在同等输出功率和转矩条件下,电机重量较轻,并具有过载能力强、无齿槽转矩、气隙磁场分布正弦性好、电枢反应小、参数线性等优点。作为电动机应用时,特别适合对电机体积有特殊要求且低速性能好、响应速度快、过载能力强的场合。同样,因为无铁心结构,电机定子绕组电感很小,很小的电感导致通以绕组内的电流不连续,从而产生电磁转矩脉动。该文提出一种电机外部串电感的方法,增大定子绕组回路的电感值,设计了基于转子磁场定向的盘式无铁心永磁同步电机调速驱动系统。仿真和实验结果证实了控制方法的有效性,电机转速平稳且无静差,超调量小;能够获得较大启动转矩,响应速度快。     

三相永磁同步电机断相容错控制

为了提高三相永磁同步电机(PMSM)控制系统的容错能力,减小定子绕组断路故障时电机电磁转矩的脉动,提出了三相永磁同步电机断相容错控制策略。基于故障后正常相绕组电流与电压之间的关系,建立了三相PMSM一相绕组开路时的数学模型。通过分析故障前后电机的电磁转矩,提出了电磁转矩输出不变的容错控制策略,通过调整非故障相电流的幅值与相位,计算前馈零轴电压,保证一相绕组开路故障时电机的正常运行。为了提升电机故障下电磁转矩输出的平稳性,提出前馈零轴电压与中线电流闭环修正相结合的容错控制策略,实现了电机控制系统故障条件下的无扰动运行。采用转子磁场定向的方法,通过在旋转坐标系下交直轴电流控制器上增加前馈零轴电压和中线电流闭环修正,实现了一相绕组开路时的转矩脉动的补偿。实验结果表明,该文提出的容错控制算法可以有效减小三相PMSM在定子绕组发生开路故障时的电机电磁转矩脉动,提高电机控制系统的容错性能。     

高过载永磁同步电机的电磁特性

定子铁心饱和、电枢反应限制了永磁同步电机(PMSM)输出转矩的进一步提高,在一些应用场合电机的转矩密度无法满足需求。研究了永磁同步电机的转矩特性,提高了恒转速下的转矩过载能力。首先从PMSM的输出功率入手,分析PMSM的极限输出功率与输入电流、直交轴电抗和空载反电动势的关系。接着通过改变PMSM定子和转子结构参数,分析了不同槽、极比对电机转矩过载的影响;磁钢厚度对气隙磁密以及直交轴电感的影响;定子裂比对电机电磁转矩的影响;不同齿宽对电机输出转矩的影响。由此得到高过载永磁电机的设计方法。最后进行有限元分析和电磁设计,并研制了一台10倍转矩过载的PMSM。搭建了测功机实验平台,对比测试了高过载电机以及常规设计PMSM的电阻、电感与转矩-电流特性曲线。实验分析结果与有限元计算结果基本一致,验证了理论分析的正确性。     

基于电枢反应补偿原理的新型永磁同步电机

在永磁同步电机调速系统中,电机中电枢反应将引起铁心磁饱和,并进而导致电机的输出转矩随转矩电流增长明显钝化。分析表明造成该现象的主要原因是永磁电机的磁动势平衡机制存在缺陷。本文提出在永磁同步电机转子上增设一套电流可控的交轴励磁绕组,用以补偿电枢反应磁动势的作用,保证负载变化时电机气隙磁场基本维持恒定。这种基于电枢反应补偿原理的新型永磁同步电机突破了磁饱和对电磁转矩的限制,为提高永磁同步电机转矩密度开辟了新途径。文中给出了一台新型电机样机的设计方案。通过有限元仿真,验证了通过补偿电枢反应磁动势提高电机转矩密度的有效性,并分析了该电机带不同负载运行时的转矩、效率特性及其与传统电机的区别。     

考虑铁心饱和的内置式永磁同步电机气隙磁场解析计算

准确分析电机结构以及磁饱和等因素对气隙磁场分布的影响是永磁电机设计、优化的关键。以分数槽集中绕组内置式永磁同步电机(FSCW-IPMSM)为研究对象,根据磁路分析方法和FSCW的分布规律,分别得到了考虑转子磁桥漏磁的空载永磁磁场解析模型和电枢反应磁场的解析表达式。考虑到定子齿槽结构以及转子内部永磁体分布,利用相对气隙磁导,将定子开槽和转子凸极对气隙磁场的影响考虑在内。重点结合定子铁心材料的B-H磁化曲线、定子铁心局部磁饱和特性引入铁心等效磁阻与动态磁导率来考虑定子铁心磁饱和对负载气隙磁场的影响。最后,有限元仿真和样机试验结果验证了理论分析的准确性,为该类电机的电磁设计和性能分析提供了理论基础。     

电动汽车用分裂绕组永磁同步电机设计

设计了一款新型纯电动物流车用驱动电机,定子采用分裂绕组形式,电机在低速区域工作时绕组全部接入,电机在高速区域工作时绕组部分接入,以替代机械式两档变速箱,拓宽电机高效率工作区域。根据电动物流车所需动力,计算电机的功率和转矩特性曲线,利用解析法和有限元法确定额定工况下电机的转子及定子等电磁参数,再根据实际电压和电流限制优化交直轴磁路,并优化定子绕组分裂比,电机实测实验描绘出电机输出效率map。     

同步磁阻电机定子电流最优控制

针对磁路饱和对同步磁阻电机运行特性的影响,提出了定子电流最优控制策略。通过有限元法对电感与电流的非线性关系进行拟合,并利用拟合结果得到最优定子电流随转矩变化的运行轨迹,以实现同步磁阻电机最大转矩电流比(MTPA)控制;同时对于交直轴电流环相互耦合的问题,提出磁路饱和补偿的电流环设计,以提高其动静态性能。仿真与试验结果验证了该方案的有效性。     

双转子永磁同步电机的磁路建模和磁场分析

为了研究双转子永磁同步电机的设计方法,对电机定子中异向旋转的耦合磁场进行了分析。引入定子铁心径向磁阻和切向磁阻,建立电机的等效磁网络模型,将双转子异向旋转产生的并联磁路和串联磁路交替问题简化为单一的并联磁路问题,得到电机的磁场分析方法。在内外转子上采用不同材料的永磁体,通过优化内外转子半径比,使两个转子产生等大反向的转速和电磁转矩。最后通过有限元分析方法验证了这种设计方法和等效磁网络模型的有效性。     

提高单相自起动永磁同步电机起动性能研究

单相自起动永磁同步电机就是在感应电机的转子铁心内放置永磁体,依靠笼型转子绕组产生的异步转矩实现起动。由转子永磁体产生的磁场与定子绕组产生的旋转磁场相互作用产生恒定的转矩而稳定运行。自起动永磁同步电机的优点是效率高、功率因数高且经济运行范围宽,但是由于转子上存在永磁体产生的制动转矩和齿槽转矩,使得电机起动变得较为困难,影响电机可靠性。本文对单相自起动永磁同步电机起动过程转矩及其与电机参数之间的关系进行了详细的分析,并据此提出了优化电机参数来提高其起动性能的方法。最后通过有限元仿真和试验测试验证了方法的准确性。     

一种采用取向硅钢片的新型同步磁阻电机

同步磁阻电机（SynRM）结构简单、稳定可靠,但转矩和功率因数偏低,在过载运行下转子导磁桥和定子齿等磁通流经关键位置的硅钢片会逐渐饱和,使得电机发热增多,输出转矩降低。本文提出一种新型同步磁阻电机(NSynRM),通过在电机转子导磁桥表面增加使用取向硅钢片以及在定子齿部替换使用取向硅钢片来解决原电机中磁密饱和带来的问题。同原电机中的硅钢片相比,取向硅钢片在轧制方向具有高磁导率和高饱和磁密的特点,因此在新型同步磁阻电机中使取向硅钢片轧制方向沿着直轴磁场流通方向,能够使磁通沿着取向硅钢片顺利流通,增加电机的抗饱和能力。计算结果表明,新型同步磁阻电机在过载运行条件下,具有更大的转矩和功率因数,能有效降低电枢绕组温升,提高能量利用率。电机的电磁性能计算通过有限元软件完成。     

一种新颖的永磁同步电机转子初始位置检测方法

当永磁同步电机转子为表贴式且磁路设计饱和程度不明显时,d、q轴电感几乎相等,无法用传统的检测电感的方法来检测转子初始位置。为解决这一问题,提出一种新颖的基于转子微动的方法来检测转子的初始位置。在定子侧给定旋转电压矢量,由此产生的旋转电流矢量会产生脉动转矩。合适的脉动转矩会引起电机的微动,从而影响电机的电流响应。由于脉动的转矩与转子位置相关,因此电流响应中包含电机转子位置的信息。根据电机的数学模型,分析了给定不同频率电压矢量时的电流响应。利用傅里叶分析对电流响应进行计算,可以得到电机的转子位置信息。在搭建的1.25 kW的永磁同步电机实验平台上进行了实验,验证了所提方法的有效性。     

定子励磁型混合磁路直线旋转永磁电机磁路设计与实验研究

针对智能装备系统直线与旋转两自由度驱动需求,提出定子励磁型混合磁路直线旋转永磁(statorexcitedhybrid magnetic circuit linear and rotary permanent magnet,SEHMCLRPM)电机,采用轴向和径向双凸极齿结构,轴向直线运动与径向旋转运动磁场共用定、转子磁路。永磁体设置在定子上,动子上既无绕组也无永磁体,动子结构简单坚固,重量轻,具有转矩惯量比高、动态响应速度快、可靠性高等特点;定子同时设置有直线与旋转两套绕组,直线和旋转运动控制独立,降低两自由度驱动控制的复杂度。分析该类电机的运行原理和结构特点,探讨混合磁路特征,构建该类SEHMC-LRPM电机的解耦等效磁路模型,实现该类电机的磁路设计。在此基础上,基于3D有限元方法分析混合磁路与两自由度耦合磁场,揭示两自由度磁场与电机磁场分布、空载和负载特性的关系。最后,加工制造样机,并进行实验研究,验证该电机结构的有效性和理论分析的正确性。     

五相永磁同步电机缺相运行的建模与控制

为提高五相永磁同步电机(PMSM)控制系统的可靠性,减小定子绕组发生开路故障时电机输出转矩的脉动分量,提出了五相PMSM缺相运行时的容错控制策略。从矢量空间解耦的角度,建立了含有3次谐波磁场的五相PMSM缺相运行时的数学模型。根据瞬时功率守恒原理,对故障前后的电磁转矩进行分析,提出了平均转矩保持不变的容错控制策略,通过重新分配各相电流的幅值和相位,实现了控制系统的满负荷运行;为了使电机在缺相故障时仍能提供平滑转矩,提出了脉动转矩保持为零的容错控制策略,实现了控制系统的无扰运行。采用转子磁场定向的方法,通过对旋转坐标系下的交直轴电流和零序电流进行控制,实现了对电机输出转矩的补偿。实验结果表明,所提出的容错控制算法能够有效改善五相PMSM在定子绕组发生开路故障时的运行性能。     

电励磁同步电机电流协调控制策略及稳态特性分析

提高电机稳态过载能力是许多直驱方式的电机调速系统所关注的重要问题。针对该问题,以无阻尼绕组电励磁三相隐极同步电机为研究对象,提出了一种基于q轴气隙磁链定向的电流协调控制策略,用定子q轴电流产生气隙磁场,转子电流用作转矩电流。对电机在采用该策略时的稳态特性进行了分析,并与传统气隙磁链定向矢量控制策略进行了比较,通过实验对该策略的有效性进行了验证。     

多相永磁电机磁场解析预测与容错控制策略

为了提高多相永磁同步电机在单相或多相绕组发生故障时的容错性能,基于傅里叶级数分析方法,建立了多相内转子表贴式永磁同步电机(SPMSM)绕组缺相不对称运行下的磁场解析计算模型,该解析计算模型能够考虑铁磁材料的非线性变化,并对气隙磁通密度、空载反电动势以及电磁输出转矩等性能参数进行准确计算;其次,以一台44极48槽12相SPMSM为例,通过有限元仿真分析和实验测试对磁场解析模型的准确性进行了验证。在此基础上,基于故障前后电机定子绕组合成磁动势不变的原则,提出一种多相永磁电机在单相或多相绕组开路故障下的容错控制策略,并以电磁输出转矩、转矩脉动等性能参数为考核指标,提高了多相永磁电机驱动系统的可靠性。     

内置式永磁同步电机隔磁桥影响研究

内置式永磁同步电机d、q轴磁路不对称产生的磁阻转矩有助于提高电机的过载能力和功率密度,为减少漏磁,转子隔磁桥尺寸较小,但过小的隔磁桥在高速旋转时,隔磁桥强度能否满足要求是保证电机安全运行的关键。本文针对常见的三种内置式转子结构,用有限元法计算不同隔磁桥厚度对电机电磁性能及转子应力的影响规律,并对带辅助隔磁桥"V"形转子隔磁桥厚度进行优化计算。结果表明,带辅助隔磁桥"V"形转子的内置式永磁同步电机能够兼顾电磁性能和结构强度,因此更适合高速运行。     

考虑磁场饱和效应的电励磁同步电机矢量控制

电励磁同步电机矢量控制系统中电压模型磁链观测器受初始定子磁链值以及电压和电流测量值的影响,采用电流模型对其进行修正可提高磁链观测器的精度。随着负载电流的增大,电机的磁路会进入饱和状态,传统线性电流模型磁链观测器误差较大,通过引入d轴饱和指数可准确描述磁场饱和状态下电机定子磁链随电流的变化规律。同步电机矢量控制实验验证了电压-电流混合磁链观测器的准确性以及饱和磁场控制的有效性。     

定子永磁式双转子电机电磁性能分析

为了提高双转子电机的转矩密度,实现其应用于混合动力汽车驱动系统的小型轻量化和平稳运行的需求,提出一种三相12/22/12极定子永磁式磁通切换双转子电机结构,其绕组和永磁体均位于外定子和内转子上,外转子上无绕组和永磁体,避免了外转子的冷却问题。对定子永磁式磁通切换双转子电机的拓扑结构及工作原理进行了介绍,采用有限元方法对电机磁场分布、气隙磁密、永磁磁链、空载反电动势、电感及转矩等电磁性能进行了分析。研究结果表明,提出的定子永磁式磁通切换双转子电机结构具有内外电机磁场耦合小、空载反电动势正弦性好、转矩密度大、转矩脉动小的特点,并通过原理样机实验结果验证了电机设计的有效性。     

定子绕组匝间短路时发电机电磁转矩分析

对定子绕组匝间短路时发电机的电磁转矩特性进行了研究。分析了在考虑电机振动偏心下，定子绕组匝间短路后同步发电机的气隙磁场变化特征，然后得到内部故障发生前后电磁转矩的变化特征，特别是瞬时转矩中的脉冲转矩分量幅值和频率的变化特征。同时分析了故障后发电机转子励磁电流的故障特征。利用动模实验，实测了1台容量为7.5kV×A的同步发电机不同程度定子绕组匝间短路时的电磁转矩并对其进行了离散傅里叶变换频谱分析，实验分析结果与理论分析基本一致。该结果对于电机瞬时转矩的测量、计算和运行中动态电磁转矩波形的描述具有较高的参考价值。     

基于逐相旋转坐标变换的无刷直流电机转子磁场定向瞬时转矩控制技术

转子磁场定向无刷直流电机等效模型所具有的d轴转子磁链为恒值、q轴转子磁链始终为零的特征,是构建高性能无刷直流电机瞬时转矩控制系统的有利条件。但是传统的等功率3s/2r坐标变换无法使无刷直流电机得到转子磁场定向等效模型。为此,提出一种基于逐相旋转坐标变换的转子磁场定向方法,即对每相转子磁链逐一进行旋转坐标变换得到各相绕组的转子磁场定向等效模型,再以功率守恒为原则进行三相合成,得到无刷直流电机转子磁场定向等效模型。鉴于该转子磁场定向等效模型中电磁转矩仅与q轴电流成正比而与d轴电流无关,理论推导出直轴电枢反应磁动势、瞬时电磁转矩各自与d、q轴电流之间的关系式,构建了具有无增磁/去磁电枢反应的瞬时转矩控制系统。最后,通过Matlab仿真和DSP驱动实验,验证了所提控制技术的可行性和有效性。