盘式交流永磁同步电机温升影响因素研究EI北大核心CSCD

首先根据510 kW盘式电机的电磁设计参数以及热物性参数建立了三维温度场流场耦合模型,分析了额定工况下电机发热部件的温度分布,接着对样机进行了温升实验。针对温升实验电机温度偏高进行了改进性研究探索。主动降温方面,建立了三维轴向磁通电机模型,从铁耗理论模型和电磁仿真模型角度分析了不同牌号硅钢片,在空载和负载工况下,铁耗瞬态变化趋势。被动降温方面,基于建立的三维耦合模型,分析了入口流速、端盖材质、额定负载和过载对电机定转子最高温度影响。接着分析了不同水道模型、不同入口流速条件下,对壁面对流换热系数以及入口和出口压力损失变化规律。通过以上温升影响因素的分析,为后续盘式电机散热冷却改进设计提供理论依据。     

永磁同步电机电磁结构及磁场调节技术的综述分析

永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)具有结构简单、体积小、效率和功率因数高等优点,在航空航天、军事国防、装备制造、轨道交通、新能源等领域中被广泛应用。但因永磁磁场调节困难,限制了PMSM在宽调速范围领域的进一步应用。为了实现磁场可调,国内外学者做了大量研究工作,提出了多种适合磁场调节的PMSM电磁结构。首先,建立了同步坐标系下PMSM的直轴等效磁路,分析了PMSM磁场调节机理,总结了PMSM磁场调节方法。随后,针对不同典型结构的PMSM分别建立了直轴等效磁路,总结不同磁场调节方法之间的区别和联系。最后,归纳PMSM磁场调节方法,总结形成磁场调节的统一理论,有利于探索磁场可调的PMSM新拓扑结构,推动PMSM磁场调节技术的发展。     

宽调速永磁同步电机全域高效运行控制策略综述EI北大核心CSCD

永磁同步电机具有效率高、功率密度高、控制灵活等特点,在轨道交通、航空航天、装备制造、新能源等领域被广泛应用。然而,由于采用永磁体励磁,其励磁磁场调节困难,导致永磁同步电机在低速域与高速域的高效运行条件存在明显差异,难以实现宽速域高效运行。因此,研究永磁同步电机在宽速域下的控制方法,对实现其全域高效运行具有重要意义。为此,针对永磁同步电机不同运行速域,该文系统地总结了其高效运行条件,并给出相应的高效控制目标着重分类梳理不同速域下的高效控制策略,并归纳总结不同控制方法的优劣以及适用范围。最后,从运行速域与控制机理的角度,对近年来永磁同步电机宽速域高效控制策略进行总结与展望。     

基于非线性磁路饱和模型的永磁同步电机增益调度电流控制EI北大核心CSCD

随着永磁同步电机(permanent magnet synchronous machine,PMSM)过载能力、功率密度和转矩密度的提高,磁路饱和程度加深且变化剧烈,其非线性限制电流环的动态性能并且降低控制器的鲁棒性。该文提出一种PMSM增益调度电流控制策略,基于以微分电感为参数的非线性磁路饱和模型,设计小信号模型的线性内模控制器,根据电流调度变量插值成非线性控制,非线性耦合的消除保持非线性控制小信号化与线性内模控制的一致性,获得不同形式非线性积分的增益调度电流控制器。采用内模控制维持小信号系统相同的闭环特性,使得该非线性控制也具有相同的线性闭环特性,达到反馈线性化的效果,提高大范围工况的性能。通过仿真和实验验证控制器的有效性。     

永磁同步电机三维磁场计算及分析

永磁同步电机具有功率密度大、运行安全可靠以及维护简单等优点而得到广泛应用。在深入分析永磁同步电机三维磁场分布特性基础上,以12槽永磁同步电机为例,用有限元分析方法建立了电机模型。采用棱边单元法对电机进行了三维电磁场数值计算,研究了不同单元形状对电磁场计算结果的影响,并进行了仿真验证,结果证明在可靠性、计算速度和气隙磁密方面,采用棱边单元法进行有限元磁场计算较现有方法有着较大提高。最后基于设计的1 kW永磁电机搭建了实验平台,对其短路过程进行了研究,得到了永磁同步电机的最大短路电流,实验结果验证了所采用仿真方法的正确性,对设计、研究永磁电机有一定参考意义。     

新型开放式绕组永磁同步电机矢量控制系统研究EI北大核心CSCD

双逆变器供电的开放式绕组永磁同步电机(open-end winding permanent magnet synchronous motor,OEW-PMSM)系统作为一种新型电机驱动拓扑,其直流母线电压利用率高、绕组电流控制自由度大、容错能力强,在电力拖动领域具有良好的应用价值。该文建立了OEW-PMSM的数学模型及其采用双逆变器供电的矢量控制系统,结合双逆变器工作原理和输出矢量,分析系统零序电压和零序电流问题,采用不产生零序电压的电压矢量进行空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)来消除零序电压,并给出实现算法。在采用消除零序电压的SVPWM控制时,双逆变器供电的OEW-PMSM可以将基速提高为星接绕组时的1.7倍,降低了系统弱磁设计和控制的难度。仿真和实验验证了所提方法的正确性和可行性。     

新型双余度永磁无刷电机稳态特性的等效磁路模型

与传统的双余度永磁无刷电机不同,新型双余度永磁无刷电机余度线圈之间电气同相位,由两套独立的功率驱动电路形成新型的双余度控制系统,能够实现容错控制以提高系统可靠性。本文在分析双余度永磁无刷电机原理和结构的基础上,建立了双余度永磁无刷电机每个余度绕组的磁路等效模型;在一个电周期内对磁路各部分磁导进行了详细分解计算,确定了以磁导表示的磁通矩阵,推导出气隙磁通和反电动势的计算方法。该数学模型考虑了轭部磁路和材料非线性磁饱和的影响,提高了模型的实用性。有限元分析结果表明了该数学模型的正确性。     

基于奇/偶互补磁场理论的自起动永磁同步电机两种运行状态研究EI北大核心CSCD

基于奇/偶互补磁场理论的新型自起动永磁同步电机(line-start permanent magnet synchronous motor,LSPMSM)根据定子绕组两种联结方式,可分为不同的运行状态。定子仅主绕组接入电网时,电机处于“互补磁场”状态,此时转子同位线圈电阻的折算值增大,电抗折算值不变,进而在起动初期缩小电机冲击电流的同时,增大起动转矩。定子主绕组与次绕组同时供电时,电机处于常规状态,此时定子绕组电磁性能等效于正规60°相带设计,稳态运行时性能与普通LSPMSM相同。该文分别对新型电机两种运行状态下的工作原理、等效电路和转矩–转速曲线进行分析。建立有限元仿真模型,对样机两种运行状态的堵转性能、起动性能进行研究,并分别研究样机在空载、重载起动条件下的切换过程。样机试验与仿真结果表明,轻载时在牵入同步速度附近切换运行状态,重载时在0.6倍额定转速前切换运行状态,新型电机能够兼顾高起动性能与高稳态性能。     

大型永磁直驱发电机磁固耦合特性研究EI北大核心CSCD

该文开展大型永磁直驱发电机磁固耦合特性研究。采用共形映射方法,计算考虑齿槽效应的气隙磁场标量磁势;基于离散电流元和磁等效电路模型,定量模拟发电机定转子局部的磁饱和效应,通过数值迭代得到气隙磁场强度分布;引入一系列均布的磁等效弹簧,模拟定转子之间的耦合作用,建立永磁直驱发电机磁固耦合有限元分析模型。以实际在役兆瓦级永磁直驱发电机为对象,通过电磁有限元计算结果验证所提出的气隙磁场强度分析方法;基于金风兆瓦级永磁发电机测试平台,开展转/定子耦合系统模态测试,与理论模型得到的固有频率和模态振型进行对比。在此基础上,分析气隙长度和转子转速对耦合系统固有频率的影响。研究结果对于准确评估发电机振动能量、规避危险共振点指导机组设计等均具有重要的参考价值。     

内置式永磁同步电机低速无位置传感器控制EI北大核心CSCD

针对内置式永磁同步电机低速无位置传感器控制相关问题,在分析内置式永磁同步电机动态数学模型的基础上,提出了一种基于高频信号注入法的转子位置估计方法。通过向电机的控制电压中叠加一个三相对称高频电压信号,对三相电流响应信号进行带通滤波,得到高频电流分量,利用最小二乘算法提取三相高频电流响应的幅值大小,并经过特定算法提取出转子位置。该算法运算量小,估计误差低,易于实现,对电机参数变化不敏感,鲁棒性强,对一台内置式永磁同步电机无位置运行的实验结果表明转子位置提取算法的有效性,根据工作状态的不同,检测误差会有所不同,但误差限都控制在"6°(电角度)以内,平均检测误差都小于3°(电角度)。     

基于谐振调节器的永磁同步电机电流谐波抑制方法EI北大核心CSCD

当永磁同步电机在转子磁场定向控制方法下运行时,由于电机齿槽以及逆变器死区效应等非理想因素的影响,d、q轴电流中会包含谐波。为了抑制电流谐波,该文采用在电流控制环上并联谐振调节器的方法对特定的谐波进行抑制。谐振调节器在给定的谐振频率下有无穷大的增益,因此可以对该频率的谐波进行完全抑制,但是当输入为阶跃信号时,电流响应会出现超调。为了消除超调,同时提高电流的动态响应速度,采用一种前馈控制方法,同时考虑数字控制延时的影响,达到了电流响应没有超调,快速跟踪的效果。为验证该文提出的方法,进行了仿真分析,并在1.25 kW永磁同步电机实验平台进行了实验,验证了该文方法对电流谐波抑制及动态响应速度的提升作用。     

永磁同步电机瞬态启动的有限元分析

该文利用Maxwell对永磁同步电机的瞬态启动进行了设计和分析建立了电机的二维有限元模型并对电机进行了瞬态磁场和动态性能分析,分析证明此设计参数是可以采用的。     

基于三维等效磁网络模型的混合励磁同步电机电磁特性分析

针对分析混合励磁同步电机电磁特性时,三维有限元法计算量大、耗时长,解析法难以考虑铁磁材料饱和影响的问题,提出一种改进的三维等效磁网络模型。该模型考虑了模块化定子齿和转子极靴不均匀饱和,磁极间漏磁、磁极端部漏磁和定子槽内漏磁,能够快速预测具有模块化定转子结构的新型混合励磁同步电机的电磁特性;在建模过程中,根据电机转动时定转子的相对位置,建立相应的气隙磁导等效模型,以进行动态分析。利用该模型,计算了混合励磁同步电机的气隙磁通密度分布、磁链、反电动势和转矩,分析了电机的励磁调节能力。最后,将计算结果与三维有限元、样机实验结果进行比较,验证了该模型的准确性和有效性,为具有三维磁通路径特性的复杂结构电机提供一种快速的初期设计方法。相比于传统模型,该模型精度提高约9.5%;相比于三维有限元法,该模型所需计算时间仅为其0.05%。     

基于移动平均最小二乘法的永磁同步电机位置与转速检测方法EI北大核心CSCD

采用普通分辨率编码器的永磁同步电机在低速运行时会产生位置与转速检测的不精确现象。针对该问题,提出一种基于移动平均最小二乘法(least squares method,LSM)的永磁同步电机位置与转速检测方法。首先,分析传统移动LSM位置与转速检测误差的产生原因,在此基础上提出移动平均LSM位置与转速检测算法。当电机稳态运行时,采用移动采样窗口求取位置基函数;针对采样点不足的问题,通过扩大采样窗口增加采样点,提升位置基函数的计算准确性;在电机起动时,采用动态采样窗口对位置与转速进行检测,提升电机初始运行阶段的位置与转速检测精度。在11.7kW永磁同步电机驱动平台中的实验结果验证了该方法的有效性。     

考虑磁桥不均匀饱和的内置式永磁同步电机等效磁网络模型

为了提高计算精度,提出了一种可考虑磁桥不均匀饱和的内置式永磁同步电机（IPMSM）改进等效磁网络（EMN）模型。在分析不均匀饱和现象产生机理的基础上,将极间磁桥划分为四个子区域,根据每个子区域的几何结构及其磁力线走向搭建相应的多段非线性磁导单元,以考虑磁桥不均匀饱和及饱和偏移现象。以一台20kW车用IPMSM为例,利用所提出的模型对电机的空载、负载磁场及空载反电动势进行计算,并将计算结果与传统EMN模型、有限元分析及实验结果进行对比。结果表明,相比于传统EMN模型,所提出的改进EMN模型对气隙磁通密度和空载反电动势的计算精度可提高4%以上。最后,分析所提出模型的适用性,结果表明,当磁桥内磁通密度最大值与最小值的比大于约1.3时,磁桥不均匀饱和现象严重,需通过所提出的改进EMN模型来准确计算电机的电磁特性。     

可变磁通磁场增强型永磁电机优化设计与分析EI北大核心CSCD

针对永磁电机磁通难以调节以及重载运行时永磁体易遭受不可逆的退磁风险问题,提出了一种新型的反凸极变漏磁永磁电机。该电机的漏磁可随负载变化自动调节,转子的特殊结构增大了电机的d轴电感,从而有效扩大了电机的调速范围;重载运行时能够工作在磁场增强区域,从而极大地降低了永磁体的退磁风险。首先,采用多目标遗传算法对电机转子结构进行了优化,随后用有限元法对电机的气隙磁密、空载反电动势、输出转矩、转矩波动、电感以及磁链等基本电磁特性进行了详细研究,此外,还对电机的机械强度和温升特性进行了分析。优化后电机的输出转矩从55.20 N·m增加到57.38 N·m,转矩脉动从5.62 N·m降低到4.35 N·m,空载反电动势3次谐波幅值从11.87 V降为7.00 V,电机最高温度由62.8℃下降到57.9℃。提出的电机最高运行速度超过10000 r/min远高于传统电机(7200 r/min),验证该优化方法的有效性与电机的可行性。     

考虑风机转速限制及卸荷电路优化的永磁同步电机新型低电压穿越协调控制策略EI北大核心CSCD

世界各国的风电并网导则均要求并网风机具备低电压穿越(low voltage ride-through,LVRT)的能力。传统的LVRT协调控制方案是将故障期间的不匹配能量全部储存到风机转子上以维持直流母线电压的恒定,这种方案没有考虑风机转速越限的问题。该文根据中国国标要求,对传统LVRT协调控制方案中永磁同步电机的升速问题进行详细的理论计算,结果表明该方案下多数风机在恶劣故障期间都会转速越限,从而威胁机组的安全。基于此结论,首先提出一种先存储后卸荷的协调控制方案,该方案能够保证风机转速不越限,但仍会使风机转速在恶劣故障期间达到限值,并且难以对卸荷电路的冲击电流进行优化。为了最大程度上抑制风机转速上升以及更好地优化卸荷电路,最终提出一种变桨距与比例卸荷结合的新型优化LVRT协调控制方案。最后对提出的几种LVRT协调控制策略进行仿真对比研究,验证了理论的正确性和控制方案的有效性。     

平板型永磁直线同步电机推力特性的优化设计

为了抑制永磁直线同步电机的推力波动,提升平均推力,以12槽10极平板型永磁同步直线电机为研究对象,对电机的设计参数进行优化.首先,采用Taguchi法的敏感性分析,从12个设计参数中选出6个敏感参数,确定为优化变量.然后,通过Kriging模型辅助的多目标粒子群优化,获得推力波动和平均推力的Pareto前沿.结果显示,...     

电动车用非对称双盘永磁同步电机全速域驱动控制策略EI北大核心CSCD

针对现有电动汽车存在的高低速区域性能不能兼顾的现状与综合工况效率不高等问题,基于非对称双定子单转子双盘永磁同步电机系统,分析在驱动与弱磁全速域工况下电机效率模型,建立双盘非对称永磁同步电机损耗数学模型,提出基于模拟退火算法的驱动与弱磁全速工况下的转矩协同优化分配策略以拓宽电机综合工况下的高效率区间,提出基于反步控制方法设计转速与电流控制器以提高中低速驱动及高速弱磁下的系统动态特性。通过仿真和实验验证所提方法能够拓宽电驱动系统高效区间、提升系统动态响应与稳态跟踪性能、延长电动车续航里程等特点。     

永磁同步电机准谐振自抗扰电流谐波抑制EI北大核心CSCD

为了抑制永磁同步电机电流谐波并提高系统鲁棒性,提出一种新型准谐振自抗扰控制(quasi-resonant active disturbance rejection control,QRADRC)方法。该方法改进传统扩张状态观测器(extended state observer,ESO)结构,在其扰动估计回路中增加并联准谐振环节,由此构建的新型准谐振扩张状态观测器(quasi-resonant extended state observer,QRESO)作用于线性自抗扰电流环。新型QRESO中的基本ESO用以估计直流扰动,引入的准谐振环节用以估计交流扰动,从而使新型QRADRC既可有效抑制电机参数摄动带来的直流扰动,又能够极大提高电流谐波交流扰动的抑制能力。该文对该型QRADRC的谐波抑制能力和抗干扰能力进行理论分析、仿真和实验验证。结果表明,与传统的比例积分(proportional integration,PI)、比例积分谐振(proportional integration resonance,PIR)、自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)3种方法相比,新型QRADRC方法显著降低了相电流5、7次谐波和转矩电流6次谐波,并且具有面向时变电机参数更强的鲁棒性。