直驱型多相永磁同步电机定子磁动势与气隙磁密特性分析

直驱型多相永磁同步电机由于相数多、采用分数槽绕组结构、电机的中性点连接与PWM控制方式多样等特点,使得电机绕组电流与磁场谐波含量极为复杂,电机性能与普通三相电机相比有较大区别,因此,有必要对其电磁特性进行细致的研究。该文建立了直驱型多相永磁同步电机定子绕组磁动势数学分析模型,给出了详细推导过程。研究了电机绕组电流和磁动势的影响因素:相数与供电方式、中性点接法、极槽匹配与绕组分布。全面分析了以上因素对直驱型多相永磁同步电机电流及磁场的影响。研究结果表明,增加电机的相数和极槽数,合理的选择中性点连接方式,可以有效减少电机的谐波含量,提高电机的性能。     

基于饱和磁链模型的永磁电机转子极性鉴别

针对经典高频信号注入法无法鉴别转子极性的问题,基于磁化曲线的非线性,建立了一种永磁电机的饱和磁链模型。根据此模型,可以从高频响应电流中提取出转子极性信号。当位置估计器输出稳定后,通过该信号的正负号来判定转子的N极和S极。仿真结果证明了该方法的正确性。     

电动汽车用永磁电机弱磁调速能力

针对电动汽车驱动系统对永磁电机恒功率调速范围的较高要求,研究了内置V型磁路结构参数对永磁电机弱磁调速能力的影响。采用有限元仿真的方法分析相邻磁极间距和磁极中心植入深度与直轴电感、交轴电感、凸极率、气隙磁密和永磁磁链之间的关系,并由此得到永磁转矩和磁阻转矩的变化规律。结合电机控制器最大逆变电压和输出电流,总结出永磁电机反电势和转子结构参数与弱磁调速范围的关系。样机实验结果表明,通过调整转子磁路结构进而优化电机反电势和凸极率的方法能够有效拓宽永磁电机弱磁调速范围。电动汽车用永磁电机应适当增加转子相邻磁极间距并降低永磁体埋置深度,降低电机反电势的同时增加磁阻转矩,提高恒功率调速阶段带载能力。     

带铜皮套的U型单相永磁同步电动机参数计算

U型单相永磁同步电动机结构简单，为了利于电机的起动，在转子永磁体外侧加一个铜皮套筒。文中利用二维有限元法对电机的磁场分布和气隙磁密分布进行了计算，在此基础上得到了绕组永磁磁链、自感、互感以及感应电动势随转子位置变化的关系曲线，建立了dq坐标下的数学模型和等效电路，为单相永磁同步电机的设计和优化奠定了基础并提供了依据。     

不同转子结构的永磁半直驱同步风力发电机电磁场的计算与分析

以1.5MW永磁半直驱式同步风力发电机为研究对象,设计了定子252槽、转子32极、永磁体在转子嵌放位置不同的发电机方案,建立电磁场二维有限元计算模型。分别给出两台风力发电机空载和负载两种工况下的磁场波形,并给出两台电机各取一个单元电机内的负载径向气隙磁密谐波分解图,同时计算了负载时绕组磁动势的谐波含量。此外,对相同类型结构的小型永磁同步风力发电机的实测数据与理论计算结果进行比较,为设计大容量永磁半直驱风力发电机提供了一些有意义的参考。     

无槽盘式永磁风力发电机有限元分析

阐述了直驱风力发电的盘式永磁发电机的优点,并对电机的结构设计特点进行了分析;设计一台18p、1．1kW的盘式永磁发电机,建立了电机部分模型,对其进行了三维有限元分析与计算,给出了盘式永磁发电机内各部分的磁场分布规律及空载特性,最后分析了磁极厚度和极弧系数对无槽双转子盘式永磁电机的气隙磁密及转子轴向磁拉力的影响,得到一些有益结论。     

电动汽车用六相永磁容错电机的分析和设计

为需满足容错电机各相绕组间的电隔离、物理隔离、磁隔离、热隔离,设计分析、设计一种采用分数槽集中绕组的电动汽车用六相永磁同步容错电机。通过磁动势谐波分析,提出一种新的极槽配合方案以减小因采用集中绕组而带来的永磁体涡流损耗,同时降低了转子极对数,减小了定子铁心损耗。通过分析集中绕组电机产生转矩波动的原因,以及相间解耦后dq0变换下的电感矩阵,确定容错电机的转子设计形式。最后给出整体的电机设计方案和性能参数。     

单双层混合绕组型低互感五相容错永磁电机的电磁问题研究

单双层混合绕组型多相容错永磁同步电机具备良好的相间物理隔离、热隔离和磁隔离能力,通过改变绕组跨距角可以改善定子磁动势谐波分布,在一定程度上降低转子涡流损耗,从而更好地兼顾容错能力和运行性能。该文针对单双层混合绕组型五相容错永磁电机展开研究,基于绕组因数分析,给出该类电机极槽配合选取原则和定子磁动势谐波分布规律,以及典型方案下的谐波比漏磁导系数随绕组跨距角的变化规律。进一步研究容错齿尺寸、模块间气隙宽度、槽口宽度等尺寸对磁动势谐波分布、转矩、互感和齿槽转矩的影响,给出高功率密度、低互感和低齿槽转矩设计原则。通过与传统单、双层分数槽集中绕组电机对比,证明了单双层混合绕组电机在磁隔离能力等方面的优势。研制了五相15槽12极单双层混合绕组电机样机,通过实验对理论分析结果进行了验证。     

非对称V型磁极偏移内置式永磁同步电机转矩脉动分析

当牵引机车采用内置式永磁同步轮毂电机时,转矩脉动偏大,引起振动、噪声,从而影响电机运行性能.针对此问题,首先提出一种非对称V型磁极偏移转子结构;其次,基于绕组函数理论和等效磁路法,分别推导出定子磁动势和转子磁动势表达式,结合洛伦兹力定律,得到转矩脉动解析模型;再次,对比三种磁极偏移方式下的转矩及径向力,确定出最优的磁极偏移方式;最后,对对称V型磁极、非对称V型磁极和非对称V型磁极偏移三种转子结构的转矩脉动、齿槽转矩及气隙磁密高次谐波分别进行仿真实验和比较.实验结果表明,非对称V型磁极偏移结构转矩脉动降低约14％,齿槽转矩降低约78.7％,气隙磁密5、7谐波最小,所提结构能有效抑制转矩脉动,提升电机性能.     

基于反电动势法的双绕组永磁容错电机转子位置估计算法研究

针对双绕组永磁容错电机,在反电动势法基础上,提出一种改进的适用于容错电机的转子位置估计算法。利用每相绕组产生的磁链增量及单位反电动势来估算双绕组永磁容错电机转子的位置,通过锁相环技术进行误差补偿,对该方法中使用到的电机参数进行在线辨识,把辨识结果更新到转子位置估计算法中。通过该方法可以在双绕组永磁容错电机正常工作、单相故障或者多相故障容错的情况下,实现对转子位置以及转速的估计。通过MATLAB/Simulink进行仿真,验证转子位置估算方法的准确性和鲁棒性。     

无轴承永磁同步电机的转子磁场定向控制研究

无轴承永磁同步电机由于功率密度大、转矩脉动低等优良特性受到了高度重视。文中针对一类表面贴装式无轴承永磁同步电机，详细推导出径向悬浮力表达式，建立了准确的数学模型。针对电磁转矩和径向悬浮力之间耦合的特点，采用了基于转子磁场定向的控制策略来实现这类无轴承永磁同步电机的非线性解耦控制。实验证明了该控制算法的有效性。该控制算法对插入式转子结构和内装式转子结构的无轴承永磁同步电机的控制系统设计具有一定的借鉴作用。     

Machine parameters and performance of interior permanent magnet synchronous motors with different permanent magnet volume

Permanent magnet synchronous motors are widely used for several industrial applications. Some applications such as electric vehicles and compressor drives require a constant power operation. The operating limits and the constant power speed range deeply depend on the machine parameters. The relationships between the motor parameters and the operating performance have been theoretically examined. This paper examines the performances of the prototype synchronous motors, where the stator structure and the rotor structure of all motors are the same. The permanent magnets are inserted into the rotor slits and the volume of the permanent magnet is adjusted to control the magnet‐flux linkage. The effects of adding the magnet to the rotor on the machine parameters and the operating performance are examined based on the various experimental results. The prototype motor has flexibility as to speed versus power performance by adjusting the volume of the permanent magnet. The theoretical results with respect to the operating limits and the motor parameters are also confirmed experimentally. © 2000 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 131(4): 70–77, 2000     

永磁同步电机永磁体状况在线监测

提出一种基于卡尔曼滤波器的永磁同步电机永磁体磁场状况在线监测方法。通过选择磁场同步旋转坐标系下定子电流和永磁体磁链为状态变量，构建估算转子永磁体磁链幅值和方向的卡尔曼滤波器。该方法能准确跟踪永磁体真实状况，对电机参数不敏感，鲁棒性强。基于动态估算的电机永磁体磁链，可为永磁同步电机控制系统实时提供准确的转子磁链信息，提高系统控制性能和效率。同时，基于永磁体磁场状况的动态监测，可防止永磁电机失磁状况的恶化，降低不可逆失磁程度，提高系统可靠性。实验结果验证了方法的正确性和有效性。     

考虑永磁磁链谐波影响的直线永磁无刷直流电机矢量控制方法

针对直线永磁无刷直流电机(linear permanent magnet brushless DC motor,LPMBDCM)电磁力纹波及齿槽力影响的最小化控制,该文根据推导得到的表示为电流矢量及永磁磁链导数矢量点积形式的电机推力方程,得出了任意反电动势(back-electromotive force,BEMF)波形表面式永磁(surface- mounted permanent magnet,SPM)电机的矢量控制原理：定向控制电流矢量于永磁磁链导数矢量方向,通过控制电流矢量长度可获得最大效率线性推力(或转矩)控制。考虑永磁磁链谐波对永磁磁链导数矢量幅值及相位的影响,通过引入d￠q￠轴坐标系,提出一种id￠=0的非正弦波BEMF SPM电机矢量控制新方法,结合齿槽前馈补偿可以实现非正弦BEMF SPM电机的最小推力纹波最大效率控制。建立了基于有限元的LPMBDCM 精确相变量模型,对比脉宽调制(pulse width modulation,PWM)电流控制、id￠=0矢量控制的仿真效果,验证了该文方法的有效性。id￠=0矢量控制为非正弦波BEMF SPM电机提供了一种高性能控制新方法。     

采用拼接式转子的内置永磁同步电动机的优化设计

针对传统内置永磁同步电动机漏磁系数较大,隔磁桥机械强度较差等特点,提出一种拼接式转子,这种转子具有若干个独立的铁心,用高强度非铁磁部件通过鸽尾形槽把这些铁心拼接起来,这种转子不需要隔磁桥,所以这种转子能够有效限制漏磁。拼接式转子的铁心具有一些磁障(空气槽),这些磁障可以影响气隙内的磁场分布从而实现近似正弦分布的气隙磁密波形。初步设计了一台基于拼接式转子的3 k W电动机,采用田口法对转子磁障的关键参数进行了优化,并对拼接式转子和传统内置永磁转子进行了对比分析,结果表明所提出的拼接式转子优于传统内置永磁转子。     

多相永磁同步电机缺相故障下的磁链动态特性分析

永磁同步电机(PMSM)电磁动态特性分析对电力传动系统运行与故障诊断策略研究具有重要作用。针对多相PMSM磁链的动态特性进行分析,推导了电感与转子位置关系,基于五相PMSM定子磁链的动态数学模型,采用MATLAB软件对五相PMSM在不同缺相故障下的磁链、电感特性进行建模和仿真,并对仿真结果进行了比较分析。研究结果可以为PMSM缺相故障诊断和容错控制提供一定的理论参考。     

计及多因素影响的永磁电机空载气隙磁密解析计算法

为准确而快速地计算与评估电机的性能,以I型转子结构永磁电机为例,提出了一种计及多因素影响的空载气隙磁密的解析计算法,并用有限元进行了仿真验证。分析了永磁体尺寸、隔磁桥高度和极弧系数等参数对气隙磁密的影响规律,为优化电机方案提供了思路。     

真空泵用定子永磁型与转子永磁型电机热性能对比

针对真空泵用驱动电机在额定运行过程中转子热膨胀积累导致轴承抱死的工程问题,根据实际真空泵驱动工况要求,设计了1台磁通切换永磁同步电机(FSPMSM)。利用有限元软件,分析对比了具有相同技术要求的FSPMSM,表贴式永磁同步电机(SPMSM)和内置式永磁同步电机(IPMSM)的电磁场、温度场及热应力场。综合分析了上述3种电机的性能差异,研究表明:FSPMSM的转子温升、轴承热形变等均优于2台转子永磁型电机。验证了FSPMSM相比于传统转子永磁型电机能更好地减小运行时的转子损耗与温升,为永磁电机拓扑结构的选择和新产品研发提供了科学的参考依据。     

Initial rotor position estimation of interior permanent magnet synchronous motor using optimal voltage vector

The initial rotor position estimation is a serious problem affecting sensorless drives of permanent magnet synchronous motors. This paper presents an estimation method of initial rotor position for interior permanent magnet synchronous motors. The principle of the estimation is based on the nonlinear magnetization characteristics of the stator core caused by the magnet of the rotor. The estimation is performed using the variation of the current response caused by the magnetic saturation when the voltage vector is applied to the motor. This method can be performed without motor parameters and any additional hardware. Decision method of the optimal voltage vector applied to the motor is also proposed to accurately implement the estimation. Experimental results show that the initial rotor position can be estimated without rotating the rotor by using the optimal voltage vector. It is found that the average of the estimation error is ±1.34 electrical degrees, and the estimation is completed within 15.2 ms in the test motor. © 2006 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 156(4): 69–76, 2006; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20062     

多相永磁同步电机磁场解析建模与容错性能分析

为了快速、准确计算多相永磁同步电机(PMSM)在一相或多相绕组故障发生时的容错运行能力,基于傅里叶级数分析方法,在二维极坐标系下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空载、负载磁场解析计算模型,并对气隙磁密、空载反电动势(EMF)以及电磁输出转矩等性能参数进行准确计算。设计制作一台44极48槽12相船舶用内转子SPMSM,并通过有限元分析和试验测试对磁场解析模型的准确性进行了验证。在此基础上,为了提高多相电机的容错能力,以最小等值相电流为优化目标,建立了多相电机驱动系统一相绕组开路故障容错控制策略,并以电磁输出转矩、转矩脉动等性能参数为考核指标,对12相SPMSM的容错性能进行了深入分析,进一步提高电机驱动系统的可靠性。