基于磁链耦合分析的无轴承永磁同步电机通用数学模型

由于无轴承永磁同步电机内部有两套极对数不等的定子绕组(即转矩绕组与悬浮力绕组),所以电机气隙内存在着转矩绕组气隙磁场与悬浮力绕组气隙磁场两种极对数不等的磁场。对转矩绕组与悬浮力绕组之间的磁链耦合情况的分析,是建立精确数学模型的基础。通过应用机械/电气坐标系变换方法详细分析了不同极对数下转矩绕组与悬浮力绕组之间的磁链交链情况,并证明了当转矩绕组极对数PM=1,悬浮力绕组极对数PB=2(或PM=2,PB=1)时转矩绕组磁链ψM与悬浮力绕组磁链ψB之间相互耦合。当转矩绕组极对数PM与悬浮力绕组极对数PB均大于等于2且满足PB=PM±1时,转矩绕组磁链ψM与悬浮力绕组磁链ψB之间没有相互交链,该证明方法概念清晰、简单直观、便于理解。同时基于该证明结论建立了当转矩绕组极对数PM与悬浮力绕组极对数PB均大于等于2且满足PB=PM±1时的无轴承永磁同步电机的通用数学模型。所提出的通用数学模型为无轴承永磁同步电机仿真与实验研究提供了理论依据。     

无轴承永磁同步电机转子磁场定向控制系统研究

无轴承永磁同步电机是具有磁悬浮轴承优点的一种新型电机；在阐述了无轴承永磁同步电机工作原理基础上，采用转子磁场定向控制策略，推导了无轴承永磁同步电机径向悬浮力和电机旋转部分数学模型；根据无轴承电机解耦控制的要求设计了无轴承永磁同步电机转子磁场定向矢量控制系统，并以数字信号处理器TMS320LF2407为核心，研制了矢量控制系统的硬件和软件。实验结果表明：电机工作在0～3000r/min范围内，转子悬浮稳定且电机转速连续可调。     

基于有限集模型预测控制BPMSMS输出性能研究

针对无轴承电机支撑的永磁同步电主轴运行时的电流响应不灵敏、转矩脉动和转子振动等问题,提出基于有限集模型预测控制算法的BPMSMS控制策略。在完整的BPMSMS电压模型基础上,考虑转矩电流和转子位移的影响,进一步推导悬浮绕组模型预测电流方程,建立完整的无轴承永磁同步电主轴模型预测控制下的电流数学模型。根据使用的代价函数分别求出转矩控制和悬浮力控制的最优开关状态量,使得实际电流与参考电流误差更小,以此获得更好的转矩控制效果和转子振动抑制效果。仿真实验结果表明：在有限集模型预测控制下,BPMSMS具有更好的电流跟踪效果,转矩脉动小;在外加负载和干扰力时也能实现转子的稳定悬浮,系统鲁棒性较好。     

基于逆系统理论的无轴承永磁同步电机解耦控制研究

应用多变量非线性控制逆系统理论，对无轴承永磁同步电机的多变量、非线性、强耦合的控制对象进行了动态解耦控制研究；介绍了逆系统理论，阐述了无轴承永磁同步电机径向力的产生机理，建立了转矩力和径向悬浮力状态方程，分析了基于逆系统理论解耦控制的可行性，推导出基于逆系统理论的无轴承永磁同步电机转矩力与径向力之间的动态解耦控制算法。仿真结果表明，这种控制策略能够实现转矩力与径向力之间的动态解耦，并且系统具有良好的动、静态性能。     

电磁激励下开关磁阻电机转子的弯曲振动分析

由于磁链的高度非线性,开关磁阻电机运转时会产生较大的转矩波动,在定子线圈换相时产生很大的径向力;径向力作用于电机转子产生弯曲振动,导致气隙与电磁力持续变化,转子的运动变得十分复杂;因此,磁固耦合情况下的电机转子动力学已成为当前的研究热点。利用转子单齿受力的经验公式,依线圈通电时序获得了转子所受电磁合力的表达式;采用有限元方法建立了电机转子的弯曲振动方程,通过坎贝尔图分析了不同轴承刚度下的转子临界转速;依据数值方法对转子的运动轨迹进行了分析,讨论了转速对转子最大位移的影响。结果表明,在正常转速范围内转子中间节点最大位移不超过气隙尺寸,振动位移谱的能量分布与转速和转子低阶固有频率密切相关。该方法能快速掌握转子的运动规律,为开关磁阻电机设计提供动力学评价。     

永磁同步电动机恒磁链控制特性分析

在永磁同步电机数学模型的基础上,根据电机全磁链ψ0和转子永磁体与定子交链的磁链ψf相等的原则,介绍了恒磁链控制法.并通过推导永磁同步电机电磁转矩与定子电流的数学方程,采用查表法建立电流与转矩的拟合关系,使用MATLAB仿真软件建立电机模型,并将恒磁链控制分别与id=0和最大转矩电流比(MTPA)控制方法做了详细对比.仿真结果表明,恒磁链控制法下系统的稳态误差仅有0.478%,稳定性很优秀,且调整时间分别比id=0控制和MTPA控制要快7.7%和27.6%,且功率因数为0.72,均高于id=0控制的0.62和最大转矩电流比控制的0.67.     

励磁绕组短路下关键运行参数差异对汽轮发电机转子动力学特性的影响

分析了励磁绕组短路下,关键运行参数差异对汽轮发电机转子动力学特性的影响。关键运行参数包括短路程度、短路位置,以及电机负载率;转子动力学特性包括转子不平衡磁拉力激励特性、径向振动响应特性,以及转子铁芯动力学响应规律。基于柔性转子不平衡磁拉力激励与振动响应的理论分析、有限元仿真计算,以及动模试验来探索不同运行参数造成动力学特性差异的规律。结果表明：正常情况下转子不平衡磁拉力趋于零,转子振动以常规基频和定子传递过来的各偶次倍频为主;励磁绕组匝间短路下,转子不平衡磁拉力及其振动响应将产生新的奇次倍频成分,且通频振动幅值增大。随着短路程度或负载的增加,转子不平衡磁拉力与振动响应的基频将增大;短路位置越靠近大齿处,转子不平衡磁拉力与振动幅值越大;转子铁芯大齿的外表面和内槽表面边沿为动力学响应的危险位置。     

数控机床高速无轴承异步电动机悬浮子系统RBFNN逆独立解耦控制

为了实现对数控机床用高速无轴承异步电动机(Bearingless Induction Motor,BIM)动态解耦控制以实现降低悬浮电主轴抖动,提出了一种基于径向基函数神经网络(Radial Basis Function Neural Network,RBFNN)的悬浮子系统自适应独立控制方法。首先,基于RBFNN构建了气隙磁链观测器,因为RBFNN具有较强的自学习和自适应能力,所以辨识的气隙磁链较为精确;其次,基于Hamilton-Jacobi-Isaacs(HJI)原理设计RBFNN逆系统鲁棒控制器,应用基于HJI不等式的RBFNN辨识系统模型不确定和外界干扰,提高系统的稳定性,悬浮子系统动态独立解耦控制得以实现;最后,将磁链辨识器和逆系统鲁棒控制器组成双RBFNN悬浮子系统逆独立控制系统。仿真和实验结果表明,采用该控制方法 BIM系统能获得良好的动、静态性能。     

基于内置力执行器的砂轮不平衡振动主动控制

为了有效的控制由砂轮质量不平衡引起的不平衡振动,本文提出了一种新的控制砂轮不平衡振动的主动控制方案,该控制方案中用来抑制振动的电磁力源于无轴承电机径向磁悬浮力产生的原理。本文首先研究了双绕组感应型电主轴的结构及工作原理,径向控制力的模型及砂轮的受力模型,用有限元法建立了感应型柔性电主轴-砂轮的动力学模型,设计了感应型柔性电主轴-砂轮不平衡振动的主动控制系统,用有限元法分析了当电机转子偏心和不偏心时,控制绕组电流加入对电机内部性能的影响,结果表明该控制方案完全可行并且对抑制砂轮端不平衡振动具有显著作用。     

基于HJI理论的无轴承异步电机悬浮系统滑模鲁棒控制

为了实现对无轴承异步电机悬浮系统动态解耦控制,提出一种基于HJI理论无轴承异步电机悬浮系统滑模鲁棒控制方法。在悬浮系统建模时,将系统不确定性以及外界扰动考虑其中,并通过设计合适的滑模控制律满足HJI不等式鲁棒条件来确保控制系统的稳定性;最终,该方法实现无轴承异步电机悬浮系统动态解耦控制并提高了系统的稳定性和抗扰动性能。仿真和试验结果证明了该方法的有效性,能够实现两自由度无轴承异步电机径向悬浮力之间解耦控制。     

电磁轴承振动传递特性研究

通过有限元方法建立转子的仿真模型,结合电磁轴承动态模型获得整个电磁轴承支承转子闭环系统状态方程。基于该状态空间模型,计算转子受外扰力作用时轴承处力传递率频域响应、在外冲击力作用下位移响应及动态力响应,以此考察电磁轴承的振动传递特性,并与滚珠轴承进行对比。计算结果表明,电磁轴承的刚度阻尼等支承特性与滚珠轴承显著不同,其力的传递率频域响应较平缓,无滚珠轴承支承时某些频率附近的突出峰值。在冲击力作用下电磁轴承支承时,转子位移及动态轴承力振动均能较快恢复稳定状态,振动传递明显减小。     

磁悬浮离心式高速永磁电机控制技术应用研究

基于磁悬浮轴承与高速永磁电机相结合的高速磁悬浮离心式永磁直驱变频机组是中央空调未来发展的方向之一。磁悬浮变频离心机组对永磁电机控制提出了更高控制性能要求和磁浮轴承适应性要求。本文展开了高速永磁电机无传感器控制应用研究。重点对永磁电机无传感器位置观测、最大转矩电流比控制、弱磁控制;电机谐波和轴伸抑制;永磁电机发电模式等进行了研究。最终在磁悬浮机组进行了验证,能很好满足机组性能要求。     

载波注入的无传感器PMSM转子自测角研究

提出一种基于载波电压信号注入的新型无传感器永磁电机转子自测角原理,将电机本体作为旋变器,向电机绕组中注入载波电压激励信号.在分析载波电压信号激励下永磁同步电机数学模型的基础上,研究了基于凸极跟踪转子位置的自测角方法.讨论了载波信号的注入、提取以及包含转子位置信息的高频负序电流的外差处理技术.采用仿真结果进行了分析,通过旋变器的实测结果验证了其正确性.仿真结果表明,以此机理实现的永磁同步电机无传感器控制具有很好的鲁棒性,同时具有良好的静、动态性能.     

载波注入的无传感器PMSM转子自测角研究

提出一种基于载波电压信号注入的新型无传感器永磁电机转子自测角原理,将电机本体作为旋变器,向电机绕组中注入载波电压激励信号．在分析载波电压信号激励下永磁同步电机数学模型的基础上,研究了基于凸极跟踪转子位置的自测角方法．讨论了载波信号的注入、提取以及包含转子位置信息的高频负序电流的外差处理技术．采用仿真结果进行了分析,通过旋变器的实测结果验证了其正确性．仿真结果表明,以此机理实现的永磁同步电机无传感器控制具有很好的鲁棒性,同时具有良好的静、动态性能．     

气隙轴向静偏心对发电机定子-绕组受载及振动的影响

通过理论推导、有限元计算和实验验证,研究了气隙轴向静偏心前后同步发电机定子及绕组的受载与振动特性变化。与其他大部分气隙径向偏心的研究不同,本文重点关注气隙轴向静偏心下定子?绕组的受载及振动特性。在分析气隙磁密变化的基础上,推导得到了正常和气隙轴向静偏心下定子径向及轴向不平衡磁拉力、绕组电磁力的表达式。以 CS?5 型发电机为分析对象,进行了有限元仿真计算和实验验证。结果表明,气隙轴向静偏心会在减小定子径向磁拉力和转子抽空端定子绕组电磁力的同时增加定子轴向不平衡磁拉力和转子伸出端定子绕组电磁力,对应地,定子径向振动和转子抽空端定子绕组振动将减小,但定子轴向振动和转子伸出端定子绕组振动将增大;定子轴、径向磁拉力和绕组电磁力及振动均以二倍频为主,夹杂其他各偶次倍频。在定子磁拉力作用下,定子铁芯齿槽端部为最大变形位置;在定子齿槽变形挤压和电磁力共同作用下绕组直线段与端部的连接处易发生磨损,在制造及运行中需给予特别注意。     

径向磁轴承动态刚度系数及其耦合分析

为了研究径向磁轴承磁力、磁力矩刚度系数随转子位置、控制电流的变化规律及耦合关系,由磁力线与硅钢片垂直几何关系建立了12磁极径向磁轴承磁力、磁力矩模型,对转子位置变量、控制电流求导得到磁力、磁力矩动态刚度系数。计算结果表明:转子在一端磁轴承的位置移动后,会降低其在另一端磁轴承的稳定性。随转子位置变化,动态刚度系数变化较大,当转子径向位移较大时,单个磁轴承的x、y方向存在一定程度的耦合。两径向磁轴承之间的耦合及z方向磁力、磁力矩较弱,可予以忽略,刚度系数矩阵可从3×6简化为2×4。     

基于定转子齿开槽的开关磁阻电机振动噪声抑制EI北大核心CSCD

振动噪声的抑制是近年来开关磁阻电机研究的热门领域。根据麦克斯韦张量法理论分析了径向磁拉力减小的原理,通过在定子齿顶、转子齿两侧同时开矩形槽,增大了定转子间气隙长度的同时又将一部分沿径向方向的磁通密度改变为切向方向,减小了径向磁拉力,达到抑制电磁振动的目的。利用参数化扫描的方法,对开关磁阻电机的开槽参数进行了优化,得出开槽尺寸,并对比分析开槽前后电机的径向磁拉力。运用Ansys Workbench模块分别对定转子齿开槽前后的电机定子进行模态、谐响应以及噪声分析,得到其模态固有频率、模态参与因子、振动响应频率以及声压频谱。分析结果表明:该方法有效减小了开关磁阻电机的径向磁拉力,改善了开关磁阻电机的振动和噪声。     

浅析异步电动机直接转矩控制系统

直接转矩控制是一种新型异步电动机变频调速技术。根据定子磁链和输出转矩直接选择相对合适的电压矢量,通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度,从而改变定子、转子磁链矢量之间的夹角,进而实现对电动机转矩的控制。其优点是不需要对电机数学模型进行简化处理和复杂的矢量变换,控制系统结构简单,控制手段直接,转矩动态响应快。     

燃料电池车用超高速空压机临界转速分析与提高措施

针对空压机进气增压可提高大功率燃料电池发动机性能和功率密度,但空压机超高速电机转子-轴承系统存在共振失稳乃至断轴的实际工程问题.本文采用有限元法建立空压机高速电机轴承-转子系统动力学模型,基于ANSYS软件对某超高速永磁电机转子进行动力学仿真,分析某燃料电池空压机高速电机转子-轴承系统的临界转速,揭示轴承刚度、轴承位置以及转轴质量等因素对临界转速的影响规律,并提出改善措施.结果显示,增大轴承刚度、适当减小轴承跨距以及减轻转轴的质量可以有效地增加转子轴承系统的临界转速.     

基于复合前馈补偿的混合磁悬浮CMG转子主动振动控制

为实现混合磁悬浮控制力矩陀螺转子高速旋转时产生与转速同频振动的主动控制,分析被动磁轴承径向平动自由度耦合磁力随转子径向扭转角的变化规律,提出基于复合前馈补偿的混合磁悬浮转子主动振动控制方法;在同频位移刚度力超前前馈补偿中考虑被动磁轴承径向耦合磁力影响,并在两径向通道之间补偿同频耦合电流刚度力。仿真结果表明,该方法可使同频轴承力减小至未补偿前的9.3%,从而验证该方法的有效性。