无轴承永磁同步电动机的独立控制研究

传统无轴承永磁同步电机的控制方案由于悬浮绕组的控制必须获得转矩绕组传递的气隙磁场幅值和相位信息，使得转矩绕组和悬浮绕组的控制策略受到相互制约。文中采用传统的电压-电流模型方法辨识出所需的转矩绕组气隙磁链，使电机的电磁转矩和悬浮力控制实现独立控制，从而极大的提高了无轴承永磁同步电动机在超高速领域的实用性。实验结果表明该独立控制方法能较好地满足电机径向悬浮的稳、动态性能要求。     

无轴承绕线型异步电机瞬态响应的有限元分析及实验研究

无轴承电机集磁性悬浮与转矩驱动于一体,具有无摩擦、无磨损、无损耗、免维修、寿命长等独特优点,从根本上改变了传统的支承与传动形式.该文介绍一种无轴承绕线型异步电机,通过瞬态有限元分析法(TFEM)计算其径向力和转矩的瞬态响应,结果表明该无轴承电机可以同时产生支承转子重量的稳定径向力与恒定转矩,且其控制电流相互独立,与鼠笼型转子无轴承异步电机相比,前者能够产生更有效的径向力,且转矩不受径向力绕组电流干扰;并在基于SVM-DTC的磁悬浮异步电机悬浮子系统独立控制实验平台上加以测试,结果表明该系统能够实现了无轴承绕线型异步电动稳定悬浮.     

一种无轴承开关磁阻电机悬浮性能分析

提出了一种新型结构无轴承开关磁阻电机,其结构简化,运行过程中不需要切换控制绕组,降低了控制系统的复杂性。分析了该电机的结构特点和悬浮原理,并基于有限元计算法对新型结构电机和常规结构电机进行了比较,包括:1)两种电机在旋转过程中转子径向气隙磁密分布、径向力产生情况以及产生悬浮力的同时对静态输出转矩的影响;2)比较了控制绕组通电电流变化时产生径向力情况及对静态旋转转矩的影响。性能分析及比较结果表明,新型结构无轴承开关磁阻电机具有优良的悬浮与旋转性能,研究结果为该电机的进一步建模及运行控制建立了基础。     

无轴承永磁薄片电机的新型单绕组结构及其精确控制

针对双绕组无轴承永磁薄片电机绕组间绝缘要求高、槽满率低、电机漏磁大等缺点,提出了一种新型单绕组无轴承永磁薄片电机(M-BPMSM)结构,在每相绕组端部通入转矩电流,同时在绕组中点处注入悬浮力电流,实现薄片转子的旋转和悬浮。阐述了M-BPMSM的悬浮力产生原理,推导了其径向悬浮力的精确数学模型。在该模型的基础上建立了一种悬浮力双闭环补偿控制策略,当电机负载变化导致悬浮力幅值和方向改变时,使用该策略可以对径向悬浮力进行补偿,实现悬浮力的精确控制。利用MATLAB软件构建了仿真系统,仿真结果表明:采用悬浮力双闭环补偿控制策略对M-BPMSM进行控制,径向悬浮力具有较高的控制精度和较快的响应速度,且具有良好的动、静态性能。     

无轴承同步磁阻电机的悬浮系统控制策略

传统无轴承同步磁阻电机悬浮系统控制方案的前提都是获取转矩绕组和悬浮绕组的电流,没有考虑转矩绕组气隙磁链影响,影响悬浮系统控制精度。重新建立了基于转矩绕组磁链的无轴承同步磁阻电机悬浮力方程,采用电压-电流模型法观测转矩绕组气隙磁链,设计了新型滤波环节,实现了基于转矩绕组磁链观测的无轴承同步磁阻电机悬浮系统独立控制。对样机控制系统进行了仿真和实验研究,仿真和实验结果表明该控制方法使悬浮系统具有良好的动、静态性能。     

一种新型双三相无轴承永磁同步电机结构原理及控制研究

针对传统无轴承永磁同步电机内部两套绕组结构复杂、可靠性低等缺点,提出了一种新型双三相绕组结构的无轴承永磁同步电机。电机采用分布式绕组结构并分为两个空间对称的独立三相绕组单元,通过两个三相逆变器在两个绕组单元中同时通入两组不同序列的电流实现电机的无轴承运行。推导了悬浮力与转矩数学模型。在Ansoft中建立有限元模型,分析了电机在两组电流控制下的磁场分布状况,分别计算了悬浮力与转矩随电流变化的关系,以及偏心磁拉力与转子偏移量的关系,仿真模型计算结果与理论模型计算结果基本吻合。建立了一种控制电机对称相电流不平衡的控制策略,将电机等效为两个普通三相电机,两个电机控制部分中的空间矢量脉宽调制模块SVM所需的信号由转矩电流参考值和悬浮力电流参考值合成再调制得到。采用Matlab软件构建了仿真系统,仿真结果表明,本文提出的双三相无轴承永磁同步电机在该控制策略下能够实现转子的高速旋转与稳定悬浮。     

无轴承开关磁阻电机磁饱和特性的电磁场分析

阐述了无轴承开关磁阻电机径向悬浮力产生的原理,考虑电机内复杂的磁场饱和情况,定性分析了主、副绕组电流大小对悬浮力的影响.计及磁场饱和,建立了无轴承开关磁阻电机的有限元分析模型,以一台3kW样机为例计算了各种主、副绕组电流组合时的转矩与悬浮力.数值计算结果验证了定性分析所得结果,表明无轴承开关磁阻电机在运行中存在比传统开关磁阻电机更加复杂的磁饱和现象,磁饱和使得电机悬浮力与绕组电流关系严重非线性,而且悬浮力大小并非总是随绕组电流的增加而增加,存在随电流增加悬浮力减小的情况,这必然给稳定悬浮控制带来困难.     

无轴承感应电机悬浮绕组独立控制仿真研究

阐述了无轴承感应电机的悬浮原理及悬浮绕组独立控制的基本思想。将无轴承感应电机等效成2台电机,即转矩电机和悬浮电机,按照电压模型法建立转矩绕组气隙磁链观测器,结合位移调节器计算出悬浮绕组的电流。建立了无轴承感应电机悬浮绕组独立控制的Matlab/Simu-link仿真模型;仿真结果合理。     

无轴承薄片转子永磁电动机有限元分析

无轴承薄片转子永磁电动机在特殊的液体传输领域具有广泛的应用前景.本文首先介绍了电动机的工作原理,推导了电机的径向悬浮力数学模型;然后用有限元Ansys软件,分析了电机转矩绕组和径向悬浮力绕组分别产生的磁场以及合成磁场的分布情况,来验证径向悬浮力产生的原理.最后分析计算了电机在转矩绕组电流不变时径向悬浮力和径向悬浮力绕组中电流的关系;并分析了在气隙不变时径向悬浮力与永磁体厚度之间的关系,以及在永磁体厚度不变的条件下,径向悬浮力和气隙大小之间的关系.研究结果对无轴承永磁薄片转子电机的优化设计具有参考价值.     

无轴承开关磁阻电机的减振控制策略

脉动的径向电磁力导致的定子振动问题阻碍了磁阻电机的推广应用。该文研究了一种利于减小无轴承开关磁阻电机(bearingless switched reluctance motor，BSRM)定子电磁振动的悬浮运行控制策略。该控制策略在保证电机转子悬浮所需悬浮力一定的前提下，以减小定子极受到的径向电磁力为控制依据。基于悬浮运行原理和数学模型，叙述了减振控制策略的基本原理；推导了主绕组电流、悬浮绕组电流、开通关断角等电机相关控制参数的计算方法；并给出了系统控制框图。仿真和实验结果均证实了新的控制策略不仅能实现电机的稳定悬浮旋转运行，同时有利于减小 BSRM 定子电磁振动，验证了理论分析的正确性和可行性。     

Analysis of Winding Forms for Bearingless Flux-Switching PM Motor with U-core Stator Laminations

Due to low-cost and magnet-free rotor structure, bearingless flux-switching permanent magnet motors (BFSPMs) are more applicable to high-temperature and/or disposable applications. A BFSPM with U-core stator laminations is investigated in this paper. First, the operational principle is analyzed in accordance with the influence of winding connection manners on torque and radial forces, and then the basic winding arrangement for torque windings and radial force windings is determined. The mathematical models of torque and radial forces are derived based on the basic winding arrangement. Followed by that, a method to select winding terminal connection manners is proposed by taking into account control scheme and power inverter topologies. A promising terminal connection is found from three possible candidates and a detailed current model for torque and radial force control are given for the promising winding forms. Finally, relevant electromagnetic properties of the motor are verified and analyzed by finite element analysis.     

基于退磁限制的无轴承永磁同步电机性能参数分析

无轴承永磁同步电机磁场中不仅存在转矩绕组电流产生的磁通,而且存在径向悬浮力绕组电流产生的磁通,这两种磁场会导致永磁体退磁。设计永磁体参数需考虑产生最为有效径向悬浮力、电磁转矩和避免永磁体退磁三者之间的关系。论文分析了转矩绕组电流产生的磁通和径向力绕组电流产生的磁通共同作用下,转子表面永磁体容易引起退磁的关键区域;在电机气隙不变情况下,分析得出了保证产生最为有效的径向力时最佳永磁体厚度;基于永磁体退磁限制,采用有限元分析计算,针对论文中设计的永磁体厚度及气隙长度,得出了无轴承永磁同步电机最大转矩电流、径向悬浮力电流和产生的最大径向悬浮力。     

多相电驱重构型车载充电系统绕组开路故障诊断与容错控制

电动汽车(EV)用电驱重构型车载充电系统(EDROC)因其突出的商业价值成为国内外学者的研究焦点。文中针对六相EDROC充电模式中单相绕组开路故障条件下的故障诊断与容错控制进行研究。首先,介绍了六相EDROC的电路拓扑与基本工作原理;其次,针对绕组开路故障问题,提出一种简单易行的故障诊断方法,包括故障检测与故障定位两个环节,分别通过判断电流矢量的角度变化率与绕组电流平均极性实现;然后,研究了系统单相开路故障下的容错控制,通过重新分配绕组电流幅值与相位,实现网侧电流平衡与无旋转磁场;最后,搭建了实验平台,实验结果验证了所提故障诊断方法与容错控制的正确性。     

Radial Force Analytic Modeling for a Novel Bearingless Switched Reluctance Motor When Considering Rotor Eccentricity

Abstract—Analytic modeling of radial forces is proposed for the novel bearingless switched reluctance motor, where the rotor eccentricity is taken into account. The novel bearingless switched reluctance motor's model is never disclosed, even though there are many advantages, such as fewer suspension windings and simpler control circuit and algorithm, when compared to the conventional bearingless switched reluctance motor. The analytic model of radial forces is very important to achieve this new bearingless switched reluctance motor's suspension control. The rotor eccentricity is a key cause to affect the radial forces. This article calculates the air-gap permeances through considering rotor eccentricity. The self-inductance and mutual-inductance expressions of the motor torque windings and the suspension windings are derived by using the magnetic equivalent circuit method. The derived radial force model discloses the effects of winding currents, rotor position angle, and rotor eccentricity displacement. The finite-element analysis based results verify the built model.     

无轴承异步电动机的有限元分析

阐述无轴承异步电动机径向悬浮力产生原理及其数学模型。用有限元方法分析了无轴承异步电动机气隙磁场分布状况及径向悬浮力与绕组中电流之间的非线性关系，为无轴承异步电动机获得最大径向悬浮力的优化设计及对应的控制策略提供了依据。     

新型无轴承开关磁阻电机双相导通数学模型

针对传统无轴承开关磁阻电机数学模型单相电流导通模式的局限性,提出了一种适用于单、双相导通的无轴承开关磁阻电机数学模型.在建立两相电流导通的等效磁路模型基础上,确定电感矩阵,推导出两相电流导通的径向悬浮力和电磁转矩的表达式.基于该数学模型的双相电流导通模式极大程度地拓宽了无轴承开关磁阻电机的工作区域,增加了其承受径向负载的能力.利用磁场分析法验证了该数学模型的正确性和优良的工作特性.     

定子错位型混合励磁轴向磁通切换电机容错控制策略研究

定子错位型混合励磁轴向磁通切换(twisted-stator hybrid axial field flux-switching,TS-HAFFS)电机,具有轴向尺寸短、转矩密度大、调节范围宽、容错能力强等优点,适用于电动汽车驱动系统。为提高电驱动在系统故障状态下的运行性能,基于一台三相6/10极TS-HAFFS电机,提出一种基于恒定磁动势法的励磁绕组容错控制策略,并分别对电枢绕组容错策略和励磁绕组容错策略下TS-HAFFS电机控制系统进行仿真研究与实验验证。仿真与实验结果表明,单相绕组开路故障时2种方法均可维持电机转速、转矩基本不变,保证系统带故障运行的稳定性。相比于电枢绕组容错策略,采用励磁绕组容错控制的TS-HAFFS电机容错控制系统具有更广泛的应用场景和更好的系统性能,适用于电动汽车调速控制。     

基于I-ω法磁场辨识的无轴承异步电动机矢量控制

集旋转与悬浮于一体的无轴承异步电动机是一个非常复杂的非线性系统,电磁转矩与径向悬浮力的非线性解耦是实现电机稳定悬浮运行的基础.气隙磁场定向控制算法复杂,且没有实现两者的动态解耦.提出了基于转矩绕组转子磁场定向控制算法,径向悬浮控制所需的气隙磁场通过I-ω实时辨识.仿真结果表明,电磁转矩与径向悬浮力实现完全解耦,验证了所提方案的有效性.     

无轴承异步电机磁场定向控制策略分析

针对无轴承异步电机电磁转矩和悬浮力强耦合特性，研究了基于转矩控制绕组气隙磁场定向控制和转子磁场定向控制的无轴承异步电机控制策略，进行了对比分析。分析表明：气隙磁场定向控制中存在最大转矩限制、非线性机械特性，难以实现自适应控制等问题；对转子磁场定向控制而言，当负载或转速变化时，由于转矩控制绕组转矩电流变化将导致气隙磁场发生改变，如果仍以转子磁场近似替代气隙磁场作为悬浮依据，必然影响到悬浮控制性能。文中通过仿真和实验对以上2种控制策略下的系统动、静态性能进行了分析和比较，结果验证了以上所述观点的正确性。