模块化定子永磁风力发电机及其控制

针对海上风能开发和利用,提出和设计了一种新型结构的永磁风力发电机。所提出的电机由多个空间均匀移相的模块化定子永磁发电机(MSPMG)组成,每个MSPMG是独立的单相双凸极电机,每个定子模块包含永磁、齿极和线圈,减小了模块间的磁耦合和线圈互感。通过分析MSPMG的电磁特性和发电原理,基于变分原理推导出MSPMG的最优功率控制策略,利用单相H桥全控整流电路实现了对电枢电流的控制。有限元分析证明MSPMG各个模块间的磁路耦合很小,运行状态相互独立,因此该电机具有很强的容错运行能力。基于软件仿真证实了所设计电机及其控制策略的正确性和有效性。     

Dynamic Modeling of Brushless dc Motors for Aerospace Actuation

A discrete time model for simulation of the dynamics of samarium cobalt-type permanent magnet brushless dc machines is presented. The similation model includes modeling of the interaction between these machines and their attached power conditioners. These are transistorized conditioner units. This model is part of an overall discrete-time analysis of the dynamic performance of electromechanical actuators, which was conducted as part of prototype development of such actuators studied and built for NASA-Johnson Space Center as a prospective alternative to hydraulic actuators presently used in shuttle orbiter applications. The resulting numerical simulations of the various machine and power conditioner current and voltage waveforms gave excellent correlation to the actual waveforms collected from actual hardware experimental testing. These results, numerical and experimental, are presented here for machine motoring, regeneration and dynamic braking modes. Application of the resulting model to the determination of machine current and torque profiles during closed-loop actuator operation were also analyzed and the results are given here. These results are given in light of an overall view of the actuator system components. The applicability of this method of analysis to design optimization and trouble-shooting in such prototype development is also discussed in light of the results at hand.     

分数槽集中绕组表贴式永磁同步电机转子损耗

针对损耗模型很难准确地计算转子损耗且三维有限元方法占用大量时间的问题,基于二维运动瞬态有限元法,研究了1台36槽42极单层分数槽集中绕组永磁同步电机在恒转矩区和弱磁区以最大转矩运行时的转子损耗,并且研究了高速工况下永磁体轴向分段数量、槽口宽度以及气隙厚度对永磁体损耗的影响。研究发现,在整个转速区间永磁体损耗占转子总损耗的90%以上;转速低于1 500 r/min时,转子铁心磁滞损耗高于涡流损耗,高于1 500 r/min时涡流损耗明显高于磁滞损耗。永磁体分段能明显降低永磁体涡流损耗;负载工况下改变槽口宽度,永磁体涡流损耗几乎没有变化;增大气隙厚度虽然能降低永磁体损耗,但是效果并不明显;同时,更改槽口和气隙厚度会使电感发生变化,并进而影响电机的运行性能。     

航空发动机内置式永磁容错发电系统的研究

针对内置式航空发电系统高功率密度、高可靠性和高输出性能的要求,提出了基于三相四桥臂的航空用永磁容错发电系统。利用永磁容错电机大电感的特点,改进了传统弱磁控制算法,提出了简单高效的直轴电流I_d解析法弱磁控制,通过实时计算弱磁电流给定实现了宽速范围（3倍额定转速）内的恒压发电控制。同时,根据容错电机磁隔离的特点,以保证故障前后电机定子磁场为圆形旋转磁场为前提,结合电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法实现了单相断路或短路故障的容错发电控制。通过MATLAB仿真验证了控制算法的正确性。最后,对一套7.5 kW永磁容错发电系统进行了算法验证实验,验证了I_d解析法弱磁控制和容错控制的可行性,为后续的系统性能测试打下基础。     

模块化永磁直线游标电机等效磁网络及漏磁分析

在模块化永磁直线游标电机的初始设计及优化设计中,使用有限元方法(FEM)计算漏磁系数时需要耗费大量的建模和计算时间。针对这一问题,建立该种电机的等效磁网络模型,在建模期间,考虑气隙中的边缘效应,并计算永磁体组与定子齿在不同相对位置时的等效磁导,得到该种电机在一个周期内不同相对位置时的漏磁磁导和漏磁系数的数学解析表达式。采用FEM验证了该数学解析表达式的准确性。研究结果为模块化永磁直线游标电机的设计提供了理论依据。     

电磁式双凸极电机电磁特性的理论分析

 对电磁式双凸极电机(DSEM) 的电磁特性进行理论分析。首先给出了定转子齿重叠角与转子位置角的关系式,从理论上验证了DSEM 所有极下定转子齿重叠角之和为常数。然后推导出电感和转矩的表达式,重点分析了DSEM 的电感和转矩特性,最后给出了仿真实例。理论分析与仿真结果均表明:DSEM 的电磁特性在许多方面不同于DSPM。本文将为DSEM 的进一步研究打下理论基础。     

High-performance EHA controls using an interior permanent magnetmotor

A controller for a high-performance electrohydrostatic actuator (EHA) using an interior permanent magnet (IPM) synchronous motor to produce servo motion is described. The buried-magnet design of the IPM motor yields desired characteristics such as high efficiency, robust rotor construction, and wide operating speed range. Power converter size is minimized by using insulated-gate bipolar transistor (IGBT) power switches combined with high-voltage integrated circuit (HVIC) gate drivers in phase-leg power modules. Experimental results for the demonstrator motor-controller hardware rated at 12 hp (continuous) are presented confirming the IPM motor drive's performance     

基于永磁磁链在线辨识的永磁同步电机无速度传感器控制

在无速度传感器控制条件下,研究了基于MRAS的永磁同步电机永磁磁链在线辨识系统。仅辨识速度和永磁磁链两个参数,使得辨识模型满秩,避免了出现设置不同初值获得不同永磁磁链辨识值的问题,确保了参数估计的收敛性和唯一性。分析了欠秩问题的本质,分别推导了速度和永磁磁链的辨识自适应律。仿真结果表明:该控制系统在转速和负载突变下均能准确跟踪转子的速度,具有良好的鲁棒性和动态性能,同时降低了系统参数敏感性。     

永磁同步曳引机变频调速系统的内模控制

永磁同步曳引机是典型的非线性多变量强耦合系统,在同步旋转坐标系下dq轴电流存在耦合,传统的PI控制器无法实现解耦,提出一种基于内模控制原理和空间矢量算法相结合的高性能永磁同步曳引机解耦控制方法,用内模控制策略控制理想电机模型,对定子电流交叉耦合电势动态解耦,提高系统的动态响应性能,同时在整个电流闭环过程中对参数摄动和外扰动具有良好的鲁棒性,这种方法不需要额外的电机参数和检测硬件,试验结果验证了这种方法有效可行。     

永磁电磁轴承产生悬浮力的机理研究

对永磁偏置的主动磁悬浮轴承 (永磁电磁轴承 )产生悬浮力的机理进行了研究,导出了永磁磁通与电磁磁通同时作用时永磁电磁轴承的磁路基本方程及吸力方程,说明了永磁参数对永磁电磁轴承承载能力及刚度系数的影响。结果表明 :当偏置磁通大于饱和磁通的一半时,实际承载能力为最大;增大永磁内部磁动势可以提高轴承的承载力、稳定性及减小功放损耗。     

基于等效磁路法的轴向磁场磁通切换型永磁电机静态特性分析

轴向磁场磁通切换型永磁(AFFSPM)电机是一种轴向长度短、转矩密度高的新型永磁电机。该电机磁场呈三维分布,与径向磁场电机不同,需要对该电机进行三维有限元分析,从而增加了电机分析和优化时的计算时间和成本。基于等效磁路法分析了AFFSPM电机的静态特性,建立了AFFSPM电机的非线性等效磁路模型,采用该模型计算、分析了气隙磁密、空载永磁磁链、反电动势和电感等特性,并与采用三维有限元方法的计算结果进行比较,验证了AFFSPM电机等效磁路模型的准确性,表明等效磁路模型适用于AFFSPM电机初始设计和分析。     

混合励磁电机的技术现状及新进展

在永磁电机的基础上,增设电励磁绕组,以辅助调节永磁磁场,形成混合励磁电机,融合了永磁电机和电励磁电机的优点,应用前景广阔。介绍了混合励磁电机的调磁原理;从电机原型的角度,分析了混合励磁电机的发展思路;以励磁方案为着眼点,提出了一种混合励磁电机的分析方法;结合混合励磁电机的电磁特性,研究了混合励磁电机应用于汽车、风力发电和航空航天等领域的控制方案和系统结构;提出了混合励磁电机技术的研究思路,展望了混合励磁电机的发展趋势。     

基于功率保持的辅助动力装置引气性能计算模型

以带负载压气机辅助动力装置(APU)为对象,分析了其结构特点与工作原理,针对目前工程上常用的APU引气性能计算模型的不足,建立了基于APU与空气涡轮匹配的总体性能数学模型和负载压气机变几何部件特性插值模型。在此基础上,研究了APU功率调节规律,获得了轴功率负载、APU涡轮前温度、排气温度与负载压气机进口导叶角度之间的匹配关系,进而实现了APU全包线内和全工况下的引气性能计算。利用GTCP131-9A试验数据对模型进行了验证,结果表明:引气流量计算误差小于3%,引气压力计算误差小于4%;功率保持下的APU涡轮前温度限制值仅与轴功率负载大小有关,与进气温度无关。研究结论对于带负载压气机APU总体性能计算和调节规律设计提供了参考。      

表贴式永磁同步电机永磁体偏心气隙磁场解析

采用分区域的方法对表贴式永磁同步电机磁极偏心的气隙磁场进行推导解析。将求解区域分为永磁体区域、气隙区域、定子槽区域和基于分离变量法利用各区域的边界条件得出相关系数,并在计及永磁体偏心的情况下求解电机气隙磁场。解析模型能够计算电机空载和负载气隙磁场的分布。将解析模型计算结果与有限元分析结果进行对比,发现所建立的解析模型具有较高的准确度。     

永磁直驱风电系统中最大功率点跟踪控制优化的仿真研究

分析了风力机特性、永磁直驱电机模型、变换器控制策略及各种功率跟踪控制算法优缺点,并提出一种基于爬山搜索法的最大功率点跟踪(MPPT)控制方法的优化。在MATLAB/Simulink环境下搭建了永磁直驱风力发电系统模型,仿真分析了控制方法对最大功率点的跟踪效果,结果表明当风机起动及风速变化时MPPT控制方法能够使系统快速稳定在新的工作点,捕获得最大功率。由此验证了改进优化后的控制方法及所搭建模型的准确性与有效性。     

基于多物理场耦合的直驱永磁同步风力发电机定子绕组优化设计

直驱永磁风力发电机具有结构简单、成本低、运行可靠等优点,在风能发电领域具有潜在的应用价值。以1台1 200 kW直驱永磁同步风力发电机为研究对象,进行了电磁场、温度场及热应力场等多物理场耦合分析,考虑由于温度变化及热变形对永磁体、铜线等电磁材料性能的影响,最终实现电磁性能、温度及形变的收敛,从而更为准确地分析发电机性能。以多物理场耦合分析方法对该发电机进行定子绕组优化设计,使绕组设计更加合理。所得结论对直驱永磁同步风力发电机设计具有一定的参考价值。     

基于单神经元算法的内嵌式永磁同步电机智能驱动控制

基于人工神经网络的内嵌式永磁同步电机(IPMSM)智能驱动控制性能要明显优于传统控制方法,但是存在计算量大和离线训练时间长的问题。针对该问题,提出了一种基于单神经元算法的IPMSM智能驱动控制策略。阐述了永磁同步电机的数学模型及电流转矩控制规律;并基于单神经元的控制原理,推导了驱动控制律,由于采用的是单神经元结构并设置了迭代算法的边界,因此达到了计算量减小和训练较少的效果。最后,搭建了小功率电机驱动试验平台开展了试验研究,并通过与传统PID控制的对比试验,验证了新型控制器的性能。     

基于dSPACE的电动汽车电机调速控制策略研究

为了解决电动汽车无刷直流轮毂电机控制中普遍存在的调速不精确、转速响应慢和自适应性较差等问题,通过分析轮毂电机调速系统特性,研究其对电动汽车整车性能的影响。依据无刷直流电机(BLDCM)简化数学模型,从速度调节角度分析讨论了控制策略,并以电机转速响应迅速且稳定为控制目标,搭建了基于dSPACE的BLDCM快速控制原型试验平台,深入讨论了转速模糊PI控制策略对整车性能的影响。试验结果表明,模糊PI闭环控制策略能有效改善电机的调速性能,提高无刷直流轮毂电机电动汽车行驶的稳定性。     

高速无轴承永磁电机设计与分析

高速电机具有高功率密度、能够减小设备体积与重量,可以直接驱动负载、提高传动效率,在航空航天、新能源、精密制造等领域具有广阔的应用前景。将无轴承永磁电机应用于高速驱动系统,在推导无轴承永磁电机数学模型基础上,提出了高速无轴承永磁电机设计方法。通过对一台额定功率2 300 W、额定转速8 000 r/min、调速范围0~60 000 r/min的高速无轴承永磁电机进行电磁和机械一体化设计,并采用有限元法对样机的电磁性能和动力学性能进行优化。仿真试验结果验证了所采用的设计方法的正确性。     

一体化大功率电动伺服机构设计技术研究

根据大功率电动伺服机构发展趋势,分别从结构一体化、大功率小时间常数永磁同步电机及空间矢量控制、高性能驱动控制等关键技术进行设计研究,研制出大功率、高频响、高可靠的一体化大功率电动伺服机构工程样机。实验结果表明,该样机具有动态响应快、负载鲁棒性强等特点,可为后续高性能一体化大功率电动伺服机构提供研制思路。