双圈磁钢飞轮电机的设计及优化

反作用飞轮系统是卫星等航天器实现姿态调节的执行机构,目前国内卫星姿态调节用的飞轮电机是常规单层磁钢飞轮电机,根据该系统对飞轮电机的具体性能要求,在常规飞轮电机的基础上提出一种双圈磁钢结构的飞轮电机,以此改善常规飞轮电机气隙磁密波形及反电势波形质量不高、转矩波动和电机损耗大等问题。首先采用有限元软件对双圈磁钢飞轮电机进行结构设计,其次在双圈磁钢飞轮电机尺寸确定的情况下,对电机的磁极对数和极弧系数进行优化,由于双圈磁钢飞轮电机的磁钢产生的磁密在气隙中分布相比常规飞轮电机更加均匀,所以最后将其与常规飞轮电机进行定量对比,对比结果表明,双圈磁钢飞轮电机的气隙磁密波形质量比常规飞轮电机的气隙磁密波形质量更好,其转矩脉动更小,提高了反作用飞轮系统的控制精度和稳定性。同时双圈磁钢飞轮电机的电机损耗更小,增大了飞轮电机的运行效率。     

基于最小铜耗和最大转矩的双三相永磁电机单相缺相折衷容错控制

多相电机缺相后仍具有额外的自由度与灵活性,可以在实现无扰运行的同时提高系统性能。传统容错控制策略或是最小化电机定子铜耗或是最大化转矩输出能力,无法同时兼顾电机驱动系统的运行效率与带载能力。为此,本文通过分析容错运行时不同控制方式下的容错性能,提出基于最小铜耗和最大转矩的折衷容错控制策略。为减少缺相前后控制框架的改变,基于正常解耦矢量控制实现对缺相电机的容错控制。通过在谐波平面注入特定的基波平面电流分量,实现了电机缺相后的无扰运行。为实现所提容错控制策略,额外引入权重系数权衡电机驱动系统产生的定子铜耗与转矩输出能力。通过分析权重系数对容错性能的影响,得出结论：相比最小铜耗控制方式,所提容错控制策略带载能力更强;相比最大转矩制方式,所提容错控制策略运行效率更高,即所提容错控制策略在提高带载能力的同时实现效率最优。最后,双三相永磁同步电机的实验验证了所提容错控制策略的准确性及有效性。     

飞行控制用无刷直流电动机容错运行方式

双重绕组无刷直流电动机构成的双通道机电作动系统(EMA,Electro-Mechanical Actuator),当一个通道故障时可以采用容错运行方式.分析了电动机在双绕组工作与单绕组工作时的机械特性、铜损耗与允许转矩.对样机的机械特性试验曲线分析可知,在相同的电压条件下,两种工作方式的机械特性有相同的理想空载转速,但容错工作时因负载产生的转速降将增大1倍.在功率损耗不变的条件下,容错工作时电动机的允许电流为额定值的1.4倍,允许转矩为额定值的0.7倍,通过样机的温升试验数据充分验证了这一点.探讨了双绕组运行时的电流均衡控制方法以及容错工作采取的措施,并用仿真曲线分析了容错工作方式下的动态性能.      

航天机电作动器中双三相永磁同步电机优化设计

谐波可以应用于多相电机的相电流和反电势中,以提高其输出转矩的能力,但这种增加只适用于谐波阶数低于七阶的情况。与五次谐波和七次谐波注入相比,三次谐波注入可以有效提高双三相永磁电机的输出转矩,且不会产生转矩脉动。本文对双三相电机相电流和反电势注入三次谐波提升输出转矩进行了理论分析。同时对驱动系统进行改进,将每套绕组的两个孤立中性点分别连接到电容器的不同中点上,为三次谐波电流提供流通路径,使两套绕组之间的电流达到平衡。并且提出了一种新的永磁体塑形方法,综合考虑定子齿槽效应、铁芯饱和以及齿尖、极间漏磁,并得到了最优的类正弦反电势。类正弦电流与类正弦反电势相互作用,电机的输出转矩提升了18.2%,且转矩脉动没有增加。最后通过有限元分析和样机实验验证了理论分析的正确性。     

基于最优角度自适应TSF的SRM直接瞬时转矩控制

针对开关磁阻电机（SRM）在换相区转矩脉动大、运行效率低的问题,提出了一种基于最优角度自适应转矩分配函数（TSF）的SRM直接瞬时转矩控制（DITC）方法。首先,在电机全速范围内选取部分代表性转速,获得相应转速下最大平均转矩对应的最优开关角;然后,用离散的最优开关角数据训练改进的BP神经网络,获得全速范围内的最优开关角,从而使TSF根据不同转速动态地调整其形状,获得自适应能力,达到抑制换相区转矩脉动的目的。为验证所提方法的有效性,以一台3相6/4极SRM搭建仿真模型和实验平台,结果表明,所提方法有效抑制了换相区的转矩脉动,并提升了系统的运行效率。      

单向电永磁作动器结构优化与动态特性分析

针对电磁作动器的使用要求,设计出一种具有能耗低、吸力大及响应快等特点的新型单向电永磁作动器。结合有限元仿真软件,利用有限元法研究作动器的结构参数如铁芯齿形结构、平面结构、无永磁结构、铁芯的倾斜角度及衔铁位移（气隙厚度）等因素对作动器电磁吸力和响应速度的影响。结果表明,电磁吸力随着作动衔铁位移的增加而大幅度减小;倾角结构的铁芯设计能使作动器性能达到最佳,且铁芯的倾斜角度为50°时,电磁吸力有最大值3071N。     

基于电感特征的开关磁阻电机电流斩波控制策略

开关磁阻电机（SRM）运行在基速以下时常采用电流斩波控制（CCC），针对传统电流斩波控制中电流动态跟踪能力弱、换相区内转矩脉动大及功率器件开关频率不固定的问题，根据电感曲线的变化特征进行区间分段，提出一种基于参考电流补偿的电流斩波控制策略。在低电感区段内根据电机转速、负载的大小对参考电流进行补偿，提高相绕组在换相过程中的转矩输出能力和动态响应能力；在电感曲线的线性上升阶段，采用固定频率的脉冲宽度调制(PWM)波进行控制，使输出转矩更平滑。搭建三相12/8极开关磁阻电机仿真模型及硬件在环实验平台，考虑电机在不同转速、负载下的运行工况，选取转矩脉动指标进行对比。仿真与实验结果表明：所提控制策略能有效减小开关磁阻电机的转矩脉动，提高电机的运行性能。     

无刷直流电动机旋转感应电压的分析与计算

系统地推导了无刷直流电动机旋转感应电压的通用计算公式,并以这些公式为基础,详细研究了气隙磁密平顶宽度、分布绕组、短距、分数槽、斜槽等因素对旋转感应电压的影响,给出了在保证旋转感应电压是平顶宽度为理想值的梯形波时,转子磁钢和定子绕组设计时应考虑的因素.本文的研究内容为高性能低转矩波动无刷直流电动机的设计提供了理论基础.      

航天器永磁同步电机容错式直接转矩控制

电机被广泛应用到航天器的各种关键机构,要求在故障发生时具有带故障运行能力.永磁电机相比于感应电机、磁阻电机具有高功率密度、高可靠性、高效率、低转矩脉动等优点,五相永磁电机相对于传统三相电机,由于相数的增加,电机具有更高的自由度,提升了电机的容错运行性能,具有更高的可靠性,适用于航天器等场合,但存在着绕组开路故障时转矩脉动大和谐波电流含量大的问题.针对此问题本文选用功率密度高且具有更好容错性能的五相永磁同步电机(PMSM),提出一种改进的容错式直接转矩控制算法,通过对零序电流的抑制来减小开路故障时的转矩脉动和谐波电流.通过MATLAB/Simulink搭建了电机控制系统的仿真模型,验证了所提控制策略的正确性.     

小波网络在直接转矩控制系统低速运行中的应用

针对传统的异步电动机直接转矩控制系统低速运行时存在较大转矩脉动的问题,详细分析了定子电阻变化对系统控制性能的影响,提出了基于小波网络的定子电阻辨识方法.将定子电流的误差和定子电流误差的变化量作为小波网络的输入,网络输出为定子电阻误差的动态估计值;综合应用递推正交最小二乘法与改进的Givens变换训练小波网络参数,利用小波网络良好的时频局部特性可以准确的观测出定子磁链和转矩,优化了逆变器的控制策略.仿真结果对比表明该方法可以有效得改善电动机的低速运行性能,优于采用BP(Backward Propagation)神经网络的方法.      

磁悬浮径向球面纯电磁磁轴承的设计

针对柱面磁轴承偏转时干扰力矩较大问题,本文提出一种径向球面纯电磁磁轴承设计方法。在本设计中,当磁轴承产生偏转或偏移时,电磁力会指向转子球心,从而降低定子磁极对转子产生的干扰力矩,提高磁轴承的控制精度。首先,阐述球面磁轴承的工作原理并建立数学模型,运用等效磁路理论方法和有限元数值方法分析其电流刚度和位移刚度,2种方法的计算结果基本吻合,表明球面磁轴承的有限元分析模型是合理的。接着,运用有限元方法分析球面磁轴承和柱面磁轴承产生偏转时的干扰力矩,结果表明当转子达到最大偏转角0.3°时,球面磁轴承的干扰力矩是柱面磁轴承的干扰力矩的1.8%,表明球面磁轴承相对于柱面磁轴承在抗干扰力矩能力方面有很大的提高。最后,进一步分析球面磁轴承产生X方向或Z方向偏移时的干扰力矩,计算结果与偏转时干扰力矩的量级相当。综上所述,本文提出的径向球面纯电磁磁轴承有低干扰力矩的优点,可用于航天航空工程中惯性执行机构的高精度控制和角速率检测。     

基于双磁钢转子的大力矩飞轮用电机设计

针对卫星快速敏捷和大角度机动的需求,设计了一种基于双磁钢转子的大力矩飞轮用永磁电机。介绍了大力矩飞轮用电机的工作原理和结构构成,给出了主要尺寸的设计准则,并在Maxwell 环境下对双磁钢转子的永磁直流电动机进行了有限元分析。     

旋涡发生器对机翼最大升力和失速迎角的影响

对一个展长为500?mm,弦长为250?mm,翼型为NACA0012的机翼模型,安装各种小三角翼旋涡发生器作低速风洞测力实验,研究小三角翼各种弯度和它与机翼的相对位置对机翼最大升力和失速迎角的影响.实验结果表明当小三角翼与机翼在某个最佳相对位置时,机翼最大升力和失速迎角有个最大的增加.当小三角翼与机翼的相对位置不变时,各种弯度的小三角翼都可以使机翼最大升力和失速迎角有较大的增加,并且相互差别不大.     

Variations in polar rain flux according to IMF geometries observed by STSAT-1

We examined polar rain flux observed by STSAT-1 in the northern polar cap and compared it with solar wind parameters. We found that the differential energy spectrum of polar rain was similar to that of the solar wind for the energy range 100 eV – 1 keV, although we cannot rule out the possibility of a small amount of acceleration. On the other hand, the low-energy component of the solar wind showed no correlation and, naturally, the solar wind density had only a weak correlation with the polar rain flux. Polar rain flux in the northern hemisphere is most significant for the condition of the interplanetary magnetic field components Bz < 0, Bx < 0, and By > 0, and in this case it correlated well with the magnitude of By and Bz. For other interplanetary magnetic field conditions, the correlation was insignificant. The results are consistent with those reported previously.     

The characteristics of sharp (small-scale) boundaries of solar wind plasma and magnetic field structures

We investigate properties of large (>20%) and sharp (<10 min) solar wind ion flux changes using INTERBALL-1 and WIND plasma and magnetic field measurements from 1996 to 1999. These ion flux changes are the boundaries of small-scale and middle-scale solar wind structures. We describe the behavior of the solar wind velocity, temperature and interplanetary magnetic field (IMF) during these sudden flux changes. Many of the largest ion flux changes occur during periods when the solar wind velocity is nearly constant, so these are mainly plasma density changes. The IMF magnitude and direction changes at these events can be either large or small. For about 55% of the ion flux changes, the sum of the thermal and magnetic pressure are in balance across the boundary. In many of the other cases, the thermal pressure change is significantly more than the magnetic pressure change. We also attempted to classify the types of discontinuities observed.     

开关磁阻电机矩角特性模型非线性拟合方法

开关磁阻电机难以采用传统电机分析方法进行建模,通过分析开关磁阻电机电磁转矩生成原理,确定了不同电机饱和状态下电磁转矩与相电感导数之间的关系。用分段函数非线性拟合的方式对电感导数曲线进行建模,再进一步得到开关磁阻电机可逆矩角特性的解析模型,并基于电机的结构参数和约束条件逐一确定和优化了模型的各个参数。利用可逆矩角特性模型,可以方便地计算电机磁化曲线和瞬时磁链,给电机设计及驱动控制带来很大的方便。通过2个样机的实测数据和有限元结果对该模型解析计算结果的准确性进行了验证。      

行星际磁场时钟角与地球磁层开放磁通的关系

地球磁层开放磁通F_pc是研究磁层动力学过程的重要参数之一,其与日侧和夜侧磁尾的磁场重联具有密切关系. 日侧重联率控制稳定状态下磁层开放磁通的大小,主要受各种太阳风条件的影响. 其中,行星际磁场（IMF）的时钟角是影响日侧重联率的一个重要因素. 通过全球MHD模拟,研究了行星际磁场时钟角θ_c与地球磁层开放磁通F_pc 之间的关系. 结果表明,开放磁通F_pc随着行星际磁场时钟角 θ_c逐渐接近180°（纯南向）而逐渐增加,两者之间的关系近似为F_pc∝sin3/2（θ_c/2）. 由于表征行星际磁场与地球磁场剪切程度的θ_c影响日侧重联率,从而控制F_pc,该关系反映了二者之间的物理联系.