2021年, 第20卷, 第5期　刊出日期：2021-10-05

  

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电机技术
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  永磁直线电机磁极拓扑构型研究综述

  严亮, 向芃桔, 孙启昕

  导航与控制. 2021, 20(5): 1-12. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.05.001

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  永磁直线电机(Permanent Magnet Linear Machines,PMLMs)是一种无需机械转换机构可直接产生直线运动的电磁驱动设备,能有效简化系统结构、提高工作效率,在飞机作动系统及交通运输等方面具有重要应用。PMLMs的功率密度及推力大小是决定其应用性能好坏的关键环节,在众多提升其输出力的方法中,优化磁极阵列是一种有效的方法。通过改变磁极阵列拓扑构型进而改变PMLMs的磁场分布,不仅能显著地增强气隙磁场强度,从而提升电机的功率密度,还能进一步减小推力波动等。对国内外PMLMs磁极拓扑构型研究进行了阐述,深入分析了永磁直线电机各种磁极构型及其变体的磁场分布特性和工作原理,探讨并总结了PMLMs磁极拓扑构型对其推力密度及输出力波动等输出性能的影响。最后,针对该类电机磁极拓扑构型发展趋势进行了展望。
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  现代电机优化方法综述

  花为, 顾佳磊

  导航与控制. 2021, 20(5): 13-25. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.05.002

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  电机在装备制造、国防、航天、工业生产和人们的日常生活中得到了广泛的应用,随着转速和功率密度的提升,高性能电机的需求迅速增长,使得高效的电机优化设计方法显得尤为重要。首先,针对基于有限元法的大规模电机优化耗时严重的固有缺陷,总结了有效减少优化时间的最新方法。其次,对于工作点不确定的电机,指出了电机优化设计应当考虑整个驾驶周期以提高整体效率。接着,介绍了诸如温度场、应力场和转子动力学等影响电机性能的多物理场特性,归纳了电机多物理场建模优化方法。再者,考虑到制造过程和实际运行中不可避免的不确定性因素,总结了电机鲁棒性优化设计方法。最后,对电机优化目前有待解决的问题和未来的发展趋势进行了展望。
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  动压气浮陀螺电机技术发展综述

  孙文利, 纪斌, 刘汝婧, 郝磊磊, 郝永勤, 谭映戈

  导航与控制. 2021, 20(5): 26-37. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.05.003

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  因具有高转速、低摩擦和运行平稳的优点,动压气浮陀螺电机在高精度陀螺仪表中得到了广泛应用。首先,介绍了磁滞和永磁两种陀螺电机的类型、工作原理及拓扑结构方案,并对比了不同陀螺电机类型及拓扑结构的优劣。其次,介绍了四种常见的动压气浮轴承结构,分析了每种轴承的承载方式,归纳了用于陀螺电机的动压气浮轴承结构要求。随后,介绍了分析轴承气动性能的常用方法,讨论了槽型结构对轴承气动性能的影响。依据陀螺电机使用需求,归纳了动压气浮轴承的材料选用原则,总结了动压气浮轴承的关键制造工艺。针对陀螺电机性能测试,提出了一种新的测试技术,该技术通过电机反电动势解算电机多项性能参数,能够更准确地判断电机可靠性。最后,对动压气浮陀螺电机的主要发展方向进行了展望。
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  用于变频电机定子绝缘监测的宽频带绕组建模方法综述

  张品佳, 郑大勇

  导航与控制. 2021, 20(5): 38-51. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.05.004

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  定子绕组模型是将定子绕组阻抗频谱和绝缘老化情况联系起来的关键桥梁,为了能够反映不同部位的绝缘老化,需要建立与传统工频模型不同的宽频段的定子绕组模型。从定子绕组绝缘的基本结构出发,整理了已有的定子绕组测量方法与绝缘老化监测之间的关系。按照关注频段的不同,将已有的定子绕组建模方法划分为低频段、中频段和高频段三种类型。根据其侧重点的不同,已有的研究采用不同的方法对当前频域起主导作用的参数进行建模。进一步分析了模型中的参数计算方法,指出了该领域的研究需要在保证参数物理意义明确的前提下寻找精确定量描述各部位绝缘老化与阻抗频谱之间的关系。
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  非对称转子永磁辅助式同步磁阻电机优化设计

  李敏, 赵文良, 杨智铄, 刘炎

  导航与控制. 2021, 20(5): 52-60. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.05.005

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  永磁辅助式同步磁阻电机(Permanent Magnet Assisted Synchronous Reluctance Motor,PMA-SynRM)通过非对称转子设计可有效提高永磁转矩和磁阻转矩的利用率从而提升电磁转矩,但同时也会带来齿槽转矩增加导致转矩脉动过大的问题。基于此,采用定子侧开辅助槽和改变极槽配合及绕组分布形式两种方法来降低非对称转子PMA-SynRM的转矩脉动。通过磁动势分析和有限元方法分析,对两种电机模型的电磁性能进行对比研究。结果表明,采用27槽分布式绕组定子结构的电机模型在保证充分利用转矩成分的前提下可有效抑制齿槽转矩和转矩脉动,同时还能有效提升该非对称转子结构的聚磁特性而提升转矩。
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  外转子交替极伺服永磁电机低转矩脉动设计与综合优化

  梁泳涛, 贾少锋, 梁得亮

  导航与控制. 2021, 20(5): 61-70. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.05.006

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  针对伺服电机减少永磁体用量、降低转矩脉动的需求,研究了削弱外转子交替极永磁电机转矩脉动的方法。对交替极永磁电机转矩脉动的产生机理进行了分析,可以通过永磁体极弧系数优化、永磁机不等极弧系数配合和定子齿偏心结构等方法削弱电机转矩脉动,运用有限元分析软件Ansys Maxwell对电机进行二维建模,并对比了不同优化方法对电机转矩脉动削弱的效果,最终验证了采用多种方法对外转子交替极永磁电机转矩脉动进行综合优化能够有效削弱电机的转矩脉动。
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  基于改进型离散滑模观测器的表贴式永磁同步电机无位置传感器控制

  佟诚德, 葛晨, 郭家旭, 郎杰文, 王明峤, 郑萍

  导航与控制. 2021, 20(5): 71-79. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.05.007

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  传统离散滑模观测器由于在滑模面两侧趋近速度不同,存在十分严重的抖振现象。针对表贴式永磁同步电机无位置传感器控制系统,提出了一种改进型离散滑模观测器,基于趋近律设计了离散滑模观测器,将估计反电势作为反馈项,从根本上解决了该种抖振。为了避免低通滤波器所带来的相位延迟,采用自适应反电势滤波器得到了反电势估计值。将反电势估计值输入归一化锁相环,得到转子位置信息。分析了归一化锁相环在电机加减速过程中存在稳态误差的原因,并对其进行补偿。仿真结果表明,观测器输出的电角度估计误差在±0.4°以内,转速估计误差在±1.5r/min以内,验证了改进型离散滑模观测器的有效性。
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  基于磁链函数的BLDCM无位置传感器控制方法研究

  武紫玉, 黄元峰, 王海峰, 李旺

  导航与控制. 2021, 20(5): 80-88. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.05.008

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  无刷直流电机(Brushless DC Motor,BLDCM)由于结构简单、功率密度高的优点得到了广泛应用。传统的BLDCM无位置传感器控制方法利用反电势过零点进行换相,存在低速时反电势难以辨识的问题,故提出了一种新型的磁链函数方法,将两个反电势做商构造磁链函数,利用磁链函数过零点判断电机换相点解决了反电势低速时难以辨识的问题。相比传统磁链函数法,提出的改进磁链函数解决了高速换相点丢失的问题。此外,还对绕组电阻、电感压降以及滤波电路带来的换相误差角度进行了分析和补偿。实验结果表明,采用提出的无位置传感器换相方法,BLDCM能够在中高速范围内实现准确换相。
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  双三相分段供电永磁直线同步电机电感分析与不平衡抑制

  郭科宇, 史黎明, 郑雲, 李耀华

  导航与控制. 2021, 20(5): 89-104. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.05.009

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  长初级直线电机通常采用分段供电的方式以降低供电成本和提高功率因数,然而初级侧分段会导致电机中的电感不平衡,从而引发推力波动,致使系统性能下降。针对双三相分段供电永磁直线同步电机的六相不平衡问题进行了研究,分别推导出了直线电机的边端供电段和直线电机中间供电段绕组产生的气隙磁场分布的解析表达式以及对应的自感和互感表达式,并且通过有限元验证了表达式的正确性。分析表明,六相电感不平衡的根源在于相邻未供电段铁芯的磁路与供电段铁芯存在耦合而导致的气隙磁密分布中的脉振分量。为了抑制六相电感的不平衡,在供电段之间加入良导体制成的屏蔽层以阻隔相邻铁芯间的磁路,随着电机速度和运行频率的增加,屏蔽层对六相电感不平衡的抑制作用明显提升。最后,分别对加入屏蔽层的电机加载平衡六相电压和通入平衡六相电流后电机的电流、电压、推力及损耗特性进行研究。结果表明,屏蔽层对六相不平衡电压、六相不平衡电流以及由不平衡电流带来的推力波动具有明显抑制作用,同时对铁耗具有明显降低作用。
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  低开关频率下基于MRAS的永磁同步电机无位置传感器控制延时分析

  翁聪, 周明磊, 游小杰, 郝瑞祥

  导航与控制. 2021, 20(5): 105-112. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.05.010

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  在永磁同步电机无位置传感器控制中,系统延时的存在降低了永磁同步电机转子位置观测精度。由于大功率传动系统中逆变器开关频率较低,系统延时的影响尤其明显。针对大功率永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)无位置传感器控制双频计算的特点,分析了系统延时产生的原因及其对转子位置观测的影响,并且根据分析做出了准确的延时补偿,提高了永磁同步电机无位置传感器控制的性能。选择了基于模型参考自适应(Model Reference Adaptive System,MRAS)的永磁同步电机无位置传感器控制进行仿真验证,仿真结果显示经过延时补偿后转子位置观测误差在0°附近,验证了延时分析的正确性及延时补偿的有效性。
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  基于无差拍电流预测控制的六相PMSM容错控制

  徐磊, 许强

  导航与控制. 2021, 20(5): 113-120. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.05.011

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  缺相后的容错控制对于多相电机的控制是一大热点,传统的PI控制器在容错控制中性能受到限制,针对六相永磁同步电机单相断路故障的情况,以两套绕组中性点连接且不连至逆变器端为例,基于定子磁动势不变的原则,以定子电流幅值最小为优化目标求解出定子端剩余相电流,然后建立剩余五相绕组的数学模型,并利用相应的变换矩阵通过构造新的旋转坐标系进行矢量解耦,提出了六相电机在一相断路故障下的矢量控制策略。为进一步改善缺相故障后的控制效果,提出了一种无差拍电流预测控制策略,对电机的数学模型进行离散化处理,用电流预测控制器来取代传统的比例积分电流调节器,实现六相永磁同步电机缺相故障下的无差拍电流预测控制,并基于Matlab/Simulink完成仿真建模和对比分析,验证了控制策略的可行性。
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  多采样率牵引传动控制系统中的电流环建模

  田鑫, 王琛琛, 周明磊, 王剑

  导航与控制. 2021, 20(5): 121-127. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.05.012

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  随着数字控制技术的发展,多采样率控制已被广泛应用于许多工业领域。在牵引传动控制领域,也有许多学者应用了多采样率控制,然而他们大多数对于多采样率下系统模型、特性的分析并不详尽,多采样率控制下电流环设计存在较大挑战。针对以上问题,对牵引传动控制系统中的多采样率控制进行分析,利用多采样率“提升”技术,获得了理想情况下系统电流环的等效单采样率状态空间模型,然后分析了实际情况下电流环数字延时的产生原因与影响,并在此基础上进一步完善了系统模型。Matlab/Simulink仿真结果表明,提出的理论模型是准确的。
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  动压气浮轴承锁紧螺母装配应力分析与改进

  张翰明, 郝永勤, 谭映戈, 朱志刚, 孙亚朋

  导航与控制. 2021, 20(5): 128-136. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.05.013

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  半球型动压气浮轴承应用于微小型陀螺电机,具有精度高、寿命长、功耗小、对中性好等特点,但是此类轴承的润滑层厚度仅微米级,因此对零件加工和装配精度要求很高。生产中发现装配应力分布不均会导致半球零件发生变形,降低工作可靠性。针对上述问题,首先通过建立螺纹连接简化模型计算半球预紧后受到的预紧力。然后利用ANSYS Workbench有限元软件仿真预紧力作用下半球轮廓面的圆度变化,发现半球受到743.49N预紧力后球面圆度下降0.05μm,并进一步通过圆度测量实验验证了仿真结果。最后,提出了一种改进锁紧螺母结构减小圆度变化的方案,改进后在相同预紧力作用下,球面圆周变形分布更加均匀,轴承工作可靠性得到明显提高。
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  非晶合金高速永磁电机定子铁损与效率的计算

  刘明基, 邬烔, 郑茹心, 胡欢, 詹阳

  导航与控制. 2021, 20(5): 137-147. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.05.014

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  高速永磁同步电机具有功率密度高、运行效率高的特点,但随着转速和频率的提高,电机铁芯损耗会比常规电机显著增加,可能发生转子永磁磁钢因温升引起退磁的恶劣故障,影响永磁电机的安全运行。采用低损耗的非晶合金材料1K101作为高速永磁电机的定子铁芯,并采用有限元方法对永磁电机的磁极结构参数进行优化设计,以提高电机的运行性能,然后计算并对比分析了以B30AHV1500硅钢和非晶合金作为定子铁芯的高速永磁电机各部分损耗以及效率。本研究对于高速永磁电机的优化设计及运行性能的提高具有重要意义。
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  微机电系统陀螺仪单层隔热槽结构优化设计

  张浩, 何汉辉, 肖定邦, 曾承志, 吴学忠

  导航与控制. 2021, 20(5): 148-156. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.05.015

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  微机电系统陀螺仪是现代制导武器的核心器件,随着武器装备的发展,国防领域对陀螺仪的综合性能提出了更高的要求,提升性能的重点是要提升陀螺仪谐振结构的品质因数和降低机械热噪声。环形微机电系统陀螺仪是当前最具发展潜力的微机电系统陀螺仪方案之一,为了进一步提升环形微机电系统陀螺仪的性能,基于热弹性耗散理论,在陀螺仪谐振结构的外环上添加隔热槽结构以减小热弹性阻尼和提升品质因数(Q值)。通过有限元仿真的方法研究了隔热槽的位置、数量和尺寸对陀螺仪谐振频率、品质因数、等效质量和机械热噪声的影响规律,进而对环形结构进行了隔热槽的优化设计。仿真结果表明,陀螺仪热弹性品质因数提升了139%,机械热噪声减小了26.9%,研究结果可以用来指导微机电系统陀螺仪的结构优化设计。