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表面—内置式永磁转子同步电机特性分析及优化设计

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表面—内置式永磁转子同步电机特性分析及优化设计

作者：张露锋河南理工大学

学位级别：硕士

表面-内置式永磁转子同步电机(surface-mounted and interior permanent magnet synchronous motor,简称SIPMSM)是一种采用表面式永磁体和内置式永磁体串并联的新型混合磁路永磁同步电机,有效集成了传统表面式永磁同步电机和内置式永磁... 详细信息

表面-内置式永磁转子同步电机(surface-mounted and interior permanent magnet synchronous motor,简称SIPMSM)是一种采用表面式永磁体和内置式永磁体串并联的新型混合磁路永磁同步电机,有效集成了传统表面式永磁同步电机和内置式永磁同步电机的优点,具有较好的应用前景。本文以这种新型结构的电机为对象,对SIPMSM的机械特性和电磁特性进行优化,并对三维全域温度特性以及实现其异步起动时的一些基本特性进行研究。本文研究的主要内容如下。1.分析了SIPMSM的表面式永磁体充磁方式及结构对电机空载反电势的正弦特性、齿槽转矩、转矩波动和功率因数的影响。采用有限元法对SIPMSM的表面式永磁体进行优化。建立SIPMSM不同充磁方式和结构的有限元模型,计算其瞬态磁场,研究额定负载下的气隙磁密分布。分析其不同充磁方式和结构对空载反电势正弦特性、齿槽转矩、转矩波动和功率因数等的影响,确定出SIPMSM最佳的充磁方式和结构。计算结果表明,优化后的SIPMSM的性能得到有效改善。2.采用定子斜槽的技术优化了SIPMSM的齿槽转矩,并分析了斜槽对SIPMSM基本性能的影响。运用电机的齿槽转矩为单个槽齿槽转矩叠加的理论,推导出定子斜槽时单个槽的齿槽转矩、电机总的齿槽转矩表达式,求解消除齿槽转矩定子槽倾斜的角度。分别建立定子直槽和斜槽时SIPMSM三维有限元模型,分析定子槽倾斜角度对SIPMSM齿槽转矩、转矩波动、空载反电势、功角特性、效率和功率因数等性能的影响。样机测试结果与计算结果对比可知,定子斜槽可以有效降低齿槽转矩、减小转矩波动、改善空载反电势的正弦性。3.采用田口法对SIPMSM进行多变量和多目标的优化设计。引入一种统计学方法—田口法实现SIPMSM的多目标优化设计。选取齿槽转矩、电磁转矩波动、转矩永磁体重量比和力能指标等特性作为优化目标,并确定了对目标特性影响较大的优化参数和参数影响因子取值范围。建立参数影响因子和优化目标的实验正交矩阵,利用有限元法进行求解,分析参数的影响因子对SIPMSM目标性能的影响比重,从而确定使SIPMSM综合性能最佳的参数组合。对比优化前后的目标特性,表明优化后SIPMSM的综合性能得到极大的提高。4.采用电磁场-温度场耦合分析的方法对SIPMSM在不同工况下的三维全域温度场进行了分析。采用电磁场-温度场耦合分析的方法对SIPMSM的三维全域温度场进行计算。建立SIPMSM的电磁场和温度场有限元模型,分析在同步运行速度下负载和永磁体退磁对SIPMSM三维全域温度场的影响,也分析了在额定负载下运行速度对SIPMSM三维全域温度场的影响。仿真与实验结果对比,验证了SIPMSM三维全域温度场计算结果的正确性。5.提出一种实现SIPMSM异步起动的拓扑结构,分析了铜层厚度、永磁体厚度和退磁对其起动性能和同步性能的影响。提出一种异步起动SIPMSM,异步起动SIPMSM通过定子旋转磁场和转子起动铜层间的相互作用产生异步起动转矩。采用解析-有限元法对异步起动SIPMSM进行性能及关键参数优化,研究了起动铜层厚度、永磁体厚度等参数对起动性能和同步运行性能的影响,从而确定最优的铜层厚度和永磁体厚度。建立优化后的异步起动SIPMSM的电磁场有限元模型,分析异步起动SIPMSM在永磁体不同退磁状况下的起动性能和同步运行性能,并通过三维温度场有限元模型分析了不同退磁状况下的温度场分布。结果表明异步起动SIPMSM具有较好的动态性能和稳态运行性能。

关键词：表面—内置式永磁转子同步电机优化设计定子斜槽技术多目标优化算法三维全域温度场异步起动

异步起动表面-内置式永磁转子同步电机特性分析及优化

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电工技术学报 2017年第9期32卷 63-69页

作者：司纪凯张露锋封海潮朱艺锋 Wenping Cao 河南理工大学电气工程与自动化学院焦作454003 阿斯顿大学工程与应用科学学院

提出一种异步起动表面-内置式永磁转子同步电机(LSSIPMSM),LSSIPMSM通过定子旋转磁场和转子起动铜层间的相互作用产生异步起动转矩。采用解析和有限元法相结合的方法对LSSIPMSM进行性能分析及关键参数优化,研究了起动铜层厚度、永磁体... 详细信息

提出一种异步起动表面-内置式永磁转子同步电机(LSSIPMSM),LSSIPMSM通过定子旋转磁场和转子起动铜层间的相互作用产生异步起动转矩。采用解析和有限元法相结合的方法对LSSIPMSM进行性能分析及关键参数优化,研究了起动铜层厚度、永磁体厚度等参数对起动性能和同步运行性能的影响,从而确定最优的铜层厚度和永磁体厚度。建立LSSIPMSM的电磁场有限元模型,分析LSSIPMSM在永磁体不同退磁状况下的起动性能和同步运行性能,并通过三维温度场有限元模型分析了不同退磁状况下的温度场分布。通过仿真结果的对比分析,验证了LSSIPMSM具有较好的动态性能和稳态性能。

关键词：表面-内置式永磁转子同步电机异步起动退磁温度场动态性能稳态性能

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永磁同步电机转子磁极优化技术综述

中国电机工程学报 2017年第24期37卷 7304-7317页

作者：王凯孙海阳张露锋刘闯诸自强南京航空航天大学自动化学院江苏省南京市211106 英国谢菲尔德大学

永磁同步电机的电磁转矩、转矩波动、电磁振动与噪声等电机性能与气隙磁密波形密切相关。减小气隙磁密中的谐波含量能够有效地削弱齿槽转矩、抑制转矩脉动,减小电机振动,提升电机的整体性能。对表贴式和内置式永磁同步电机来说,可以分... 详细信息

永磁同步电机的电磁转矩、转矩波动、电磁振动与噪声等电机性能与气隙磁密波形密切相关。减小气隙磁密中的谐波含量能够有效地削弱齿槽转矩、抑制转矩脉动,减小电机振动,提升电机的整体性能。对表贴式和内置式永磁同步电机来说,可以分别通过优化永磁体形状和转子表面铁心形状(统称为转子磁极优化技术)来减小气隙磁密中的谐波含量。该文回顾并总结了近年来国内外学者在永磁同步电机转子磁极优化技术方面所进行的研究工作,将不同的转子磁极优化技术进行归类,比较其优缺点。最后探讨了转子磁极优化技术尚存在的一些问题和未来发展的主要方向。

关键词：永磁同步电机转子磁极优化技术齿槽转矩转矩纹波振动和噪声

一种表面-内置式永磁转子同步电机三维全域温度场分析

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电机与控制学报 2017年第3期21卷 25-31页

作者：司纪凯张露锋封海潮许孝卓张新良河南理工大学电气工程与自动化学院河南焦作454003

针对表面-内置式永磁转子同步电机(SIPMSM)具有结构紧凑和功率密度高的特点,准确计算SIPMSM各部件的温度分布非常重要。采用电磁场-温度场耦合分析的方法对SIPMSM的三维全域温度场进行计算。建立SIPMSM的电磁场和温度场有限元模型,分析... 详细信息

针对表面-内置式永磁转子同步电机(SIPMSM)具有结构紧凑和功率密度高的特点,准确计算SIPMSM各部件的温度分布非常重要。采用电磁场-温度场耦合分析的方法对SIPMSM的三维全域温度场进行计算。建立SIPMSM的电磁场和温度场有限元模型,分析在同步运行速度下负载和永磁体退磁对SIPMSM三维全域温度场的影响,也分析了在额定负载下运行速度对SIPMSM三维全域温度场的影响。通过仿真与实验结果的对比分析,验证了样机模型的合理性和计算结果的正确性。

关键词：表面-内置式永磁转子同步电机有限元法三维全域电磁场温度场耦合分析

表面-内置式永磁转子同步电机多目标优化设计

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煤炭学报 2016年第12期41卷 3167-3173页

作者：司纪凯张露锋封海潮许孝卓张新良河南理工大学电气工程与自动化学院河南焦作454000

针对表面-内置式永磁转子同步电机(SIPMSM)优化目标多并且彼此之间相互制约的特点,引入一种统计学方法——田口法实现SIPMSM的多目标优化设计。选取齿槽转矩、电磁转矩波动、转矩永磁体质量比和力能指标等特性作为优化目标,并确定了对... 详细信息

针对表面-内置式永磁转子同步电机(SIPMSM)优化目标多并且彼此之间相互制约的特点,引入一种统计学方法——田口法实现SIPMSM的多目标优化设计。选取齿槽转矩、电磁转矩波动、转矩永磁体质量比和力能指标等特性作为优化目标,并确定了对目标特性影响较大的优化参数和参数影响因子取值范围。建立参数影响因子和优化目标的实验正交矩阵,利用有限元法进行求解,分析参数的影响因子对SIPMSM目标性能的影响比重,从而确定使SIPMSM综合性能最佳的参数组合。通过对比优化前后的目标特性,结果表明优化后SIPMSM的综合性能得到极大的提高。

关键词：表面-内置式永磁转子同步电机(SIPMSM) 田口法有限元法多目标优化设计

基于霍尔位置传感器的永磁同步电机速度估计方法研究

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电机与控制学报 2019年第7期23卷 46-52页

作者：王凯王之赟宗兆伦张建亚张露锋南京航空航天大学自动化学院

为了提高永磁同步电机(PMSM)驱动系统的环境适应性并降低控制系统成本,采用开关型霍尔位置传感器取代通常使用的高分辨率位置传感器—光电编码器或者旋转变压器进行转子位置和速度的估算,实现对电机的高性能矢量控制。该文首先分析了传... 详细信息

为了提高永磁同步电机(PMSM)驱动系统的环境适应性并降低控制系统成本,采用开关型霍尔位置传感器取代通常使用的高分辨率位置传感器—光电编码器或者旋转变压器进行转子位置和速度的估算,实现对电机的高性能矢量控制。该文首先分析了传统霍尔位置传感器的估算算法,为了解决传统估算算法中的问题并提高霍尔位置传感器的估算效果,使用一种闭环的估算方法,将霍尔位置信号矢量化,前馈解耦后通过观测器估算出连续的位置信号,并结合改进的锁相环结构(PLL)提取速度信号,实现位置和速度的准确估算。最后通过实验平台验证对比了该方法和传统的估算方法的性能。

关键词：霍尔传感器永磁同步电机矢量控制位置观测器锁相环