针对高速电机转子易出现共振、断裂、高温产生不可逆退磁等问题,基于转子动力学设计、机械强度设计及流固耦合理论,对一台20 kW,20 000 r/min的高速永磁电机分别进行了电机转子的模态分析、强度分析和整个电机的温度场分析。在自由状态、轴承状态、实际工作状态3种情况下,分析了电机转子的临界转速;结合抗拉极限要求,综合考虑温升和转速影响,分析了转子护套强度;对电机进行了温度场分析。结果表明所设计电机转子无论在临界转速、转子强度还是在温升上都满足设计要求。
针对近几十年来,中小型电机定子槽型尺寸比例变化甚小的现象,拟定一台5 kW高速永磁同步电动机为研究对象,应用电磁仿真软件Ansoft,对电机的定子槽尺寸进行有限元优化分析。研究表明:在定子槽面积及槽满率一定的情况下,定子槽宽的在极限范围内变化,对电机性能参数反电势、铁耗影响比较大,分别可达15%和 30%;然而在考虑电机机械结构的情况下,定子槽宽的变化对电机性能影响因子下降。针对该电机,电机反电势的最大值和电机损耗的最大值均出现在定子槽宽为7 mm附近。
采用饱和函数的二阶滑模观测器(SMO)可有效观测永磁同步电机(PMSM)位置和转速,削弱了滑模固有的抖振,去除了传统滑模观测器中的低通滤波器。当系统达到稳态时,滑模观测器的控制作用转变为状态线性反馈的形式,失去了滑模的不变性,抗扰能力降低;SMO结合自抗扰控制器(ADRC)可以提高系统在状态线性反馈时的自抗扰能力。对ADRC的扩展状态观测器(ESO)和非线性PID(NPID)进行整体设计,简化了控制器的设计过程,缩减了参数的整定个数。实验结果表明,该算法能够准确观测PMSM位置和转速;系统对内外的总扰动具有较强的抑制作用。
对永磁同步电机无位置传感器控制技术的研究十分有意义。由于注入高频信号必然增加对应的损耗,因而在现有双极性方波注入的基础上,提出了单极性方波注入法,并用JMAG-Simulink联合仿真验证方法,证明在保证估算转子位置精度的前提下,可以有效降低相关的损耗。在以TMS320F2812DSP控制芯片为核心的实验平台上进行了实验验证,验证了单极性方波注入控制的有效性。
在利用ANSYS-Maxwell 2D 对电机气隙磁密进行傅里叶分析的基础之上,设计了一款基于Python 语言的计算程序。对ANSYS 有限元仿真计算软件所生成的大量数据,该程序给出清晰直观的傅里叶分解下谐波的次数以及各个次数所对应的磁密幅值。以一台48 槽8 极的PMSM 为例,用有限元分析的方法对其径向磁密分析仿真,再利用设计程序对仿真结果进行后处理,验证了程序的正确性、可靠性和直观性。最后,进一步分析了极弧系数对于径向磁密的谐波畸变率影响。
