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電氣化行業的最新科研集錦(十七)
2023-06-30
01.船舶用表貼式永磁同步電機的電磁振動分析與抑制
船舶用永磁同步電機的電磁振動水平直接影響船舶的綜合性能。該文針對一臺50kW船舶用表貼式永磁同步電機，首先基于理論推導詳細分析了該電機產生的電磁激振力來源及諧波特征，并利用有限元法進行了驗證；其次，分別采用解析法和有限元法求解定子固有頻率，并結合電磁激振力的頻率特征，驗證電機設計的合理性；然后，建立電機的磁-固耦合模型，對其振動響應進行有限元計算，得到監測點的振動頻響特性及特征頻率；最后，在保持原電機輸出平均轉矩的前提下，提出一種混合磁極轉子結構來削弱低階電磁激振力諧波分量進而抑制電磁振動。結果表明，優化后的電機在保持良好轉矩性能的同時，電磁振動得到了有效抑制，并通過樣機實驗驗證了仿真結果的有效性。
02.考慮磁橋非線性的內置式永磁同步電機空載電磁性能通用解析模型
提出一種將子域法及等效磁路法相結合的新型解析模型，可在計及磁橋飽和的情況下，計算具有任意極槽配合的V型/U型/一字型內置式永磁電機的空載電磁性能。建模時首先根據轉子結構將永磁體進行等效，以便于各子域的建立；為了考慮轉子磁橋處的飽和，采用等效磁路法來計算磁橋處的磁導率，以便于相應子域邊界條件方程的建立。電機無槽時的空載氣隙磁通密度分布可以通過求解各子域交界面處邊界條件方程組得到，然后通過保角映射的方法可考慮定子開槽的影響。該文所提模型可用于計算內置電機的空載氣隙磁通密度分布、反電動勢及齒槽轉矩。將模型計算結果與實驗測試及有限元計算結果進行對比，驗證了所提出模型的有效性。與有限元法相比，該文所提模型具有建模速度快、耗時短，同時可達到近似精度的優點，這為相關電機的初始設計及優化帶來了方便。
對于永磁同步電機（PMSM）而言，高頻信號注入法是一種有效的零低速無位置傳感器控制方法。然而，注入的高頻信號會帶來嚴重的可聽噪聲問題，無法滿足艦船推進等高端領域的應用要求。為此，該文提出隨機頻率三角波電壓注入無位置傳感器控制方法，解決了PMSM的噪聲問題。以兩個不同頻率的三角波電壓信號為基礎，遵循伏秒面積相等原則，通過線性同余法生成隨機數進行選擇，合成隨機頻率的三角波電壓信號。同時，將該隨機頻率信號注入到估計的轉子參考系中，可以有效降低注入頻率處的最大噪聲，并拓展高頻電流的功率譜密度（PSD），從而降低高頻電流引起的可聽噪聲。此外，為了從感應電流中獲取轉子位置信息，提出了一種對應的信號解調方法。實驗驗證了該方法的可行性和有效性。
04.永磁同步電機自構式模糊神經網絡控制器設計
針對傳統PID控制方法不能對電機在工況狀態變化時做出快速反應的問題，結合模糊控制和神經網絡的特點提出一種智能控制方法。依據模糊神經網絡算法組成新的速度控制器代替傳統的PID速度控制器。通過RBF神經網絡辨識器給出永磁同步電機的Jacobian信息，傳遞給模糊神經網絡控制器，以此解決算法中轉速對網絡輸出的偏導項無法計算的問題。通過自構式反饋來修正網絡的拓撲結構，確定模糊神經網絡中隱含層的神經元個數，避免因隱含層神經元個數設定不當引起欠擬合或過擬合。仿真和實驗的結果表明，電機在啟動時能夠快速平穩地達到給定轉速，超調量和穩態誤差小，轉矩脈動小、響應迅速。突加負載時速度變化量小且能快速回歸平穩運行，突變轉速時能快速穩定在變化后的給定轉速。
05.基于神經網絡和粒子群算法的永磁同步電機運行與振動性能優化
為了兼顧新能源驅動電機的運行性能和振動性能，對該型號驅動電機進行綜合優化。采用數值計算方法分析8極48槽永磁同步電機的主要結構參數對電機運行性能和振動性能的影響，建立神經網絡模型擬合電機結構參數與性能表現之間的映射關系，并基于測試數據集進行驗證；使用粒子群算法優化電機的結構參數，從而獲得驅動電機振動性能和運行性能之間的非劣最優解。優化后的電機與初始樣機相比在驅動性能基本保持不變的基礎上，轉矩脈動和振動位移方面都有了明顯的優化。
06.考慮功率分配的混合供電型開繞組永磁同步電機過調制算法
針對混合供電型開繞組永磁同步電機系統因功率分配約束難以執行過調制的問題，提出一種考慮功率分配的新型過調制方法。首先分析了傳統過調制方法對系統功率平衡的影響，定義了有功電壓調制度，使過調制區在考慮功率分配的情況下得到更清晰的界定。為了平衡過調制區的功率分配以及保障不同調制區的平滑切換，基于重新界定的過調制區分別提出定子電壓矢量和有功電壓的過調制方法。實驗結果驗證了所提新型過調制方法的有效性和優越性。
為了研究電梯永磁同步電機的退磁狀態評估，提出一種基于參數自調節滑模算法的永磁同步電機退磁故障檢測方法，通過獲取電機多級負載狀態下的電壓與電流數據，對電機的空載反電動勢進行估算，并作為退磁評估依據。方法在使用傳統滑模觀測器(SMO)估算電機擴展反電動勢的基礎上，將不同負載下的永磁體的工作點變動及定子電阻、電感參數的變化納入考慮，構建了電機空載反電動勢估算誤差方程。通過對滑模算法中的電阻、電感參數進行調節，來抵消上述因素的影響，進而實現對電機空載反電動勢的獲取，并根據電阻、電感參數對估算結果的不同影響特性，實現了電阻與電感參數的自調節。經過仿真分析與實驗驗證，該方法能夠在無須測量編碼器數據的前提下，對電機內部永磁體的性能進行量化分析，方法適用于局部退磁與均勻退磁兩種故障類型，且準確度高，可用于電梯永磁同步電機外置退磁檢測。
針對雙余度永磁同步電機（DRPMSM）的多目標優化設計問題，該文采用Pearson相關系數分析法，在參數敏感度分析的基礎上，提出一種改進迭代田口法的多目標優化設計方法。該方法利用單余度模式下的田口法優化設計結果作為雙余度模式下優化因子水平取值的依據，對優化因子的水平取值進行了優化選擇。既考慮了各工作模式下的優化設計，又解決了不同水平值之間無法尋優的問題。以800 W雙余度永磁同步電機為例，利用有限元仿真，對比分析了優化前后的效率、轉矩等關鍵性能參數，驗證了所提優化方法的有效性。最后，制作了實驗樣機，實驗測試結果與優化設計結果有較高的吻合度，證明該文所提出方法可有效解決多余度電機的多目標優化設計問題，拓寬了對于該類電機的優化設計思路。
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