检索结果-内蒙古大学图书馆

电气工程学报 2023年第4期18卷 66-73页

作者：倪荣刚蔡亚倩韩思雨赵咏青岛大学电气工程学院青岛266071 大连海事大学船舶电气工程学院大连116026

可变磁阻旋转变压器由于其耐高温、受机械振动影响小、结构简单等优点广泛应用于恶劣工作环境的转子位置检测。此前工作提出了一种内定子变磁阻旋转变压器径向集成在永磁同步电机中的混合双定子电机结构,并采用改进绕组函数法(Modified ... 详细信息

可变磁阻旋转变压器由于其耐高温、受机械振动影响小、结构简单等优点广泛应用于恶劣工作环境的转子位置检测。此前工作提出了一种内定子变磁阻旋转变压器径向集成在永磁同步电机中的混合双定子电机结构,并采用改进绕组函数法(Modified winding function approach,MWFA)对其磁场分布和电磁参数进行解析分析。然而,解析计算得到的气隙磁通密度在槽开口处与有限元分析结果相比仍存在偏差。为此,提出分段绕组函数法(Segmented winding function method,SWFM),通过考虑磁场和绕组的实际分布,对气隙和线圈匝数函数进行分段处理,进一步提高解析计算结果的精确性。利用该方法计算气隙磁通密度和励磁绕组自感,并将SWFM和MWFA结果与有限元分析进行对比,验证所提方法的有效性。

关键词：气隙磁通密度改进绕组函数法励磁绕组自感可变磁阻旋转变压器分段绕组函数法

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永磁与磁阻式旋变集成的双气隙复合电机研究

永磁与磁阻式旋变集成的双气隙复合电机研究

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作者：聂述鑫青岛大学

学位级别：硕士

现代数控机床、智能家电以及机器人等高端装备要求电机驱动系统具备转子绝对位置检测能力。本文针对常规同步电机以及无传感器控制无法实现转子绝对位置检测的技术难题,从电机拓扑角度出发,研究了一种结构紧凑、性能可靠的双气隙复合电... 详细信息

现代数控机床、智能家电以及机器人等高端装备要求电机驱动系统具备转子绝对位置检测能力。本文针对常规同步电机以及无传感器控制无法实现转子绝对位置检测的技术难题,从电机拓扑角度出发,研究了一种结构紧凑、性能可靠的双气隙复合电机拓扑结构。该结构由永磁同步电机与磁阻式旋变径向集成,利用极对数的合理组合,在提高电机系统功率密度的同时,实现电机转子的绝对位置无传感器控制。主要研究内容包括以下几个方面:首先,分析双气隙复合电机的拓扑结构特点,揭示双气隙复合电机的转子机械位置估计方法的基本原理,基于具体指标给出电机的电磁设计方案,并利用有限元仿真软件对电机进行二维有限元分析,验证设计方案的合理性。其次,针对永磁与磁阻式旋变集成的双气隙复合电机,分析外转子磁阻式旋变的结构特点。给出外转子磁阻式旋变的设计方案,从极槽配合、绕组排布和气隙函数三个方面详细阐述磁阻式旋变的设计方法。再次,基于改进绕组函数法,建立外转子磁阻式旋变的等效磁路模型。通过对改进绕组函数法的推导,得到旋变电磁参数的解析计算方法。建立旋变的有限元仿真模型,通过有限元分析验证解析计算结果和转子位置检测能力。最后,考虑到双气隙复合电机复杂的特殊结构以及加工条件的限制,给出样机的结构设计方案,并对样机的主要部件进行结构分析,验证结构设计的合理性。在此基础上,搭建实验平台,对样机进行不同转速下的实验测试,并对实验结果进行分析,验证研究成果的可行性。

关键词：双气隙复合电机绝对位置无传感器控制改进绕组函数法永磁同步电机磁阻式旋转变压器

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基于多回路理论模型的电主轴加工状态辨识与故障诊断

基于多回路理论模型的电主轴加工状态辨识与故障诊断

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作者：王琛北京工业大学

学位级别：硕士

电主轴是数控机床的核心功能部件，对电主轴加工过程状态的辨识以及故障诊断对于刀具状态监测、视情维护等提升加工效率和精度、减少不必要的经济损失的手段具有至关重要的作用。近些年，无传感器监测技术的快速发展，电流信号易获取、... 详细信息

电主轴是数控机床的核心功能部件，对电主轴加工过程状态的辨识以及故障诊断对于刀具状态监测、视情维护等提升加工效率和精度、减少不必要的经济损失的手段具有至关重要的作用。近些年，无传感器监测技术的快速发展，电流信号易获取、干扰小、信息丰富等特点在机床智能监控领域的优势逐渐体现出来。本文针对现有的轴承故障诊断以及切削力辨识存在的问题，提出了基于主轴电机电流信号分析的轴承故障尺寸估计方法以及动态铣削力辨识方法。　　首先，分析了轴承故障机理，认为轴承点蚀等故障会引起转子周期性偏心，进而改变定、转子间气隙长度分布，影响气隙磁通，最终导致电流波形畸变。另外，影响气隙磁通的因素还有主轴转速波动，铣削加工过程中切削负载转矩会导致转速波动。基于上述考虑，本文利用交流电机多回路理论，建立了主轴电机机械电磁耦合动力学模型，详细介绍了建模过程与方法。进一步考虑电感参数时变特性，采用改进绕组函数法计算时变电感参数，并详细介绍了计算过程。　　然后，基于该耦合动力学模型，对轴承故障与气隙长度分布函数做了量化分析，得出轴承不同位置处的气隙函数表达式，通过仿真发现电流时域波形会因主轴而发生畸变。进一步做频谱分析发现随着故障尺寸的增大，故障相关频率的幅值也不断增大。由此提出了评价电流波形故障失真程度的量化指标FHD，通过在不同工况下的仿真统计结果发现，在同一电机中该指标与故障尺寸之间存在着固定的函数关系，且该关系曲线不随外部因素的改变而改变，具有良好的鲁棒性，对于不同型号的电机则存在不同的关系曲线，为此需要通过本文提到的方法先得到相应的关系曲线，然后再根据该关系曲线进行轴承故障大小估计。　　同时，由于加工过程中的切削力会导致主轴转速发生波动，而转子转角位置是绕组函数、气隙函数的因变量，因此判断铣削力与电流之间存在固定关系。将铣削力分成常值与动态值两个部分，通过计算电流有效值确定其与切削转矩之间的关系，计算切削相关谐波幅值确定其与力动态波动范围之间的关系。　　最后，设计了轴承故障尺寸估计实验，通过定制的内置已知故障大小轴承的电机，采集其不同运行条件下的电流信号，通过提到的方法成功估计出故障尺寸范围。设计了切削加工实验，采集主轴加工过程中的铣削力，通过提到的方法估计出铣削力矩的大致波形，并于直接测得的力信号对比，验证了所提出方法的有效性。

关键词：数控机床电主轴故障诊断切削力辨识电机电流改进绕组函数法

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内嵌式永磁同步电机转子偏心故障诊断方法的研究

内嵌式永磁同步电机转子偏心故障诊断方法的研究

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作者：刘子剑浙江大学

学位级别：博士

近年,永磁同步电机开始应用在高铁、磁悬浮等调速场合,它们的可靠运行对人类社会的生产和生活有着愈发重要的意义,因此研究针对永磁同步电机的状态监测和故障诊断方法具有非常现实的必要性。作为常见的电机故障之一,转子偏心导致不平衡... 详细信息

近年,永磁同步电机开始应用在高铁、磁悬浮等调速场合,它们的可靠运行对人类社会的生产和生活有着愈发重要的意义,因此研究针对永磁同步电机的状态监测和故障诊断方法具有非常现实的必要性。作为常见的电机故障之一,转子偏心导致不平衡磁拉力,如果没有及时发现或采取有效的维护措施,不平衡磁拉力会加重偏心程度,最终导致定转子碰撞。碰撞的机械应力可能损伤定子绝缘和转子磁钢,进而使问题恶化。因此,本文以一种电动汽车用内嵌式永磁同步电机为研究对象,针对内嵌式永磁同步电机的稳态和非稳态运行工况,从偏心电机建模、基于模型的故障诊断,和基于高级信号数据处理技术的故障诊断这三个方面深入研究了内嵌式永磁同步电机的转子偏心故障诊断方法。在偏心电机建模方面,针对P对极分布绕组的内嵌式永磁同步电机,本文采用改进绕组函数法,建立了能够模拟转子偏心故障的电机模型。所建立的模型得到了二维有限元仿真结果的验证。通过仿真分析静态偏心、动态偏心和混合偏心三种状态下定子电感、永磁体磁链和定子绕组空载反电势的变化,确认只有混合偏心才能在电机电流中产生偏心故障特征,并发现定子电感的畸变是电机电流出现偏心故障谐波的最主要根源。此外,所建立的仿真模型被用于检验文中后续提出的故障诊断方法的可行性,以及预测诊断效果。针对内嵌式永磁同步电机的稳态运行工况,本文依次从频域和时域,提出了两种基于模型的在线偏心故障诊断方法。首先,本文针对内嵌式永磁同步电机,提出了基于无近似展开改进绕组函数法的电感模型,以更加准确地分析定子电感与转子偏心度之间的定量关系。所提出的模型能够考虑实际定子绕组的分布结构,而且不需要对匝函数和偏心函数作近似展开就能实现定子电感的计算。然后,利用所提出的定子电感模型,本文从频域的角度深入研究了 dq同步旋转坐标系下定子电感的偏心特征分别与偏心度和初始偏心角的定量关系,在dq坐标系提出了偏心故障下的电感矩阵表达式。在此基础之上,受到无位置传感器控制技术的启发,随后提出了一种基于高频d轴电感波动的在线频域偏心故障诊断方法,解决了现有文献中基于激励注入的偏心故障诊断方法仅能用于离线电机的不足。该方法有两个显著优势。其一,在满足电流传感器精度的前提下,所注入的高频正弦脉振电压幅值越低,诊断效果越好,因此对系统运行的影响较小。其二,该方法不会混淆偏心和(局部)退磁故障,其故障指标能显著区分转子偏心度,结合对永磁体磁链幅值的估计,可以同时诊断转子偏心故障和永磁体退磁故障。尽管该方法不需要电机离线,但它需要对实时估算的高频d轴电感做快速傅里叶变换(FFT),而目前面向电机控制的嵌入式数字信号处理器(DSP)因存储空间和计算速率的限制,其FFT结果往往达不到故障诊断的要求,影响诊断的实时性。使得最后的频谱分析需要借助上位机或附加专用芯片实现。因此,为了能够实现完全实时的偏心状态监测方法,本文继续将前述提出的偏心故障下的电感矩阵表达式从dq坐标系变换到aβ静止坐标系,然后利用电流矢量瞬态变化轨迹,提出了用于诊断内嵌式永磁同步电机偏心故障的倒瞬态复电感矢量理论以及一种特殊的高频电压序列注入方法,最终实现了纯时域且实时可视化的电机偏心状态在线监测方法。该方法摆脱了对FFT依赖,仅需要若干步的代数运算,能够完全由DSP执行,不会给DSP增加负担。该方法的偏心故障指标的绝对值与总体偏心度成正相关,而且能显著区分偏心故障和退磁故障。由于该方法的时域矢量轨迹图会随电机转速的升高而畸变,因此该方法更适用于电机低速运行工况的偏心诊断。鉴于前述基于模型的方法仅能用于电机稳态运行场合,而非稳态运行场合的诊断一般需要使用信号处理技术实现,因此针对内嵌式永磁同步电机的非稳态运行工况,本文提出了一种基于高级信号数据处理技术的故障诊断方法。首先,本文对一类高精度参数估计方法进行改进,将高精度参数估计方法从频域拓展到了时频域,提出了一种自适应短时细化矩阵束的时频分析方法,用于诊断非稳态运行工况的偏心故障。该方法能够在任何工况下都保持高计算效率,不需要人工调整参数。其次,在转速和负载有波动的似稳态工况,高精度参数估计方法会出现估计结果不一致的问题。为了解决这一问题,本文通过引入蒙特卡洛估计和分布拟合,提出了一种故障特征提取方法,用于对时频分析方法产生的大量估计样本做进一步数据处理,最终获得近似无偏的故障特征频率和幅值。整个方法不仅可以用于检测转子偏心故障,还可以用于检测其它转子故障。同时该方法也继承了信号处理技术的不足,即,诊断过程计算量大,需要在上位机实现,而且不能区分偏心和局部退磁故障,需要和基于模型的方法结合使用。本文所提出的三种方法具有各自的优点和不足,适用于不同的运行场合和需求。提出的全部理论和方法的正确性和有效性均得到了仿真和实验的充分验证。

关键词：状态监测故障诊断永磁同步电机偏心改进绕组函数法建模高频注入信号处理

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高性能永磁直线同步电机建模与控制研究

高性能永磁直线同步电机建模与控制研究

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作者：张博西北工业大学

学位级别：博士

永磁直线同步电机（PermanentMagnetLinearSynchronousMotor,PMLSM）作为直驱系统的核心部件，不仅省去了传统旋转电机驱动系统的中间转换环节，使系统结构得到简化，而且具有响应快、精度高、推力密度大的优点，在精密激光切割机、高... 详细信息

永磁直线同步电机（PermanentMagnetLinearSynchronousMotor,PMLSM）作为直驱系统的核心部件，不仅省去了传统旋转电机驱动系统的中间转换环节，使系统结构得到简化，而且具有响应快、精度高、推力密度大的优点，在精密激光切割机、高端数控机床、机器人、医疗、航天等领域中具有广阔的应用前景。本文以研究该类高性能PMLSM的建模和控制方法为目的，针对分数槽PMLSM的建模、PMLSM驱动的激光切割机和抽油机两个系统的高性能控制技术进行研究，论文主要创新如下：　　1.分数槽结构的PMLSM具有动态性能好、齿槽作用力小等优势，从而得到广泛关注，但该结构也显著提高了模型计算的复杂程度。等效磁路法依赖于模型网络且通常建模误差较大;有限元方法建模计算精确度高，却难以获得模型参数与电机物理结构之间的解析表达式;2维/3维解析方法在建模速度和准确度方面具有优势，但复杂的边界条件也造成了计算模型参数的难度。针对现有建模研究的不足，本文提出一种适用于分数槽PMLSM的改进绕组函数法，用以计算其电感、磁链等参数，以及齿槽力和边端力等物理量，利用广义派克变换导出其dq轴数学模型，并以具有分数槽结构的五相圆筒式和三相单边式PMLSM的建模实例，验证了采用分数槽技术设计PMLSM能减小其齿槽力从而提高了PMLSM的动态性能。通过对五相分数槽圆筒式PMLSM瞬态特征的仿真实验，证明了采用该方法建模的准确性。该方法充分体现了其建模速度快、模型参数意义明确的优势，是对分数槽PMLSM建模的有益尝试，因得到了PMLSM边端力和齿槽力的解析式，也为PMLSM自身性能的提高提供了重要的设计依据。　　2.参数摄动、未建模动态和负载扰动等不确定性扰动以及自身推力波动对PMLSM驱动的激光切割伺服系统的控制性能影响显著，双幂次趋近律滑模控制方法具有提高系统鲁棒性和动态响应的特点，但滑模抖振却成为制约其实际应用的关键因素之一，采用固定边界层法虽可削弱滑模抖振，但也造成了伺服跟踪的稳态精度的下降。针对现有的双幂次趋近律滑模控制方法存在的控制精度不高、抖振较大的问题，提出一种新型双幂次滑模趋近律控制方法。通过设计一种基于超螺旋算法的幂指数可调的滑模扰动观测器，用于补偿系统的未知扰动和降低系统控制的保守性，采用变边界层法解决滑模抖振和控制精度间的矛盾。通过在PMLSM驱动的激光切割平台上采用本文方法、传统线性方法和其它两种双幂次趋近律滑模控制方法的对比实验，验证了本文所提方法有效地提高了系统的动态性能、鲁棒性能和稳态精度。该方法对于提升快速运行的PMLSM直驱系统整体性能有益，是滑模控制方法在机电伺服系统工程应用的一种有力支撑。　　3.对于PMLSM直驱系统，系统扰动和摩擦力是影响其高性能运行的最重要因素，特别地，当系统工作在低速状态时，摩擦力对系统动态性能的影响尤为突出。为了能更加准确地描述静态、动态等摩擦力对系统的作用，本文采用LuGre摩擦模型并建立含摩擦的PMLSM直驱系统的连续状态空间模型。针对系统的抑制扰动和摩擦补偿问题，提出一种自适应反演滑模控制器。将系统划分为位置速度一体化子系统和电流子系统并分别设计控制算法，在位置速度一体化子系统中，采用基于指数趋近律的自适应滑模控制方法，保证控制系统收敛，实现对系统扰动和摩擦力参数在线估计，以此来设计虚拟控制律，在电流子系统中，结合无抖振终端滑模控制思想，实现对系统控制品质的进一步提高。在低速运行的PMLSM激光切割系统上，通过与常规控制方法的对比实验，结果证明该方法能够提高系统的控制性能。该方法提升了PMLSM驱动激光切割系统的扰动抑制能力，有效地补偿了系统的摩擦力，简化了控制系统的结构，为多闭环机电系统的高性能伺服控制提供一种新方法。　　4.载荷位移传感器等器件能实现PMLSM抽油系统位置/速度的精确检测，是实现闭环系统高性能伺服控制的关键。然而，这些器件会大幅增加系统成本，恶劣的环境加剧了其安装与维护难度，造成系统可靠性降低。采用滑模观测器的无位置传感器检测方法不受物理环境的影响，提高系统可靠性作用显著，具有检测算法简单、鲁棒性强的优势，但现有的滑模观测器设计方法易带来反电势相位延迟和估值稳态精度的下降。针对这些问题，提出一种基于二阶比例积分(Proportional-Integral,PI)型非奇异终端滑模面设计的滑模观测器，实现PMLSM抽油无位置传感器系统的位置/速度检测精度。首先设计PI辅助滑模面，引入到一阶非奇异终端滑模面的设计，得到二阶滑模面，实现高阶滑模去抖振作用，保证反电势误差有限时间收敛特性，提高滑模观测器的动态响应和反电势估值精度。其次，通过设计锁相环从反电势中获取高精度的位置/速度信号。最后，通过PMLSM抽油无位置传感器控制系统的仿真实验，验证了本文方法的有效性。该方法对于

关键词：永磁直线同步电机激光切割系统直线抽油机改进绕组函数法双幂次滑模趋近律自适应反演滑模二阶滑模观测器伺服系统

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磁阻型无刷双馈电机特殊转子优化设计

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电力自动化设备 2012年第8期32卷 60-65页

作者：龚晟杨向宇纪梁洲华南理工大学电力学院广东广州510640

在介绍磁阻型转子无刷双馈电机的原理基础上,提出了一种新的具有隔磁桥的径向迭片磁阻转子,并提出了针对该转子进行优化设计的整套流程方法。首先应用改进绕组函数法对电机转子的外形进行设计,然后以电机的转矩最大以及脉动最小为优化目... 详细信息

在介绍磁阻型转子无刷双馈电机的原理基础上,提出了一种新的具有隔磁桥的径向迭片磁阻转子,并提出了针对该转子进行优化设计的整套流程方法。首先应用改进绕组函数法对电机转子的外形进行设计,然后以电机的转矩最大以及脉动最小为优化目标,利用田口法分别对该磁阻型转子的5个形状参数的4组不同取值进行了分析,根据分析结果选取了最优的一组参数,从而实现了转子结构的优化设计。

关键词：电机磁阻型转子无刷双馈电机优化设计改进绕组函数法

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