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电气化行业的最新科研集锦(二十四)

2023-11-15


01.内置式永磁电机转子冲片断裂强度分析

针对内置式高速永磁电机在高速下的强度问题,采用有限元方法,对内置式永磁电机转子冲片强度进行了弹性和弹塑性分析。重点考虑了转子冲片在弹性范围内的转速,以及在进入塑性变形阶段后,发生断裂的转速。根据分析结果,可以判断转子冲片在弹性变形阶段的转速范围,发生塑性断裂的极限转速,以及出现定转子扫膛现象时的转速。该分析结果对评估转子工作的安全性具有一定的指导意义。

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02.混合叠压圆筒型永磁直线振荡电机电磁特性分析

圆筒型双定子永磁直线振荡电机因其结构简单、功率密度高而广泛应用于压缩机领域。然而,电机的定子通常采用传统的硅钢片周向叠压方式,导致其叠压系数低、磁路易饱和。因此,该文提出一种新的混合叠压方法。首先,介绍了双定子永磁直线振荡电机的基本拓扑结构和工作原理,给出磁路特有的分布方式;然后,对采用电工纯铁和硅钢片混合叠压方式进行分析,推导了硅钢片数量与电工纯铁之间的占比关系,并对不同硅钢片数量对电机反电动势、电磁推力和损耗的影响进行分析;最后,通过三维有限元分析对采用传统叠压方式和混合叠压方式的双定子永磁直线振荡电机的电磁特性进行了比较和分析。实验结果验证了混合叠压方式在提高电磁推力和简化制作工艺方面的优势。

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03.基于分立器件并联的高功率密度碳化硅电机控制器研究

新能源车用的电机控制器通常通过大功率模块来完成,但大功率模块一般成本比较高,体积比较大,资源也有限。本文基于SiC MOSFET分立器件并联设计实现了一种高功率密度电机控制器,为了从电气和散热角度最大程度地提升材料和空间利用率,实现高功率密度以及分立器件的良好动静态均流,设计了一种新型的电子系统结构,并提出了一种能动态平衡并联MOSFET电流的高抗扰驱动电路以及可实现低寄生电感、大电流以及高散热的适合分立器件并联应用的新型PCB叠层母排设计方法。提出的电路及方法即有利于实现并联器件的动静态均流,又可以减小寄生电感造成的影响,还可以有效抑制负向串扰电压。对基于上述研究成果开发出的碳化硅电机控制器,经过了双脉冲及功率实验,结果表明,设计的分立器件并联控制器并联均流效果好、散热好、功率密度高,在风冷的条件下,实现了效率最高99.5%,功率密度60kW/L,可应用到新能源整车系统中。

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04.高性能永磁同步电机显式模型预测控制算法研究

本文提出一种应用于永磁同步电机的级联式高性能显式模型预测控制算法,基于多参数规划思想建立系统参数化模型,离线求解有约束条件下的最优解并以状态量的分段仿射函数形式保存,解决了连续控制集模型预测控制算法在线求解的算力需求问题;全面介绍了显式模型预测控制的应用思想及设计流程,分析了在永磁同步电机控制中模型失配、死区效应、数字延时等非理想因素带来的影响并给出了应对措施;与传统PI控制算法进行对比,通过仿真与实验验证了显式模型预测控制算法的有效性及优越性。

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05.基于等效复数磁导率的利兹线绕组损耗计算模型

绕组损耗是高频变压器总体损耗的重要组成部分,是影响磁性元件体积、效率和温升的关键性参数。利兹线由于高频损耗小而广泛应用于高频变压器绕组,但其复杂的三维扭转结构导致绕组损耗的准确、快速计算十分困难。解析方法需要进行简化和近似处理,难以准确表征绕组的高频涡流特性,有限元数值方法需要对每匝绕组精细化建模,导致计算资源耗费严重。采用具有等效复值材料特性的区域替代绕组区域的均匀化技术,能够实现二维磁场对涡流效应的表征,降低了精细化建模的计算成本。但等效区域的材料特性需要利用数值方法获得,增加了计算的复杂性。因此本文通过分析利兹线损耗机理,考虑利兹线截面形状对等效区域材料特性的影响,实现了圆形利兹线绕组等效复数磁导率的明确解析描述。建立了圆形利兹线绕组损耗计算模型,验证了等效复数磁导率计算邻近效应的准确性,实现了较宽频率范围内绕组损耗的准确预测。

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06.考虑PWM波形特征的纳米晶磁心损耗模型研究及验证

磁心损耗精确预测对于电力电子变压器的优化设计至关重要。然而,传统的磁心损耗模型在复杂激励下适用性较差,尤其对于占空比可调、高次谐波含量丰富的PWM波磁心损耗预测,计算精度显著下降。本文基于Jordan损耗分离模型,建立了一种可考虑PWM波形特征的磁心损耗计算方法。首先,该方法根据激励波形特征,推导出相应的波形系数及等效频率来计算PWM波激励下的动态涡流损耗,将Jordan模型的适用范围从正弦拓展到PWM波激励下的磁心损耗计算;然后,分析了不同占空比激励下激励波形有效频率及高次谐波含量变化对损耗系数的影响,并对其进行数学表征,实现了整个占空比范围内磁心损耗的精确预测;最后,搭建了高频非正弦激励下软磁材料磁特性测量平台,针对1K107B纳米晶材料,测量了两种典型PWM波激励下的损耗数据。实验结果表明,所建立的磁心损耗模型具有较高的计算精度,相比于传统的Steinmetz改进公式,整体精度提高了25%。

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07.复杂工况下的永磁同步电机典型绕组故障在线诊断

绕组故障作为永磁同步电机最常见故障之一,严重影响电机正常运行。但由于电机运行工况复杂,故障特征波动严重,基于故障特征的诊断精度较低。为提高复杂工况下绕组故障的诊断精度,提出一种复杂工况下基于控制器信号的在线诊断方法。首先本文对典型绕组故障进行故障机理分析,并通过基于自适应随机窗的快速傅里叶变换(FFT),提取控制器信号的相应故障特征。其次,通过研究单一工况和复杂工况下的各故障特征分布,揭示部分故障特征会在低转速工况下失效。此外,定义了复杂工况下故障特征性能指标,用于筛选故障特征。最后,在人工神经网络的基础上,提出了深度优化人工神经网络,引入批量归一化算法(BN),并对深度网络结构残差化,提高网络泛化能力和诊断精确性。实验结果表明,通过计算故障特征性能指标,能够在诊断前对故障特征进行有效筛选,且深度优化人工神经网络的诊断精确性高、泛化能力强,在复杂工况下能够实现电机典型绕组故障的精确在线诊断。

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08.永磁同步电机无模型自适应滑模补偿预测控制

针对在永磁同步电机矢量控制系统中应用模型预测控制方法设计控制器时依赖电机数学模型参数,当电机运行过程中参数变化时,引起控制器参数与电机参数失配,导致系统控制性能降低。提出一种无模型自适应预测控制方法,利用系统输入输出数据和时变的伪偏导数建立预测模型;又由于无模型自适应预测控制方法没有反馈校正环节,易受外部扰动的影响,设计一种新型高阶滑模补偿器作为校正部分,以提高控制系统的鲁棒性且抑制滑模自身的抖振,最后MATLAB仿真验证了无模型自适应高阶滑模补偿预测控制方法的优越性。

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