基于Maxwell的永磁同步电机控制研究外文翻译资料

撰写内容要求（可加页）：

1. 目的及意义（含国内外的研究现状分析）

（1）总述

随着“中国制造2025”的提出，新能源汽车在我国的发展也已提上日程。

目前比较常见的可作为电动汽车驱动的电机主要有四种 ：直流有刷电机、交流异步感应电机、开关磁阻电机、永磁同步电机。永磁同步电机因其优异的性能被大量应用于电动汽车上，但是其带来的振动噪声问题也受到越来越多的关注。功率密度高、效率高、可靠性高、发热小，这些都是永磁同步电机的突出优点^[1]。噪声主要是由于电机振动引起的，不正常的振动带来的噪声会加剧电机内部的摩擦，增加损耗，进而会影响电机的使用寿命，还会影响乘客的乘坐舒适性。因此，电机参数对振动噪声的影响的研究正在成为热门领域之一。

永磁同步电机的噪声来源主要有以下几点^[2]：（1）空气动力噪声，主要由电机冷却系统例如风扇工作时产生的气体流动造成的；（2）机械振动噪声，主要是由各部件之间的的摩擦及在转子工作时由于其不平衡特性造成的振动产生；电磁噪声，由定、转子间气隙中存在的基波和一系列谐波磁场相互作用，产生切向力波或径向力波，使定子产生振动带来噪声。因为电动车使用的轴承为具有高阻尼低噪声的滑动轴承，并且它对传动部件有着很高的动平衡要求，因此它的机械振动造成的噪声很轻微，空气动力噪声也可以忽略不计，由此电磁噪声成为它的主要的噪声源。

虽然，相比与其他电机，永磁同步电动机在运行过程中的振动噪声基本上可以忽略不计，可是它存在的转矩脉动问题也不能忽视。电动汽车在实际行驶过程中，驾驶室中仍然会听到让人难以忍受的电磁噪声，长时间下来，驾驶员在行驶将会出现头疼呕吐等现象。整车在实际行驶过程中还会出现略微的抖动，这些问题都非常影响电动汽车的舒适性，并且会大大降低永磁同步电动机的使用寿命^[3]。

因此，研究永磁同步电机各参数对电机振动、噪声的影响，一方面可以延长电机的使用寿命带来经济效益；另一方面可以减低噪声污染，提高人体感官舒适性。

（2）国内外的研究现状分析

电机的振动噪声是一个多物理场问题，国内外对电机电磁噪声的研究方法有很多，但是使用较多的有解析法、有限元法、实验法。现在越来越多的学者运用多种分析方式耦合的方法对PMSM的振动噪声进行研究，有效的缩短了研究时间，提高了研究精度。

国外研究现状

早在20世纪70年代，前苏联学者舒波夫从定转子磁场特性方面分析了异步电机、直流电机、同步电机的磁噪声问题，并详细阐述空气振动噪声，转子振动、滚动轴承振动以及电刷装置引起的噪声，提出并分析了电机隔振措施和噪声的测试方法^[4]。1981年英国学者Yang .S J博士不仅从产生噪声的声源本质上去分析噪声机理,首次指出了定子槽数对声源的作用,还正式提出了径向电磁力波对声源辐射声场的影响,特别是当径向电磁力波的某些波段频率接近或等于定子(及其零部件)的固有频率时,电机因共振会产生强烈的噪声^[5]。

日本研究学者通过对用于冰箱压缩机驱动器和空调的永磁同步电机详细分析得出^[6]:分布式绕组永磁同步电机产生的电磁振动比集中绕组永磁同步电机产生的电磁振动小很多,这种情况一般是由于集中绕组永磁同步电机特殊内部的结构产生了更大径向电磁力;此外通过对气隙长度仿真分析发现合理增加气隙长度可以减低永磁同步电机的径向电磁力,可以通过增大气隙部分,使气隙内的径向应力趋于平滑,从而降低了电机的振动。

美国学者Mohammad S.Islam对分数槽永磁同步电机的拓扑结构进行分析研究，整理出了引起变形的振动模态阶数以及产生的激励频率^[7]。从研究结果可以看出，12槽10极电机的二阶模态最差引起更大的噪声，27/6阶电机的第六阶模态最好，模态阶数大于或等于3的永磁同步电机产生的噪声是可以接受的。

国内发展

我国电机振动等方面的研究大概是从上个世纪70年代左右开始，降低电机振动和噪声从那时起就是提高电机质量的重要研究课题。在1986年，合肥工业大学的黄礼文采用传递函数模态分析法^[8],利用现代傅里叶分析系统及其 专用的模态分析选件,测出定子铁芯的模态固有频率、模态阻尼系数和模态振型，利用FFT系统及其专用模态分析选件以动画式立体图象显示各模态振型 的变化情况。

广东工业大学黄开胜教授研究了槽配合对降低笼型异步电动机电磁噪声的实践与分析^[9],采用54/42与其它类似的槽配合,对注塑机用三相异步电动机进行设计及其噪声的计算。样机的试制及其批量生产证明了电磁噪声确有明显减少,电机的噪声指标也达到当时国内外同类产品先进水平。

浙江大学杨浩东、陈阳生对分数槽永磁同步电机中存在低模数的电磁力进行了详细的分析^[10]。针对容易产生低模数的分数槽永磁同步电机，提出了一种在定子注入补偿电流的方法，从而达到抵消电机中最小模数的电磁力谐波来减小电机的电磁振动,根据有限元仿真分析得出对分数槽绕组电机注入补偿电流能够有效抑制电机振动,但是对整数槽电机注入补偿电流却不能抑制电机振动。

北京理工大学陈星、苑士华等通过考虑车用永磁同步电机的气隙磁场特点,通过建立气隙磁场模型并与Park变换理论相结合,通过仿真分析掌握了引起电机电磁振动的频率特征^[11];并通过电耦合的角度,不仅对分析转子动态偏心对电磁系统的频率特性造成的影响,同时分析了机电参数对机电耦合横向振动的影响规律,为转子系统的参数设计提供了一定的理论依据。

目的及意义

截至2019年6月，全国机动车保有量已达3.4亿辆，其中汽车有2.5亿辆^[12]，而新能源汽车在未来20-30年内将逐步取代燃油车，可以说其市场前景十分广阔。永磁同步电动机是近年来发展最为迅速的特种电机之一, 目前已被广泛的应用于新能源汽车上。但是永磁电动机的机械振动将会导致电动机整体性能的下降,并且会带来不希望的噪音污染。对电机而言，这意味着其使用寿命的降低；对于驾驶者而言，低频噪声会带来无法忽视的健康问题，两者都对新能源汽车的推广有着极大的阻碍。对电机各个参数的深入研究，分析各个参数与电机振动之间的关系，使永磁同步电机能够被较为理想地控制，并进一步应用都有极大的积极意义。

2．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1本课题研究的基本内容

首先需要熟悉新能源汽车永磁同步电机工作原理、数学原理和控制算法，在此基础上，在Motor-CAD上搭建永磁同步电机的模型，使用其自带的电磁计算模块用有限元分析法计算其电磁性能，采用Motor CAD导出VBScript脚本，再导入到ANSYS Electronics Desktop中建立永磁同步电机的Maxwell模型，通过对气隙长度、定子槽数、整数槽与分数槽等电机本体参数的更改，来研究各参数对电机振动的影响^[13]-[18]。主要从电机模态分析固有频率以及电机结构、电机气隙磁场及磁场力分析、电机极槽配合分析几个方面入手，去验证各个参数变换带来的实际影响^[19]-[23]，利用Maxwell的电路控制模块组件，使用Simplore与Maxwell的联合仿真，完成对搭建的永磁同步电机模型的测试。

2.2本课题研究的目标：

以8极48槽数的永磁同步电机为基础，利用Motor CAD导出VBScript脚本再导入到ANSYS Electronics Desktop完成永磁同步电机的Maxwell模型搭建。使用Simplore与Maxwell的联合仿真，来完成电机参数更改对电机振动影响的研究，归纳出电机参数的合理设置。

2.3本课题拟采用的技术方案及措施

·搭建永磁同步电机的Motor CAD模型

·利用Motor CAD模型搭建永磁同步电机的Maxwell模型

·改变电机参数，使用Simplore与Maxwell联合仿真

·得到测试数据，收集整理

3.进度安排（按周次填写）

第1-2周：查阅相关文献资料，明确研究内容，提出设计思路和内容，确定方案，完成开题报告和外文翻译。

第3-5周：熟悉新能源汽车永磁同步电机工作原理、数学原理和控制算法，完成永磁同步电机的数学模型搭建，以及坐标系的转换；

第6-10周：搭建Simulink控制模型，完成永磁同步电机的随机PWM矢量控制，分析相关算法的性能和算法的改进；

第11-13周：分析相关算法的性能和算法的改进；

第14-15周：完成设计，撰写毕业设计报告，最后修改，准备答辩。

4．阅读的参考文献不少于20篇（其中近五年外文文献不少于3篇）

[1]刘鹏,杨季旺,杜宪峰.车用永磁同步电机振动噪声研究概述[J].汽车实用技术,2019(16):261-263.

[2]高鹏,孙汐彬,谭顺乐,张国山,樊君莉,王晓远.电动汽车用永磁同步电机电磁振动噪声分析及优化[J].微电机,2019,52(12):7-12.

[3]刘旭东. 基于预测控制的电动汽车用永磁同步电机控制策略与关键技术研究[D].山东大学,2016.

[4]电机的噪声和振动[M]. 机械工业出版社 , [苏]舒波夫 著, 1980

[5]. YangS J.Low- noise electrical motors [M].Clarelldon Press, 1981.

[6]Y Asano, Y Honda, H Murakami, Y Takeda, S Morimoto. Novel NoiseImprovement Technique for a PMSM with Concentrate Winding[C]. Proceedings of the Power Conversion Conference. 2002, 2: 460-465.

[7]Mohammad Islam, Rakib Islam, Tomy Sebastian. Noise and Vibration Characteristics of Permanent Magnet Synchronous Motors Using Electromagnetic and Structural Analyses[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2014, 50(5): 3214-3221

[8]黄礼文.电机定子铁芯振动模态试验研究[J].哈尔滨电工学院学报,1986(01):7-18.

[9]黄开胜,张城生,杨杰.槽配合对降低笼型异步电动机电磁噪声的实践与分析[J].中小型电机,1996(06):28-29.

[10]杨浩东,陈阳生.分数槽永磁同步电机电磁振动的分析与抑制[J].中国电机工程学报,2011,31(24):83-89.

[11]陈星.车用机电复合传动系统机电耦合非线性振动研究[D].北京理工大学,2015.

[12]刘春辉，杨少武. 新型冠状病毒疫情对2020年中国汽车市场影响研判 [J].汽车与配件，2020(04):45-49.

[13]魏路路.车用永磁同步驱动电机振动噪声控制策略研究[D].吉林大学,2019.

[14]李晓华,汪月飞,刘成健,夏能弘.低振动噪声永磁同步电机极槽配合的选择[J].微特电机,2019,47(06):10-15.

[15]陈飞.电动汽车永磁同步电机电磁振动特性及控制研究[D].扬州大学,2019.

[16]Zhang FG, Tong NZ, Wang FX. Analysis of vibration modes for large induction motor [M].Proceedings of Electrical Machines and Systems, 2005, 1:

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