永磁交流伺服电动机弱磁控制性能分析(上)

本文从弱磁控制的基本特性出发,指出永磁交流伺服电机弱磁控制能改善电机及驱动系统的性能;根据弱磁控制的基本原理,针对凸极率不同的永磁转子结构,对永磁交流伺服电机电压极限曲线中心在电流极限圆外、圆上和圆内3种情况,全面深入分析了该类电机的弱磁控制特性;推导出了从零转速经弱磁基速至弱磁最高转速的全范围机械与功率的变化规律,绘制了特性曲线,得到了最大功率和最大转矩点以及最大可能的弱磁范围。根据分析结果,分别讨论电机的凸极率,最大电流与励磁电流之比,电机导磁磁路与电机结构,以及直轴电感等各因素对电机弱磁性能的影响,并简要分析弱磁时电机损耗的特征。     

不同转子结构对永磁交流伺服电机弱磁特性影响

该文探究了表贴式与内置式两种典型的永磁转子结构对永磁交流伺服电机的弱磁特性影响,推导了电压极限曲线中心位置在电流极限圆内、外电机输出最大机械与功率特性的变化规律。研究对象以弱磁基速点为分界点,在该点以下功率以直线规律上升且均能恒转矩运行;在该点以上,表贴式与内置式结构电机转矩分别呈下降趋势与先上升至最大点后再下降的趋势。电压极限曲线中心位置处于电流极限圆内与圆外时,功率继续上升至最大点之后分别呈最大恒功率运行状态和快速下降趋势,并证明弱磁运行最大输出功率大于传统的弱磁运行恒功率值。该文的分析推导与实验结果相一致,为永磁交流伺服电机弱磁运行时的特性分析提供了较为详实的理论基础。     

增大飞轮电池储能的控制方法研究

飞轮电池充电时,常采用id=0的矢量控制策略对它的永磁同步电机进行控制.受逆变器最大输出电压和电机最大电流条件的约束,飞轮电池永磁同步电机的最高转速很快受到限制,这影响了飞轮电池的最大存储能量.针对这一问题,对永磁同步电机在基速以上进行弱磁控制,使电机的定子电流沿着电压极限圆与电流极限圆的交点轨迹运行,在弱磁的同时保证电机有较大的输出转矩.通过仿真对比表明,加入弱磁控制能够有效提高永磁同步电机的最高转速,拓宽飞轮的转速范围,增大飞轮电池充电时的存储能量.     

电动汽车用永磁电机弱磁调速能力

针对电动汽车驱动系统对永磁电机恒功率调速范围的较高要求,研究了内置V型磁路结构参数对永磁电机弱磁调速能力的影响。采用有限元仿真的方法分析相邻磁极间距和磁极中心植入深度与直轴电感、交轴电感、凸极率、气隙磁密和永磁磁链之间的关系,并由此得到永磁转矩和磁阻转矩的变化规律。结合电机控制器最大逆变电压和输出电流,总结出永磁电机反电势和转子结构参数与弱磁调速范围的关系。样机实验结果表明,通过调整转子磁路结构进而优化电机反电势和凸极率的方法能够有效拓宽永磁电机弱磁调速范围。电动汽车用永磁电机应适当增加转子相邻磁极间距并降低永磁体埋置深度,降低电机反电势的同时增加磁阻转矩,提高恒功率调速阶段带载能力。     

定子双馈电双凸极电机恒功率弱磁控制的研究

介绍了定子双馈电双凸极电机(SDFDS)的结构、原理和弱磁调速控制方法。相对于永磁电机,定子双馈电双凸极电机磁场可调,易于实现弱磁控制和基速以上的恒功率控制,大大扩大了电机的调速范围。针对一台三相12/8极定子双馈电双凸极电机,运用Matlab/Simulink软件建立仿真模型,实现该双凸极电机的恒功率弱磁调速,从而说明电机有调速范围更宽的优点。     

永磁同步电机参数对弱磁性能的影响

该文首先分析了永磁同步电动机凸极比大于1时凸极比、交直轴电感量对电机性能的影响,然后分析凸极比小于1时电机运行性能,进而分析比较凸极比大于1和凸极比小于1时电机在弱磁调速时的转矩和最大输出功率,通过数学仿真求得转矩和最大功率输出曲线,仿真分析结果表明凸极比大于1的永磁同步电动机更适合弱磁调速。     

电机参数对航空多相永磁发电机弱磁性能影响研究

针对航空多相永磁同步发电机需要通过弱磁控制来满足宽转速范围下的恒压供电问题,经过对多项参数的分析,得到了参数与双Y移30°内置式永磁同步发电机弱磁运行时转速的关系,并通过对恒定功率供电状态进行详细分析,说明了减小永磁体磁链和改变凸极率对于拓宽发电机允许运行转速具有显著作用,为电机的选型与设计提供了参考。     

反凸极永磁同步电机弱磁特性分析

提出一种新型反凸极永磁同步电机,利用转子永磁体分段磁桥和调整铁心为直轴磁通提供路径从而实现直轴电感大于交轴电感。低速运行时采取正值的直轴电流控制产生正值的磁阻转矩,同时正向电流可有效提高永磁体的工作点。高转速运行电机可以使用相对较小的直轴弱磁电流来削弱气隙磁通,实现弱磁升速,有效扩大电机的弱磁范围。建立新型反凸极永磁同步电机的直交轴磁路模型,分析新型反凸极永磁同步电机电磁转矩特性和弱磁特性,并进行有限元分析。理论分析结果与仿真计算分析结果相吻合,验证了反凸极永磁同步电机弱磁的有效性和可行性。     

新型轴向磁通双凸极永磁电机设计与建模仿真

设计了一种具有双定子的新型结构轴向磁通双凸极永磁电机。使用有限元方法对该新型电机进行分析,得到了空载情况下的自感、磁链等特性曲线。针对该新型电机的特点,给出了双凸极电机的数学模型。参照径向磁通双凸极电机的建模方法,结合获得的绕组自感和磁链数据,搭建了基于MATLAB/Simulink的电机转速、电流双闭环调速系统的模型,成功仿真出该电机的转速、电流、转矩等波形。系统的仿真结果表明该新型电机运行可靠、便于控制。     

永磁同步电机宽范围最大转矩控制

提出一种永磁同步电机新的宽范围弱磁控制策略,根据电机在不同转速段运行时的转矩特性,考虑逆变器的输出电压能力及电机的电流约束条件,以输出最大转矩为目标,分析得出全速范围内的电流矢量控制算法。该方法将全速段分为四个运行区间,可实现恒转矩运行与弱磁控制的快速平滑过渡,使系统在额定转速以下具有恒转矩输出,在高速运行时实现恒功率特性。仿真及实验结果表明,提出的方法可有效拓宽电机的转速运行范围,具有较快的动态响应性能。     

电流控制策略及凸极系数对IPM电机的影响

内置式永磁同步电机具有高功率密度,高效率和强弱磁能力的优点,在伺服系统中广泛应用。电流控制策略是内置式永磁同步电机(IPM电机)矢量控制中的关键问题,目前广泛应用的控制方式有四种,分别是id=0控制,最大力矩电流比控制,cosφ=1控制,恒磁链控制。不同的电流控制策略和凸极系数对IPM电机的影响仍少有研究,但实际上却很有意义。该文全面分析了在不同凸极系数下各种电流控制策略对IPM电机的影响,并通过计算及仿真给出了各种特性曲线,从而可根据特定凸极系数的IPM电机选用合适的控制策略,以期获得较佳的控制性能。     

永磁辅助磁阻同步电机伺服控制策略研究

与钕铁硼永磁同步伺服电机相比,永磁辅助磁阻同步伺服电机制造成本低;转子开槽多,质量轻,惯量小;气隙磁密低,电机高速失控时不存在过压风险,且弱磁性能好。因此,永磁辅助磁阻同步伺服电机的性价比高,在伺服控制领域有良好应用前景。针对永磁辅助磁阻同步伺服电机的特点,根据电机的数学模型对控制策略进行了优化,提出磁链补偿的控制算法和弱磁控制策略,使得电机的电磁转矩与电流呈线性关系,在恒转矩区和扩速区均实现了电机转矩最大控制,并拓宽了调速范围。实验结果验证了所提出控制算法的有效性。     

连续极永磁电机弱磁控制研究

连续极永磁(consequent-pole permanent magnet , CPPM)电机是一种特殊结构的混合励磁同步电机。该文根据电压、电流约束条件,推导了全速度范围内的 CPPM 电机理论最大转矩输出的必要条件。在此基础上,考虑 CPPM电机的结构特点和电机参数变化特性,研究了一种实现CPPM 电机宽速度范围最大转矩输出的弱磁控制方法。CPPM样机的实验结果表明,所提出的弱磁控制算法具有较强的参数鲁棒性,可以实现电机宽速度范围高响应控制性能。     

内置式永磁同步电机MTPA和弱磁控制

永磁同步电机(PMSM)的矢量控制恒转矩控制常用两种控制方式:弱磁控制和最大转矩电流比(MTPA)控制。内嵌式永磁同步电机(IPMSM)输出的转矩包含部分磁阻转矩,在相同转矩输出情况下,MTPA控制所需定子电流小于弱磁控制的定子电流,这样就实现了最小铜损。当车速达到额定转速后,电机受到电池电压的限制,恒转矩控制策略无法实现电机转速的继续上升,此时电机进入恒功率运行区,通过弱磁控制策略实现在电压受限条件下的电机转速上升。提出了在低转速和无需足够大扭矩时使用MTPA控制;在转矩输出要求很大时,使用最大电流输出控制;超出额定转速后,使用最大功率输出控制,即最大电压转矩比(MTPV)控制。     

储能式有轨电车的永磁同步电机控制策略优化

提出一套有轨电车的永磁同步电机优化控制策略。在d-q轴电流平面内分析永磁同步电机不同限制曲线之间的关系和电流轨迹变化的情况;以转矩为控制目标,在以MTPA曲线、电流极限圆和电压极限椭圆为边界的区域内根据永磁同步电机转矩特性曲线规划电流轨迹;采用MTPA控制和优化弱磁控制相结合的算法进行控制实现;以青岛超级电容储能式胶轮有轨电车为实验平台对该方法进行了现场试验及长时运行考核,永磁同步电机实际输出转矩能准确地跟踪给定转矩,且MTPA控制和优化弱磁控制能平稳运行及切换,证明了所提方法的有效性和实用性。     

内置式永磁同步电机弱磁调速控制

在对内置式永磁同步电机数学模型深入研究基础上,提出了一种最优弱磁路径控制策略,该控制策略是基于由直轴电流Id和交轴电流Iq所构成的状态空间,以最大电流曲线、最大磁链曲线和最小磁链转矩比曲线为边界而提出的一种最优弱磁路径。该控制策略以实现在电机任何转速下输出力矩范围最大化和电机电枢电流最小化为目标,指出了电机在各种转速下的力矩控制方法,充分挖掘电机的自身潜能,有效保证高速高精型数控机床的加工运行。仿真和实验研究表明,该控制策略可以大大提高电机的调速范围,同时保证转矩有良好的可控性。     

电动汽车用新型模块化聚磁转子永磁电机设计及其对比分析

将轮辐型内置式转子和Halbach永磁阵列结合,并取消转子铁心加强筋,减小漏磁达到高聚磁同时兼顾凸极比,实现高转矩/功率密度和宽调速范围。在保证永磁体用量相同的情况下,建立新型高凸极比聚磁转子和V型转子两种电机模型,针对两者的分段转子拓扑,开展电磁性能对比分析,包括气隙磁密、凸极比、功率以及弱磁扩速能力等。同时,考虑到无转子铁心加强筋会导致转子分段存在结构强度问题,仿真验证新型高凸极比聚磁转子结构在最高转速6000 r/min时给予碳纤维护套保护下转子结构强度的可靠性;分析温度限制下新型高凸极比转子电机的功率输出。另外,对比两种不同电机结构的振动噪声情况。最后,研制一台16极/72槽新型高凸极比转子永磁电机样机,实验验证有限元分析结果的准确性。进一步说明了新型高凸极比转子永磁电机在转矩/功率密度和宽调速运行等方面的性能优势。     

电动汽车驱动用永磁同步电机结构分析

针对一款100k W新能源汽车驱动用永磁同步电机低速大扭矩和高速恒功率区弱磁调速范围宽的要求,采用"V"型转子磁路结构。考虑电机实际控制策略在转折转速以内为最大转矩电流比(MTPA)控制,转折转速以上为弱磁控制,结合ANSYS Maxwell对电机主要性能进行了电磁场仿真分析,确定永磁同步电机各主要参数。并对样机进行了空载试验、负载试验。将样机试验测试结果与电磁场仿真计算结果进行对比分析。     

外转子双凸极永磁电动机的有限元分析

在双凸极变磁阻电机基础上，提出了一种外转子结构的双凸极永磁电动机并确定了其结构尺寸。针对该电机在不同转子位置角、不同电枢电流分别工作在单拍和双拍时的空载、负载以及电枢磁场单独作用的情况进行了基于场量的有限元数值计算，并进一步得出了该电机的静态参数特性曲线。分析表明，相对于双凸极变磁阻电机而言，由于该电机高磁阻高矫顽力的永磁体的存在，电机电枢磁链只能通过相邻极闭合而不能穿过磁钢匝链到其他相，使得绕组电感特性发生了变化。电枢磁通对永磁磁通增磁或去磁特性改变了永磁磁链的流向。电机由半周期控制运行模式变为全周期控制运行。     

针对直流母线电压跌落的永磁同步电机弱磁控制策略

针对车用永磁同步电机(PMSM)运行过程中直流母线电压跌落造成电机基速发生变化的问题,提出了一种根据直流母线电压实时调整PMSM直轴电流的弱磁控制方法。当电机母线电压低于给定转速所需要的母线电压,且电压极限椭圆与电流极限圆有交点时,通过判断电流调节器输出的电压综合矢量与实时直流母线电压,来调整电机直轴电流,从而维持恒定转速。根据所提控制方法搭建了基于MATLAB/Simulink的仿真模型,仿真结果验证了所提控制方法能够解决直流母线电压跌落带来的转速突变的问题。最后,在仿真的基础上搭建了试验平台,通过试验验证了该弱磁控制算法的有效性。