永磁同步電動機弱磁控制分析

(1佳木斯防爆電機研究所，黑龍江佳木斯 154005;2佳木斯大學，黑龍江佳木斯 154003)

0 引言

電機是以電能和機械能相互轉換的電力機械，永磁電機就是世界上產生的第一臺電機，與其它結構形式的電機相比，永磁同步電動機具有運行可靠、效率高、輸出轉矩高、功率密度高等優點，因此已經被廣泛應用于工農業生產、航空航天和石油化工等領域[1]。

它的伺服控制系統包括轉子位置檢測、直流母線電壓檢測、電樞電流檢測，并進行計算，然后對電機進行控制。因此永磁同步電動機具有應速度快、振動小、精度高等特點，但是, 永磁同步電動機的轉子磁場是由永磁材料所產生, 磁場是恒定的 ,勵磁強度不可調節, 因此，隨著轉速升高,電機端電壓上升，當端電壓達到供電電壓的極限時，為了進一步提高轉速，擴展永磁同步電機的速度范圍，需要對永磁同步電動機進行弱磁控制。

1 永磁同步電動機結構及其特點

依據轉子上永磁鐵的位置，永磁同步電動機分為表面式和內置式[2]，如圖1所示，為表面式永磁電機轉子結構，分為表貼式和嵌入式。如圖2為內置式永磁電機轉子結構，分為徑向式和切向式。

圖1表面式永磁電機轉子結構[3]

圖2內置式永磁電機轉子結構[3]

表貼式永磁電機轉子結構，因轉子永磁材料磁導率和氣隙磁導率大小相近，氣隙均勻且較大，其d軸和q軸電感相等，所以，表貼式轉子不具有凸極效應，不產生磁阻轉矩。永磁材料直接暴露在氣隙磁場中，易發生退磁，因此弱磁能力受到限制，但能夠把轉矩脈動控制到很低，所以適合用于低速、大轉矩的直接驅動系統。表面嵌入式轉子結構和內置式永磁電機轉子結構，由于q軸電感大于d軸電感，所以具有凸極效應，有磁阻轉矩產生，利用磁阻轉矩可以有效提高電動機的功率密度，另外，由于永磁材料在轉子鐵心內部，使得結構更加牢固，增加了電機的安全性，但是漏磁通均大于表貼式轉子結構，制造工藝較為復雜，制造成本有所增加，適合用于對電機調速范圍、效率較高的高速驅動領域 。

2 數學模型及弱磁控制理論

為了便于分析，假設定子繞組三相對稱并且完全相同，相差 120°，磁路是線性的，永磁體在氣隙空間中產生的磁勢為正弦波分布，無高次諧波，在三相靜止ABC坐標系中，可以得到定子電壓方程如下

(1)

式中，uA，uB，uC—三相繞組相電壓；Ra—每相繞組電阻；iA，iB，iC—三相繞組相電流；λA，λB，λC—三相繞組的磁鏈。

磁鏈方程如下

(2)

式中，LAA，LBB，LCC—每相繞組自感；MAB，MAC，MBB，MBC，MCB，MCC—兩相繞組互感；λmA，λmB，λmC—轉子每極永磁磁鏈。

由式(1)、式(2)可得可得dq坐標系下電壓方程

(3)

式中，ud，uq—d軸和q軸等效電壓；ωr—轉子旋轉電角速度；Ld、Lq—d軸和q軸等效電感λd和λq分別為d軸和q軸等效磁鏈；id、iq—d軸和q軸等效電流；λPM—永磁體磁鏈幅值。

3 弱磁控制策略分析

3.1 電壓電流的極限橢圓限制

弱磁控制的核心就是根據轉速的變化得到合適的定子電流分量id、iq， 這 2 個控制量的準確程度和快慢直接決定了整個控制系統的性能。永磁電機運行時，電流Ia和電壓Ua需滿足下列方程

(6)

將式(3)帶入式(6)中的電壓方程，可得

(7)

對表貼式永磁電機，Ld=Lq，所以在平面內其軌跡是圓，對嵌入式和內置式永磁電機，Ld≠Lq，其軌跡是橢圓。增加速度，電壓限制圓會逐漸縮小。

電機的端電壓與電機轉速成正比，當電機轉速達到額定轉速時，電機端電壓也達到極限電壓時，此時恒功率條件下，為達到電動機能運行于更高的轉速，應降低勵磁電流，以保證電壓平衡。也就是說，電動機可通過降低勵磁電流達到擴速目的。

如圖3為電壓電流的極限橢圓，定子電流矢量Ia一定要落在電流和電壓極限橢圓圍成的區域A、B、C、D、E、F內。

圖3電壓電流的極限橢圓

3.2 傳統結構的永磁同步電動機弱磁控制分析

永磁同步電動機采用的是永磁體，因而只能通過定子電流進行調節，即需要將定子直軸去磁電流分量增加，同時為了使電樞電流不超過電流極限值，則交軸電流分量就應該相對應的進行減小。前者增加與直軸的電感相關，后者減少也與交軸的電感有關。

在結構方面，表貼式和嵌入式為傳統結構，由于轉子的永磁體磁阻率與空氣大小相近，其等效氣隙很大，直軸的電抗很小，因此在正常電壓條件下，直軸電流不可能很大，所以無法得到合適的弱磁效果。因此需要尋找合適的結構，以滿足要求的弱磁運行能力。

3.3 混合式永磁同步電機弱磁控制策略分析

混合式永磁同步電機由硅鋼沖片和對稱分布的相繞組構成，圓筒形永磁體磁鋼沿轉子軸向分布，外面是兩塊互相錯開的軟鐵磁軛，數學模型與控制方法與傳統永磁同步電機類似，如圖4所示。

圖4混合式永磁同步電機轉子結構[4]

混合式永磁同步電機的氣隙較小，相同氣隙磁密的條件下，永磁體的磁勢較小，可以有效的削弱勵磁磁勢，氣隙小直軸電感大，短路電流也較小，直軸去磁電流產生的電 壓可有效抵消反電勢。

對比型號D200型傳統結構永磁同步電機與HPM型混合式永磁同步電機，混合式永磁同步電機采用采用基于電流負向控制的附加電壓閉環方法，試驗結果表明，混合式永磁同步電機的弱磁擴速倍數約是傳統結構永磁同步電機的2.63倍，同時發現，傳統結構永磁同步電機直軸電流id已經到達電流極限，但遠小于短路電流，弱磁控制能力受限。

4 結語

與表貼式和內置式的傳統結構相比，混合式永磁同步電動機可以有效提升永磁同步電機弱磁性能。由此可見,尋找一種高弱磁擴速能力的新型電機結構和控制方法 ,是當今研究的熱門。