淺析永磁輔助式同步磁阻電機轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制方法

黃新宇，李雪珍

（中車永濟電機有限公司，陜西 西安 710018）

當前異步起動永磁同步電動機 大多采用的是永磁材料，制造成本逐漸提升。怎樣在保證電機性能的基礎(chǔ)上減少永磁同步磁阻電機材料的使用，成為永磁同步電動機研究的重要問題。永磁輔助式同步磁阻電機是一種新型永磁同步電動機，在具體施工設(shè)計的時候會應(yīng)用鐵氧體永磁材料，從而達到永磁同步電動機功率的密度和力學(xué)指標。從發(fā)展實際情況來看，永磁磁阻電動機是由異步起動磁阻同步電動機發(fā)展起來，磁阻電動機轉(zhuǎn)子d、q 軸磁路不對稱，在使用的過程中具有較大的凸極比，在具體設(shè)計的使用不應(yīng)用永磁材料，但是從實際應(yīng)用情況來看這種電機力學(xué)性能指標不高，功率密度比較低。為了能夠克服磁阻電動機的使用缺陷，人們在電機d 和q 軸磁路中加入適量的永磁材料，從而有效提升整個永磁輔助式同步磁阻電機的性能。

1 永磁輔助同步電機建模

為了能夠了解電機的工作原理打造科學(xué)有效的仿真模型。永磁輔助同步電機剖面圖具體如圖1 所示。其轉(zhuǎn)子中增加了永磁版，磁阻同步電機轉(zhuǎn)子槽內(nèi)嵌入的用磁性情況如圖2 所示。由于磁阻同步的電機中轉(zhuǎn)子中沒有繞組線圈，電路模型具體由定子繞組決定。結(jié)合法拉第電磁感應(yīng)定律，在考慮電路耗能元件基礎(chǔ)上確定定子感應(yīng)電壓方程，具體如式（1）所示。上述方程是靜止ABC 坐標系下列出來的，定子繞組具體分為3 個120°左右的線圈。通過派克變換分析能夠簡化電機模型。

圖1 永磁輔助同步電機剖面圖

圖2 磁阻同步電機轉(zhuǎn)子槽內(nèi)嵌入永磁版

2 有限元分析

應(yīng)用二維有限元分析軟件來進行分析計算，在具體操作的時候?qū)? 個節(jié)點連接1 個階三角形有限元。之后再橫縱坐標系上打造一個定子槽并作網(wǎng)絡(luò)圖，通過復(fù)制方式來對打造出仿真電機區(qū)域的有限元網(wǎng)絡(luò)圖。對磁阻同步電機建模的時候需要采取有效的方式來辨別分析D-Q 軸的磁鏈、自感、互感參數(shù)信息。為了計算出磁鏈和電感值，可以應(yīng)用有限元分析方式來獲取磁通鏈的精確值，將永磁輔助磁阻同步電機的計算公式和信息輸入到有限元分析程序中，由此得到所需要的結(jié)果信息。

為了能夠充分分析永磁磁阻伺服電機的基本性能，相關(guān)人員設(shè)計并制作了1 臺永磁磁阻伺服電機樣機。樣機的主要技術(shù)和設(shè)計參數(shù)信息如表1 所示。永磁磁阻伺服電機電磁設(shè)計的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)子多層槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。一方面是合理選擇轉(zhuǎn)子槽的層數(shù)、槽形，另外一個方面是規(guī)劃好d 和q 軸磁路，從而使得整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)顯示出良好的凸極比。

表1 樣機主要技術(shù)和設(shè)計數(shù)據(jù)

3 實驗結(jié)果分析

為了能夠驗證永磁磁阻伺服電機性能和控制策略的有效性，以1.5kW 永磁磁阻伺服電機為實驗樣機，以DSP TMS320F2808 作為整個控制核心，制作了電機的控制器，打造實驗操作平臺。給定 轉(zhuǎn)速500r/min，負載轉(zhuǎn)矩3Nm 時永磁磁阻伺服電機樣機的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。電機轉(zhuǎn)速能夠呈現(xiàn)出穩(wěn)定的速度向上提升，在30ms 的時候達到給定轉(zhuǎn)速，在穩(wěn)定之后轉(zhuǎn)動速度較小。

為了能夠?qū)τ来磐诫妱訖C和永磁磁阻電動機進行穩(wěn)態(tài)和起動性能比較，打造30kW 永磁同步電動機和永磁磁阻電動機仿真模型。永磁同步電動機的具體技術(shù)數(shù)據(jù)信息如表2所示。轉(zhuǎn)子采用W 形結(jié)構(gòu)，永磁磁阻電動機的轉(zhuǎn)子采用了3層U 形結(jié)構(gòu)。永磁磁阻電動機鐵氧體型號為DM4545。

永磁同步電動機和永磁磁阻電動機額定工作情況下同步電感凸極比的有限元計算結(jié)果如表3 所示。和永磁同步電動機相比，永磁磁阻電動機是一種3 層U 形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，d 軸同步電感下降，q 軸的同步電感，凸極要比之間增加到3 倍左右。兩種電機的相關(guān)性能數(shù)據(jù)仿真結(jié)果如表4 所示。

圖3 樣機轉(zhuǎn)速相應(yīng)波形

表2 永磁同步電動機技術(shù)數(shù)據(jù)信息

表3 永磁同步電動機和永磁磁阻電動機額定工作情況下同步電感凸極比的有限元計算結(jié)果

表4 兩種電機的相關(guān)性能數(shù)據(jù)仿真結(jié)果

4 結(jié)語

綜上所述，永磁磁阻電動機是一種較大凸極比，在使用的時候依靠磁阻轉(zhuǎn)矩工作的同步電動機，在具體施工操作的時候如果想要滿足磁鏈補償條件，并在最大限度上利用磁阻轉(zhuǎn)矩的最大利用。永磁磁阻電動機中所具備的多層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和較低的氣隙磁場，在使用的過程中能能夠有效減少異步啟動的轉(zhuǎn)矩效率，從而有效降低之動轉(zhuǎn)矩速度，縮短操作時間。