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

0 引言

電機(jī)是以電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的電力機(jī)械，永磁電機(jī)就是世界上產(chǎn)生的第一臺(tái)電機(jī)，與其它結(jié)構(gòu)形式的電機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行可靠、效率高、輸出轉(zhuǎn)矩高、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，因此已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天和石油化工等領(lǐng)域[1]。

它的伺服控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子位置檢測、直流母線電壓檢測、電樞電流檢測，并進(jìn)行計(jì)算，然后對電機(jī)進(jìn)行控制。因此永磁同步電動(dòng)機(jī)具有應(yīng)速度快、振動(dòng)小、精度高等特點(diǎn)，但是, 永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場是由永磁材料所產(chǎn)生, 磁場是恒定的 ,勵(lì)磁強(qiáng)度不可調(diào)節(jié), 因此，隨著轉(zhuǎn)速升高,電機(jī)端電壓上升，當(dāng)端電壓達(dá)到供電電壓的極限時(shí)，為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速，擴(kuò)展永磁同步電機(jī)的速度范圍，需要對永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行弱磁控制。

1 永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

依據(jù)轉(zhuǎn)子上永磁鐵的位置，永磁同步電動(dòng)機(jī)分為表面式和內(nèi)置式[2]，如圖1所示，為表面式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，分為表貼式和嵌入式。如圖2為內(nèi)置式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，分為徑向式和切向式。

圖1表面式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[3]

圖2內(nèi)置式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[3]

表貼式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，因轉(zhuǎn)子永磁材料磁導(dǎo)率和氣隙磁導(dǎo)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(zhuǎn)子不具有凸極效應(yīng)，不產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。永磁材料直接暴露在氣隙磁場中，易發(fā)生退磁，因此弱磁能力受到限制，但能夠把轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制到很低，所以適合用于低速、大轉(zhuǎn)矩的直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。表面嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和內(nèi)置式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由于q軸電感大于d軸電感，所以具有凸極效應(yīng)，有磁阻轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，利用磁阻轉(zhuǎn)矩可以有效提高電動(dòng)機(jī)的功率密度，另外，由于永磁材料在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，使得結(jié)構(gòu)更加牢固，增加了電機(jī)的安全性，但是漏磁通均大于表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，制造工藝較為復(fù)雜，制造成本有所增加，適合用于對電機(jī)調(diào)速范圍、效率較高的高速驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域 。

2 數(shù)學(xué)模型及弱磁控制理論

為了便于分析，假設(shè)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(chǎn)生的磁勢為正弦波分布，無高次諧波，在三相靜止ABC坐標(biāo)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(zhuǎn)子每極永磁磁鏈。

由式(1)、式(2)可得可得dq坐標(biāo)系下電壓方程

(3)

式中，ud，uq—d軸和q軸等效電壓；ωr—轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(jù)轉(zhuǎn)速的變化得到合適的定子電流分量id、iq， 這 2 個(gè)控制量的準(zhǔn)確程度和快慢直接決定了整個(gè)控制系統(tǒng)的性能。永磁電機(jī)運(yùn)行時(shí)，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(jī)，Ld=Lq，所以在平面內(nèi)其軌跡是圓，對嵌入式和內(nèi)置式永磁電機(jī)，Ld≠Lq，其軌跡是橢圓。增加速度，電壓限制圓會(huì)逐漸縮小。

電機(jī)的端電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)端電壓也達(dá)到極限電壓時(shí)，此時(shí)恒功率條件下，為達(dá)到電動(dòng)機(jī)能運(yùn)行于更高的轉(zhuǎn)速，應(yīng)降低勵(lì)磁電流，以保證電壓平衡。也就是說，電動(dòng)機(jī)可通過降低勵(lì)磁電流達(dá)到擴(kuò)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(qū)域A、B、C、D、E、F內(nèi)。

圖3電壓電流的極限橢圓

3.2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制分析

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

在結(jié)構(gòu)方面，表貼式和嵌入式為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由于轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，以滿足要求的弱磁運(yùn)行能力。

3.3 混合式永磁同步電機(jī)弱磁控制策略分析

混合式永磁同步電機(jī)由硅鋼沖片和對稱分布的相繞組構(gòu)成，圓筒形永磁體磁鋼沿轉(zhuǎn)子軸向分布，外面是兩塊互相錯(cuò)開的軟鐵磁軛，數(shù)學(xué)模型與控制方法與傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)類似，如圖4所示。

圖4混合式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[4]

混合式永磁同步電機(jī)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(lì)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(chǎn)生的電 壓可有效抵消反電勢。

對比型號(hào)D200型傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)與HPM型混合式永磁同步電機(jī)，混合式永磁同步電機(jī)采用采用基于電流負(fù)向控制的附加電壓閉環(huán)方法，試驗(yàn)結(jié)果表明，混合式永磁同步電機(jī)的弱磁擴(kuò)速倍數(shù)約是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的2.63倍，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)直軸電流id已經(jīng)到達(dá)電流極限，但遠(yuǎn)小于短路電流，弱磁控制能力受限。

4 結(jié)語

與表貼式和內(nèi)置式的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，混合式永磁同步電動(dòng)機(jī)可以有效提升永磁同步電機(jī)弱磁性能。由此可見,尋找一種高弱磁擴(kuò)速能力的新型電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制方法 ,是當(dāng)今研究的熱門。