永磁同步电动机弱磁控制分析

(1佳木斯防爆电机研究所，黑龙江佳木斯 154005;2佳木斯大学，黑龙江佳木斯 154003)

0 引言

电机是以电能和机械能相互转换的电力机械，永磁电机就是世界上产生的第一台电机，与其它结构形式的电机相比，永磁同步电动机具有运行可靠、效率高、输出转矩高、功率密度高等优点，因此已经被广泛应用于工农业生产、航空航天和石油化工等领域[1]。

它的伺服控制系统包括转子位置检测、直流母线电压检测、电枢电流检测，并进行计算，然后对电机进行控制。因此永磁同步电动机具有应速度快、振动小、精度高等特点，但是, 永磁同步电动机的转子磁场是由永磁材料所产生, 磁场是恒定的 ,励磁强度不可调节, 因此，随着转速升高,电机端电压上升，当端电压达到供电电压的极限时，为了进一步提高转速，扩展永磁同步电机的速度范围，需要对永磁同步电动机进行弱磁控制。

1 永磁同步电动机结构及其特点

依据转子上永磁铁的位置，永磁同步电动机分为表面式和内置式[2]，如图1所示，为表面式永磁电机转子结构，分为表贴式和嵌入式。如图2为内置式永磁电机转子结构，分为径向式和切向式。

图1表面式永磁电机转子结构[3]

图2内置式永磁电机转子结构[3]

表贴式永磁电机转子结构，因转子永磁材料磁导率和气隙磁导率大小相近，气隙均匀且较大，其d轴和q轴电感相等，所以，表贴式转子不具有凸极效应，不产生磁阻转矩。永磁材料直接暴露在气隙磁场中，易发生退磁，因此弱磁能力受到限制，但能够把转矩脉动控制到很低，所以适合用于低速、大转矩的直接驱动系统。表面嵌入式转子结构和内置式永磁电机转子结构，由于q轴电感大于d轴电感，所以具有凸极效应，有磁阻转矩产生，利用磁阻转矩可以有效提高电动机的功率密度，另外，由于永磁材料在转子铁心内部，使得结构更加牢固，增加了电机的安全性，但是漏磁通均大于表贴式转子结构，制造工艺较为复杂，制造成本有所增加，适合用于对电机调速范围、效率较高的高速驱动领域 。

2 数学模型及弱磁控制理论

为了便于分析，假设定子绕组三相对称并且完全相同，相差 120°，磁路是线性的，永磁体在气隙空间中产生的磁势为正弦波分布，无高次谐波，在三相静止ABC坐标系中，可以得到定子电压方程如下

(1)

式中，uA，uB，uC—三相绕组相电压；Ra—每相绕组电阻；iA，iB，iC—三相绕组相电流；λA，λB，λC—三相绕组的磁链。

磁链方程如下

(2)

式中，LAA，LBB，LCC—每相绕组自感；MAB，MAC，MBB，MBC，MCB，MCC—两相绕组互感；λmA，λmB，λmC—转子每极永磁磁链。

由式(1)、式(2)可得可得dq坐标系下电压方程

(3)

式中，ud，uq—d轴和q轴等效电压；ωr—转子旋转电角速度；Ld、Lq—d轴和q轴等效电感λd和λq分别为d轴和q轴等效磁链；id、iq—d轴和q轴等效电流；λPM—永磁体磁链幅值。

3 弱磁控制策略分析

3.1 电压电流的极限椭圆限制

弱磁控制的核心就是根据转速的变化得到合适的定子电流分量id、iq， 这 2 个控制量的准确程度和快慢直接决定了整个控制系统的性能。永磁电机运行时，电流Ia和电压Ua需满足下列方程

(6)

将式(3)带入式(6)中的电压方程，可得

(7)

对表贴式永磁电机，Ld=Lq，所以在平面内其轨迹是圆，对嵌入式和内置式永磁电机，Ld≠Lq，其轨迹是椭圆。增加速度，电压限制圆会逐渐缩小。

电机的端电压与电机转速成正比，当电机转速达到额定转速时，电机端电压也达到极限电压时，此时恒功率条件下，为达到电动机能运行于更高的转速，应降低励磁电流，以保证电压平衡。也就是说，电动机可通过降低励磁电流达到扩速目的。

如图3为电压电流的极限椭圆，定子电流矢量Ia一定要落在电流和电压极限椭圆围成的区域A、B、C、D、E、F内。

图3电压电流的极限椭圆

3.2 传统结构的永磁同步电动机弱磁控制分析

永磁同步电动机采用的是永磁体，因而只能通过定子电流进行调节，即需要将定子直轴去磁电流分量增加，同时为了使电枢电流不超过电流极限值，则交轴电流分量就应该相对应的进行减小。前者增加与直轴的电感相关，后者减少也与交轴的电感有关。

在结构方面，表贴式和嵌入式为传统结构，由于转子的永磁体磁阻率与空气大小相近，其等效气隙很大，直轴的电抗很小，因此在正常电压条件下，直轴电流不可能很大，所以无法得到合适的弱磁效果。因此需要寻找合适的结构，以满足要求的弱磁运行能力。

3.3 混合式永磁同步电机弱磁控制策略分析

混合式永磁同步电机由硅钢冲片和对称分布的相绕组构成，圆筒形永磁体磁钢沿转子轴向分布，外面是两块互相错开的软铁磁轭，数学模型与控制方法与传统永磁同步电机类似，如图4所示。

图4混合式永磁同步电机转子结构[4]

混合式永磁同步电机的气隙较小，相同气隙磁密的条件下，永磁体的磁势较小，可以有效的削弱励磁磁势，气隙小直轴电感大，短路电流也较小，直轴去磁电流产生的电 压可有效抵消反电势。

对比型号D200型传统结构永磁同步电机与HPM型混合式永磁同步电机，混合式永磁同步电机采用采用基于电流负向控制的附加电压闭环方法，试验结果表明，混合式永磁同步电机的弱磁扩速倍数约是传统结构永磁同步电机的2.63倍，同时发现，传统结构永磁同步电机直轴电流id已经到达电流极限，但远小于短路电流，弱磁控制能力受限。

4 结语

与表贴式和内置式的传统结构相比，混合式永磁同步电动机可以有效提升永磁同步电机弱磁性能。由此可见,寻找一种高弱磁扩速能力的新型电机结构和控制方法 ,是当今研究的热门。