一種混合勵(lì)磁電機(jī)的電流協(xié)調(diào)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是混合勵(lì)磁電機(jī)的通用控制技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究較多的永磁電機(jī)大都采用轉(zhuǎn)子永磁型，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng) 的交流同步電機(jī)都將建立氣隙主磁場(chǎng)的勵(lì)磁繞組安裝在轉(zhuǎn)子極上。而在轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)中， 利用永磁材料代替勵(lì)磁繞組，減小了銅耗，電動(dòng)機(jī)體積和重量大為減小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方 便、運(yùn)行可靠，在功率密度、轉(zhuǎn)矩慣性和效率方面都超過(guò)了傳統(tǒng)的直流電機(jī)和異步電機(jī)，是 高效節(jié)能電機(jī)的重要發(fā)展方向，近幾十年來(lái)受到廣泛重視。但這種電機(jī)由于將永磁體放置 在轉(zhuǎn)子上，為克服高速運(yùn)行時(shí)的離芯力，需要對(duì)轉(zhuǎn)子采取特別的輔助措施，如安裝由不銹鋼 或非金屬纖維材料制成的固定裝置等，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本提高。同時(shí)永磁體位于轉(zhuǎn) 子，冷卻條件差，散熱困難，而溫升可能會(huì)最終導(dǎo)致永磁體發(fā)生不可逆退磁、限制電機(jī)出力、 減小功率密度等，制約了電機(jī)性能的進(jìn)一步提高。
[0003] 針對(duì)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的缺點(diǎn)，自然就會(huì)聯(lián)想到定子永磁型的結(jié)構(gòu)。早在上世紀(jì)50年 代，美國(guó)學(xué)者Rauch和Johnson就開(kāi)始研究永磁體置于定子的新型永磁電機(jī)。但由于當(dāng)時(shí) 的永磁體材料性能較差，磁能級(jí)很低，導(dǎo)致滿足一定輸出電壓需求的電機(jī)本體需要設(shè)計(jì)的 很大，不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，所以早期并未引起足夠的重視，然而，該電機(jī)卻為后來(lái)出 現(xiàn)的其他定子永磁電機(jī)奠定了理論基礎(chǔ)。
[0004] 隨著以釹鐵硼（NdFeB)為代表的新型永磁稀土材料的出現(xiàn)和功率電子學(xué)、計(jì)算機(jī)、 控制理論的發(fā)展，從上世紀(jì)90年代開(kāi)始陸續(xù)出現(xiàn)三種新型結(jié)構(gòu)的定子永磁型無(wú)刷電機(jī)及 其控制系統(tǒng)，分別為： 1. 1992年由美國(guó)學(xué)者T.A.Lipo教授提出的雙凸極永磁電機(jī)（Double-Salient PermanentMagnetMotor); 2. 1996年由羅馬尼亞學(xué)者I.Boldea提出的磁通反向電機(jī)（FluxReversal Machine)； 3. 1997年由法國(guó)學(xué)者E.Hoang提出的磁通切換型永磁電機(jī)（Flux-Switching PermanentMagnetMachine)〇
[0005] 法國(guó)學(xué)者E.Hoang在1997年的EPE會(huì)議上，首先提出了三相12/10結(jié)構(gòu)的永磁 式磁通切換電機(jī)，定子為"U"形導(dǎo)磁鐵芯，中間嵌入切向交替充磁的永磁體。其后東南大學(xué) 程明教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組提出了兩相8/6結(jié)構(gòu)的永磁式磁通切換型電機(jī)，英國(guó)Leicester大 學(xué)和Sheffield大學(xué)分別對(duì)單相8/4結(jié)構(gòu)與4/2結(jié)構(gòu)的永磁式磁通切換型電機(jī)進(jìn)行了研 究。永磁式磁通切換型電機(jī)不存在勵(lì)磁損耗，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有永磁體和繞組，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效 率高，工作可靠。由于采用永磁體勵(lì)磁方式無(wú)法直接改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，作為發(fā)電機(jī)時(shí)存在電壓 調(diào)整率較大和故障滅磁困難，作為電動(dòng)機(jī)時(shí)難以實(shí)現(xiàn)弱磁升速，恒功率運(yùn)行范圍窄。
[0006] 為了綜合永磁勵(lì)磁與電勵(lì)磁磁通切換型電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，法國(guó)學(xué)者E.Hoang于2007 年推出了混合勵(lì)磁磁通切換型電機(jī)。與其提出的永磁式磁通切換型電機(jī)相比，在永磁體 端部增加了勵(lì)磁繞組，通過(guò)控制勵(lì)磁電流的大小和方向調(diào)節(jié)氣隙磁密，對(duì)永磁磁場(chǎng)起到增 磁或去磁的作用?；旌蟿?lì)磁磁通切換電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高，工作可靠，調(diào) 壓方便且調(diào)壓范圍寬，故障保護(hù)簡(jiǎn)單。然而，該結(jié)構(gòu)需要額外增加定子外徑，導(dǎo)致電機(jī)的 功率密度有所降低。2008年?yáng)|南大學(xué)花為副教授提出了新型結(jié)構(gòu)的混合勵(lì)磁磁通切換 (Hybrid-excitationflux-switching,HEFS電機(jī)）電機(jī)，并成功申請(qǐng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng) 目。
[0007] 雖然混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)的種類發(fā)展日新月異，但是卻沒(méi)有適用于該類電機(jī)的 通用控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明要解決的問(wèn)題是：對(duì)于混合勵(lì)磁磁通切換電機(jī)，提出適用于該類電機(jī)的通 用控制方法。
[0009] 本發(fā)明包括以下步驟： 1) 獲取混合勵(lì)磁電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速和輸出機(jī)械功率及電機(jī)參數(shù)； 2) 通過(guò)計(jì)算得出混合勵(lì)磁電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速和混合勵(lì)磁電機(jī)的輸出機(jī)械功率下電機(jī)可 能的電樞電流、內(nèi)功率因素角、勵(lì)磁電流； 3 )通過(guò)比較得到電機(jī)效率最高時(shí)的電樞電流、內(nèi)功率因素角、勵(lì)磁電流。
[0010] 其計(jì)算方法如圖6所示的流程圖。
[0011] 本發(fā)明對(duì)混合勵(lì)磁電機(jī)采用電流協(xié)調(diào)控制策略，使電機(jī)的電磁損耗與電樞電流、 內(nèi)功率因素角、勵(lì)磁電流成函數(shù)關(guān)系，根據(jù)輸入的電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速和輸出機(jī)械功率和電機(jī) 的其他參數(shù)，求解電樞電流、內(nèi)功率因素角、勵(lì)磁電流，使得電機(jī)的電磁損耗達(dá)到最小，實(shí)現(xiàn) 電機(jī)的最優(yōu)控制。本發(fā)明適合任意相結(jié)構(gòu)的包含有永磁體作為勵(lì)磁源的電機(jī)，包括純永磁 電機(jī)和混合勵(lì)磁電機(jī)，可使電機(jī)的效率達(dá)到最高，提高能源的利用率，節(jié)約能源成本。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為混合勵(lì)磁電機(jī)的直軸等效電路圖。
[0013] 圖2為混合勵(lì)磁電機(jī)的交軸等效電路圖。
[0014] 圖3為混合勵(lì)磁電機(jī)的相量圖。
[0015] 圖4為混合勵(lì)磁電機(jī)的勵(lì)磁支路電路圖。
[0016] 圖5為混合勵(lì)磁電機(jī)的通用控制方法流程圖。
[0017]圖6為計(jì)算磁通調(diào)整率a使常工作點(diǎn)運(yùn)行時(shí)的效率最高的方法流程圖。
[0018]圖7為混合勵(lì)磁電機(jī)在a=l時(shí)的（I，7；，/?)三維曲線圖。圖7中：〇是混合勵(lì) 磁電機(jī)的磁通調(diào)整率，每相繞組永磁磁通/每相繞組總磁通的最大值；Q?是混合勵(lì)磁 電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速；7；是混合勵(lì)磁電機(jī)的輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩；是混合勵(lì)磁電機(jī)的效率。
[0019] 圖8為混合勵(lì)磁電機(jī)在0=1時(shí)的d，7；，4)三維曲線圖。
[0020] 圖9為混合勵(lì)磁電機(jī)在a=0. 5時(shí)的（I，7；，/?)三維曲線圖。
[0021] 圖10為混合勵(lì)磁電機(jī)在〇?=0? 5時(shí)的（Q*，7；，4)三維曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種對(duì)混合勵(lì)磁電機(jī)采用電流協(xié)調(diào) 控制策略，使電機(jī)的電磁損耗與電樞電流、內(nèi)功率因素角、勵(lì)磁電流成函數(shù)關(guān)系，根據(jù)輸入 的電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速和輸出機(jī)械功率和電機(jī)的其他參數(shù)，求解電樞電流、內(nèi)功率因素角、勵(lì)磁 電流，使得電機(jī)的電磁損耗達(dá)到最小，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的最優(yōu)控制，并進(jìn)一步地提出一種計(jì)算混合 勵(lì)磁電機(jī)的磁通調(diào)整率〇(〇=每相繞組永磁磁通/每相繞組總磁通的最大值）從而使混 合勵(lì)磁電機(jī)在常工作點(diǎn)運(yùn)行時(shí)的效率最高的方法。
[0023] 本發(fā)明是一種對(duì)混合勵(lì)磁電機(jī)通用的控制方法，根據(jù)輸入的電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速和輸 出機(jī)械功率和電機(jī)的其他參數(shù)，求解電樞電流、內(nèi)功率因素角、勵(lì)磁電流，使得電機(jī)的電磁 損耗達(dá)到最小，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的最優(yōu)控制。
[0024] 混合勵(lì)磁電機(jī)的電壓方程式為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種混合勵(lì)磁電機(jī)的電流協(xié)調(diào)控制方法，其特征是包括以下步驟： 1) 獲取混合勵(lì)磁電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速和輸出機(jī)械功率及電機(jī)參數(shù)； 2) 通過(guò)計(jì)算得出混合勵(lì)磁電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速和混合勵(lì)磁電機(jī)的輸出機(jī)械功率下電機(jī)可 能的電樞電流、內(nèi)功率因素角、勵(lì)磁電流； 3) 通過(guò)MATLAB仿真計(jì)算比較得到電機(jī)效率最高時(shí)的電樞電流、內(nèi)功率因素角、勵(lì)磁電 流。
【專利摘要】一種混合勵(lì)磁電機(jī)的電流協(xié)調(diào)控制方法，屬于電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)領(lǐng)域，建立電機(jī)的電磁損耗與電樞電流、內(nèi)功率因數(shù)角、勵(lì)磁電流之間函數(shù)關(guān)系的精確數(shù)學(xué)模型，根據(jù)電機(jī)的輸出機(jī)械轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的性能要求，及其他參數(shù)，求解電樞電流、內(nèi)功率因素角、勵(lì)磁電流的最優(yōu)組合，使得電機(jī)的電磁損耗達(dá)到最小，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的效率最優(yōu)控制。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)步地提出種計(jì)算混合勵(lì)磁電機(jī)的磁通調(diào)整率，從而使混合勵(lì)磁電機(jī)在常工作點(diǎn)運(yùn)行時(shí)的效率最高的方法。本發(fā)明的實(shí)施對(duì)象為混合勵(lì)磁電機(jī)，本發(fā)明可使電機(jī)的效率達(dá)到最高，提高能源的利用率，節(jié)約能源成本。
【IPC分類】H02P21-14
【公開(kāi)號(hào)】CN104579093
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510061790
【發(fā)明人】花為, 吳中澤, 程明, 吳虹, 吳漢周
【申請(qǐng)人】揚(yáng)州市新港電機(jī)有限公司, 東南大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年2月6日