永磁同步电动机弱磁性能分析与控制策略研究

论文摘要

随着电力电子和永磁材料的发展，永磁同步电动机伺服系统应用越来越广泛。由于永磁同步电动机励磁不可调，并且永磁体位于电机的直轴上，使得直轴电感较小，限制了其弱磁扩速的能力。为提高永磁同步电动机的弱磁扩速能力，需要从电机的结构设计和控制策略两方面着手，从根本上解决弱磁扩速问题。本文在总结分析永磁同步电动机弱磁扩速及控制策略的研究应用现状基础上，从电机的电磁结构出发，并结合弱磁控制系统分析弱磁扩速问题，主要内容包括：首先，分析了影响永磁同步电动机弱磁性能的关键因素是空载永磁磁链和直轴电感，得到提高弱磁能力最有效的方法是增大直轴电感，并可根据直轴电感的大小判断永磁同步电动机的弱磁能力。在此基础上，具体深入分析了永磁材料、永磁体尺寸、气隙长度、定子槽口宽度和电枢绕组对永磁电机弱磁性能的影响，并给出了永磁电机的优化方案。然后针对径向式和切向式两种内置式永磁同步电动机，利用Ansoft软件分析了不同转子磁路结构电机的弱磁性能。有限元分析结果表明径向式永磁电机具有更好的转矩性能，而切向式永磁电机的扩速范围更广。并在考虑磁路饱和情况下计算了电机的空载漏磁系数、空载永磁磁链和交直轴同步电抗。径向结构具有更小的空载漏磁系数和永磁磁链，磁路饱和程度低，电感参数随电流变化程度小于切向结构。由于切向结构即使在弱磁条件下仍具有较高的饱和度，因此，弱磁控制时电机的直轴电感仍会发生变化。最后，基于矢量控制原理，提出了一种新型的弱磁控制方法，在电压坐标系下分析永磁电机的弱磁控制，简化了控制模型，并具有较好的动态响应和弱磁扩速性能。结合两种转子磁路结构的永磁同步电机模型，利用MATLAB/Simulink软件进行了控制系统仿真，表明切向结构具有更高的弱磁扩速能力，与有限元分析结果一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 永磁电机弱磁扩速的研究现状
• 1.3 永磁电机弱磁控制策略的研究现状
• 1.4 本文主要内容
• 第2章 永磁同步电动机结构参数对弱磁性能影响
• 2.1 永磁同步电机的弱磁参数分析
• 2.1.1 内置式永磁同步电动机数学模型
• 2.1.2 影响永磁同步电动机弱磁性能的主要参数分析
• 2.2 永磁体设计对弱磁性能的影响
• 2.2.1 永磁材料性能对弱磁的影响
• 2.2.2 永磁体尺寸对弱磁的影响
• 2.3 气隙长度对弱磁性能的影响
• 2.4 定子槽口宽度对弱磁性能的影响
• 2.5 电枢绕组对弱磁性能的影响
• 2.6 本章小结
• 第3章 不同转子磁路结构永磁同步电动机弱磁分析
• 3.1 内置式转子磁路结构
• 3.2 不同转子磁路结构永磁电动机有限元分析
• 3.2.1 有限元分析法
• 3.2.2 转矩、电流特性分析
• 3.3 空载漏磁系数分析
• 3.4 空载永磁磁链分析
• 3.5 交、直轴电感分析
• 3.5.1 交直轴电感计算
• 3.5.2 考虑磁路饱和的电感参数分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 永磁同步电动机弱磁控制策略研究
• 4.1 矢量控制
• 4.1.1 id=0 控制
• 4.1.2 最大转矩/电流控制
• 4.1.3 弱磁控制
• 4.2 内置式永磁同步电动机弱磁控制
• 4.2.1 传统弱磁控制算法
• 4.2.2 新型弱磁控制算法
• 4.2.3 弱磁控制仿真分析
• 4.3 不同转子结构永磁电机弱磁系统性能分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 致谢