王广生;黄守道;高剑
【摘 要】From the causes of overload characteristics of permanent magnet motor, the permanent magnet synchronous motor at the biggest turning point' s speed in constant torque region was analyzed, which offer us some of the ways to improve the performance of permanent magnet motor overload through optimizating motor parameters, as the greater the constant torque at the turning point, the small the motor speed , the mixed method of the maximum torque per current (MTPA) and control strategy was put forward , through the weak magnetic, the maximum speed of the motor achieve greater at the constant torque zone, and thereby enhance permanent magnet synchronous motor to over load.%从永磁电机过载故障的原因入手,分析了永磁同步电动机(PMSM)在恒转矩区的最大转折速度,提出一些通过电机参数优化来改善永磁电机过载性能的方法.由于电机最大恒转矩值越大转折速度越小,因此提出了最大转矩/电流(MTPA)与弱磁控制策略相结合的方法,通过弱磁最大转矩使电机在恒转矩区的转折速度达到更大,从而提高PMSM的过载能力.
【期刊名称】《电机与控制应用》
【年(卷),期】2011(038)005
【总页数】6页(P10-15)
【关键词】永磁同步电动机;过载特性;最大转矩;弱磁
【作 者】王广生;黄守道;高剑
【作者单位】湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082;湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082;湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082
【正文语种】中 文
【中图分类】TM301.4;TM351
0 引言
近年来，随着微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动
机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)得到了迅速推广使用，对其性能要求也越来越高，特别对过载能力的要求，而一般异步电机的过载能力低速时为额定转矩的1.8倍，高速时为额定转矩的1.2倍，过载持续时间是60 s。一般情况下，PMSM的最大转矩约为额定转矩的2.2倍。
现在具有平均运行效率高、功率因数高、起动力矩大、过载能力强、高效节能等特点，在电动汽车及牵引电机的领域使用较普遍。由于永磁电机励磁电流无法改变，需要通过调节定子电流来控制，且永磁电机磁场恒定，反电势系数与转矩系数之间的关系固定，要实现低速度大转矩，高速度时就会产生较高的电压和较大的反电动势，要获得稳定的最大转矩输出，需要有相应的控制策略。本文采用电机本体设计与控制方法相结合的方式来提高PMSM的最大转矩值，并通过MATLAB仿真验证了PMSM最大转矩特性及其相应的控制策略的可行性，为下一步研究打下了基础。
1 PMSM dq轴数学模型及转矩特性
PMSM忽略铁心饱和及电机绕组漏感，假设气隙中磁势呈正弦分布，忽略磁场的高次谐波。运用坐标变换理论，就可以得到在恒功率时同步旋转的两相坐标系下的数学模型。 电压方程可表示为
d、q轴电流分量可以表示为
式中:Ud，Uq——d、q 轴电压;
id，iq——d、q 轴电流;
rs——定子绕组电阻;
Ld，Lq——d、q 轴电感;
Ψd，Ψq——d、q轴磁链;
Ψf——永磁体的主磁链;
ωr——转子角频率;
p——微分算子，d/dt;
pm——电机极对数。
忽略定子电阻，稳态运行时PMSM的电磁转矩及运动方程为
Ip——电枢电流的幅值;
β——电枢电流向量超前q轴的电角度。
电磁转矩方程可表示为
图1～图7是6.3 kW PMSM在额定负载与过载情况下的转矩、磁密随时间的波形，可以看出开始起动时会发生振荡，且转矩幅值较大，经过一段时间后，转矩平稳的围绕固定值摆动。
图1 额定负载Sn=2 000 r/min，P=6.3 kW时永磁电机转矩－时间波形图
图2 过载时永磁电机转矩－时间波形图
图3 额定负载Sn=2 000 r/min，P=6.3 kW 时，永磁电机的气隙磁密－电角度波形图
图4 额定负载Sn=2 000 r/min，P=6.3 kW时永磁电机的磁力线分布情况
图5 过载时永磁电机的磁力线分布情况
图6 额定负载Sn=2 000r/min，P=6.3 kW 时 永 磁电机的永磁体磁密长度图
图7 过载时永磁电机的永磁体磁密长度图
PMSM的过载实际上就是破坏了电磁转矩与负载转矩的平衡。从PMSM矩角特性曲线来分析，开始时电动机工作于电磁转矩曲线与负载转矩曲线的交点，此时转矩角为某一固定值，该交点为非稳定工作点，如果有一个减少θ角的扰动，便会导致电动机加速，最后稳定于稳态工作点，如果有一个增加的角度扰动，即Tem＜TL，导致电动机减速，进入一个近似椭圆形转矩－转速轨迹运行，想要使电机重新回到稳定状态，电机电磁转矩会增大，转速下降，电机总趋向于减小θ角的方向。因此考虑永磁电机过载倍数的问题转化为研究电机最大转矩的问题。
一般在设计PMSM时，首先考虑其主要尺寸，而永磁电机主要尺寸的确定受最大转矩和一些动态响应性能限制。
式中:A——定子电负荷的有效值;
Bδ1——气隙磁密基波幅值。
对PMSM动态响应的要求体现为在最大转矩作用下，电动机在一时间tb内可线性的由静止加速到转折速度ωb，即
因此要想提高电机过载能力，只要增加电机的最大转矩输出即可。
2 永磁电机的过载分析及提高过载倍数的一些设计方法
电机过载是指电机的负载超过规定的额定负载的情况。一般电机都有一个固定的运行功率，称之为额定功率，如果在某种情况下使电机的实际使用功率超过电机的额定功率，则称该现象为电机过载。当电机过载时，相当于电机的负载转矩增大，电机的转速就会减慢，定子端的电流就会突然增大，温升变大，严重时会烧坏电机，故对电机过载特性的研究很有必要，可通过测量定子绕组的温度变化来判断电机是否过载。一般根据电机温升试验、转矩试验和材料测试试验结果，权衡利弊和成本后决定最终方案，使电机的过载问题得以解决。
PMSM的过载特性及其相应的控制能力不仅与电机本身的参数如直轴电枢反应电抗有关，
还与逆变器容量及直流母线电压大小有关。下面是一些从电机设计角度考虑提高电机过载能力的方法，影响永磁电机过载的主要参数有凸极率、弱磁率、交直轴电枢反应电抗、气隙长度、极弧系数、空载漏磁系数等。利用场路结合计算方法，通过调整电机模型结构参数，计算分析其对电机过载参数和性能的影响。
2.1 气隙长度对电机参数的影响
设计永磁电机时，在同一模型其他尺寸不变的情况下，改变气隙长度，由表1所示试验数据显示，气隙的长度越大，空载漏磁系数就越大，漏磁越多。当调整气隙为0.5 mm时，PMSM功率因数为0.972，效率达到96.64%，可以看出电机具有较高的性能指标，所以在保证空载漏磁系数不太大的情况下可以适当增加气隙长度。
表1 不用气隙长度对电机参数的影响参数δ/mm 0.45 0.50.55空载漏磁系数 σ0 1.268 1.2721.275效率 η/% 96.64 96.64 96.56功率因素 cos φ 0.976 0.972 0.969失步(过载)转矩倍数 T 1.842 1.8471.855
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