到50%. 而采用有限元方法计算的磁场调节系数为 60%到+30%. 显然, 考虑了铁心饱和与漏磁通影响的非线性有限元方法结果与实测结果更为接近.
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将“混合励磁”思想引入双凸极永磁电机, 提出一种定子永磁型混合励磁双凸极电机,对其进行系统深入的理论分析和实验研究.
中国科学: 技术科学 2010年 第40卷 第9期
图14 HEDS电机驱动系统控制原理框图
图13 不同励磁电流下的反电势波形
(a) 理论波形; (b) 实测波形
分配与控制的单元, 控制也更加复杂. 而且存在的额外电励磁铜耗, 也会降低电机的效率, 因此, 根据电机的设计性能指标, 如何制定合理的控制策略, 使电机在宽调速范围内保持较高的能量效率, 这是该类电机及其控制系统的又一难点之一.
为保证该类电机在整个运行区间具有较高效率,可对电机采用分区控制策略: 一是在电机启动或低速重载时施加短时正向励磁电流, 产生与永磁转矩方向一致的电励磁转矩, 从而提高电机的动态响应特性, 满足如电动汽车等场合需频繁快速启动、爬坡以及紧急制动所需的大转矩的运行要求; 二是在基速以下, 电励磁电流保持为零, 确保电机主要运行区间的高效率; 三是在大于基速的高速巡航区, 通过在线调节反向励磁电流, 实现电机的直接弱磁控制, 提高电机的运行速度, 拓宽电机的调速范围.
表2 磁场调节系数α+与α
5.2 运行性能
为验证理论分析的正确性以及电机的驱动性能,FEM (%) Measured (%)
MMF (A-turns) method (%)
制作了一台额定功率为750 W的原理样机, 如图15
600 50 55 59
所示, 并进行了实验研究. 图16为电机驱动系统实 400 33 37 38
200 17 17 18 验测试平台. 该系统由电机、基于DSP的驱动控制系0 0 0 0
统、直流测功机、电子负载以及动态转矩传感器等构
+200 17 17 14
成. 其中直流测功机由一台2.2 kW直流电动机和稳+400 33 21 20
+600 50 29 26 态转矩测试装置构成, 可显示稳态转矩的大小. 动态
转矩传感器可显示电机的动态转矩, 实时评估电机
5 控制策略与驱动性能验证
的转矩脉动.
电机处于基速以下时, 对电机的电流控制方法与
永磁无刷电机相似, 对于直槽转子电机, 可采用方波电流控制, 即BLDC控制方式, 如图17. 对于斜槽转子电机, 其反电势为正弦, 可采用正弦波进行控制[21], 即BLAC控制方式, 如图18所示. 当采用BLDC控制方式时, 电机转矩脉动较大, 而BLAC控制下,
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5.1 控制策略
图14为定子永磁型混合励磁双凸极电机驱动系统控制原理框图. 可以看出, 该电机与传统永磁电机相比, 增加了一个可控电励磁电流变量, 控制上更加灵活. 但由于控制系统需要增加额外的励磁电流
将“混合励磁”思想引入双凸极永磁电机, 提出一种定子永磁型混合励磁双凸极电机,对其进行系统深入的理论分析和实验研究.
朱孝勇等: 定子永磁型混合励磁双凸极电机设计、分析与控制
电机转矩脉动明显降低. 图19为电机在基速1500 r/min时的输出功率与效率, 可以看出, 该电机在很宽的功率输出范围内(200~780 W)能保持较高效率. 在额定点效率为84.5%, 与相同功率等级、相同转速的感应电机(典型效率值为75%)相比, 高近10%.
图20为电机突变速度给定下的速度和电流响应仿真和实测曲线. 首先给定电机速度为700 r/min, 3 s后变给定速度为1200 r/min, 6.5 s后速度给定变为600 r/min. 由图可以看出, 电机速度能根据给定速度快速变化, 表现出良好的动态跟踪能力.
5.3 调速范围与效率
首先, 验证电励磁绕组增磁时的动态性能, 图21给出了电机在有、无电励磁电流下的电机启动曲线,
图15 HEDS原理样机
给定速度为1500 r/min, 满负载运行, 当不加正向励磁电流时, 达到给定速度时间需要2.2 s; 当励磁绕组中施加+250安匝磁势时, 相同负载和转动惯量下电机仅需要1.3 s便达到相同的稳定速度. 这表明电机在启动时可通过施加正向励磁电流产生正的电励磁
图16 电机驱动系统实验平台
图18 斜槽电机BLAC控制方式下稳态电流和转矩波形
图17 直槽电机BLDC控制方式下稳态电流和转矩波形 1070
图19 电机基速1500 r/min时的输出功率与效率
将“混合励磁”思想引入双凸极永磁电机, 提出一种定子永磁型混合励磁双凸极电机,对其进行系统深入的理论分析和实验研究.
中国科学: 技术科学 2010年 第40卷 第9期
转矩, 缩短了电机的启动响应时间, 有效提高了电机动态响应性能, 另外, 由于启动过程一般比较短, 电励磁电流作用时间也相对较短, 电励磁的励磁功率对电机的整体效率影响不大.
进一步分析弱磁电流对电机速度的影响, 在给定负载相同情况下, 根据(27)式计算获得的电机的理想最大转速, 设定电机最大转速为3750 r/min. 为清楚表明电励磁电流对电机转速的影响, 仿真中对励磁电流采用了分段给定的方式, 如图22(a)所示. 电机刚启动时, 当电机施加正向电励磁电流时, 电机的响应速度明显高于不加电励磁电流时的响应, 这与图21实测启动响应相一致. 当不施加电励磁电流时, 电机速度接近2700 r/min时, 电压方程中端电压、反电势以及电枢压降达到平衡, 电枢绕组中无法获得足够的电流实现电机升速至给定转速3750 r/min. 通过分别施加不同大小的负向励磁电流, 速度能明显上升, 最终能稳定在给定转速3750 r/min.
相应地, 由图22(b)所示的实测波形也可以直观
看出励磁电流对电机转速的影响. 每次改变励磁电流时, 电机速度上升曲线便会出现一个加速拐点, 随着速度的不断增加, 电机的反电势也不断增加, 电枢电流逐渐减小, 速度上升逐渐变慢, 通过不断调节电机的励磁电流可实现电机的弱磁升速. 当电励磁电流为 3 A时, 即对应着 600安匝时, 电机的速度基本稳定在3500 r/min. 前面(27)式计算获得的理论空
图20 突变速度给定下电机的速度响应曲线
(a) 仿真; (b) 实验
载最大转速为3750 r/min, 由于实际负载转矩、电枢电流的测量误差因素, 以及电机制造与控制误差等因素, 实测与理论最大速度之间存在一定的偏差, 但这并不影响理论和实验分析结论的一致性. 图23给
出了励磁电流随速度上升而连续变化时, 电机转速与励磁电流之间的关系.