IPM电机多目标参数化分析及有效磁链控制

摘要

内置式永磁同步电机具有功率密度高、功率因数高、调速范围宽等优点，广泛应用于新能源汽车、纺织机械、数控机床和风力发电等领域。本文以电磁场理论为基础，较为系统地建立了两种内置式永磁同步电机的多变量参数化模型。转子位置的准确辨识是保证电机控制精度的关键，采用基于有效磁链算法的无感矢量控制方式，可在宽转速运行区域获得较好的控制性能。以下为本文的主要内容:
　　摒弃以极弧系数为基本设计变量的思路，它是由多个子变量综合决定的强耦合非线性变化的中间参数，而非边界区间内可任意调整的自变量，永磁体和隔磁桥设计参数才是影响极弧系数、气隙磁密和齿槽转矩的“根源”。分别建立“V”型和“一”字型内置式永磁同步电机的多变量参数化模型，修正隔磁桥边缘的漏磁影响，转子内永磁体激发的磁化强度可等效至转子轭表面。极弧系数与气隙磁密随设计变量呈非线性变化。
　　对开口、半开（闭）口定子槽模型，利用相对磁阻的思路，通过分段磁路法设计有齿槽模型下的磁密修正系数，进而解析齿槽转矩关于设计参数的多变量耦合关系式。结合对分迭代法通过缩小边界范围搜索能够最大程度削弱齿槽转矩的精确解。
　　针对定子齿端部易出现饱和的现象进行了分析。定子齿端部采用健壮设计有利于增大磁通面积、降低饱和程度;恰当牌号的硅钢片材料有助削弱齿槽转矩;模块化结构有利于维持磁导率相对增加;合理的辅助槽形状和尺寸有利于降低齿部饱和并削弱齿槽转矩。
　　初始及低速运行阶段转子位置的准确检测对于实现永磁同步电机无传感器控制至关重要。通过有效磁链算法将有凸极性的内置式永磁同步电机等效为虚拟隐极式电机，建立基于有效磁链观测器的无传感器矢量控制模型。利用Simulink仿真模块和实验测试平台得到:在初始状态、低速空载和中高速、轻载工况下，有效磁链观测器估算的转子角度能够较好地拟合实际转子位置且具有较快的响应特性。

目录

声明

摘要

1．1课题背景和意义

1．2永磁同步电机发展综述

1．3交流调速控制研究综述

1．4本文主要研究内容

2．永磁同步电机磁密解析与基本数学模型

2．1永磁同步电机分类及特点

2．2永磁同步电机磁密解析

2．3永磁电机基本数学模型

2．4本章小结

3．内置式永磁同步电机参数化数学分析模型

3．1极弧系数的主要影响因素

3．2“V”型内置式永磁同步电机参数化分析

3．21参数化几何模型

3．22基于等效磁场的磁密解析

3．3“一”字型内置式永磁同步电机参数化分析

3．31参数化几何模型的建立及等效磁场变换

3．32基于等效磁场的磁密解析

3．4相关设计变量对极弧系数和气隙磁密的影响

3．41极弧系数对设计变量的敏感性

3．42基于能量法的特定气隙磁密傅里叶分解次数

3．43 IPM电机参数化有限元模型的建立

3．5磁钢设计参数与聚磁效应的关系

3．6本章小结

4．基于半闭口槽的气隙磁密修正及齿槽转矩解析

4．1不同定子槽口模型下的气隙磁密修正

4．2齿槽转矩解析及参数化分析

4．21齿槽转矩产生原因、周期性及解析

4．22永磁体设计变量对齿槽转矩的影响

4．3基于对分迭代原理的小范围搜索

4．4本章小结

5．定子齿端部饱和对齿槽转矩的影响及削弱方法

5．1定子齿端部出现饱和的原因与改进

5．11健壮设计结构

5．12不同硅钢片材料的影响

5．2定子齿端部模块化结构

5．3定子齿部辅助槽对饱和及齿槽转矩的影响

5．4本章小结

6．基于有效磁链算法的IPM电机无感矢量控制

6．1基于IPM电机的有效磁链算法模型

6．2 SVPWM算法合成原理及建模

6．21扇区选择与确定

6．22基本电压矢量作用时间

6．23确定空间电压矢量时间切换点

6．3有效磁链观测器的无感矢量控制

6．4永磁同步电机伺服驱动系统

6．41主控制电路

6．42驱动电路

6．5实验测试

7．1总结

7．2展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢