现代永磁电机基本理论与关键技术读书笔记-钱正国

1、现代永磁电机基本理论及读书笔记钱正国152159永磁同步电机由于其结构简单、运行可靠、损耗少、功率密度高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，应用范围极为广泛，遍及航空航天、 国防、工农业和产和日常生活的各个领域。目前，永磁电机的应用领域仍在不断的拓展，风力发电、电动汽车等新能源领域也在大量使用永磁电机。因此，为了确保像电动汽车这样的应用系统以及其它对可靠性要求更高的应用领域的安全性，必须重视永磁同步电运行的可靠性和稳定性。花老师从多个不同角度阐述了永磁电机的方方面面，教学方式不拘一格，思路开拓，我作为一名研一新生，从中受益匪浅。目前导师给我初步安排的课题方向是关于特种电机的设计，虽然不是

2、永磁电机类的电机设计，但电机设计的理念一脉相承。在接下的科研学习中我相信这门课也会带来很多帮助。就这一学期的课程，我简单整理了一些笔记。主要是关于永磁电机基本结构以及磁路设计，和电机控制的一些笔记。 永磁电机的基本结构从电机结构来看，永磁无刷电机往往是首选，对于一种新型电机的设计，无刷运行总是优于有刷运行的。永磁无刷电机可分为两大类，定子永磁型与转子永磁型。转子永磁型又再细分成表贴式，表面，。表贴式属于隐极式，但电机旋转离心力的存在可能导致永磁体脱落，这也限制了电机的运行速度。表面式，但其具有更好的机械完整性，克服了表贴式离心力的影响。属于凸极具有的所有特点，具备更好地机械结构外，也造成了更大

3、的磁通泄漏。针对磁通泄漏等问题，的永磁置，形状已衍生出多种形式。这学期我和导师一起探讨过一种新的材料驻极体，它的特性与永磁体极其相似，驻极体的电性与永磁体的磁性具有相似的共性，故也可称驻极体为永电体，那么如何利用驻极体设计新的电机，在结构上是可以参考永磁电机基本结构设计的。二 永磁材料永磁材料的发展决定了永磁电机的。从铝镍钴，铁氧体，稀土，粘结，这些永磁材料的发展可以看出，材料技术推动了永磁材料的各项性能的发展优化，所以我感受到电机设计需要有一定的远瞻性，不能被思维住。三 磁路设计方法电机分析方法主要分为简单磁路分析法，有限和磁网络分析法。有限元法（Finite elementysis）以准确

4、计算电机的静态特性，但是这种方法仍较为复杂，需用较长的计算时间。简单等效磁路法（Simplified magnetic circuit）建立电机的局部等效磁路，磁路简单，计算精度较差，但计算耗时少，可应用于电机的定性分析。磁网络法（Magnetic network）建立整个电机的磁网络模型，通过编程对铁芯饱和进行迭代计算，计算精度接近有限，计算耗时接近等效磁路法，非常适合电机的初始设计阶段，缺点是建模过程较为复杂。花老师和程老师重点介绍了磁网络建模的方法，磁网络的磁导分为固定磁导和气隙磁导。固定磁导指硅钢片等支路的磁导，其大小和位置均不随转子位置的变化而改变；气隙磁导指定转子间气隙磁路所在支路

5、的磁导，其大小和位置随转子位置的变化而改变，这在建模过程中是很复杂的。但是磁网络模型的分析效果与有限很接近，精度很高，并且能从理论上解释分析的结果，这是优于有限的地方。花老师和程老师都展示了一些磁网络模型，他们在学生时代都做过这样的工作，虽然工作复杂，工作量大，但是能够帮助能够更好地理解电机的磁路原理与运行机制。这为象，受益匪浅。研一未来的科研态度树立了一个很好的学习对四 永磁电机控制策略这一部分主要整理了矢量控制与直接转矩控制的一些基本概念，查阅了一些资料，列出了一些新的控制方法，电机控制需要新的注入。1.矢量控制永磁同步电机矢量控制系统需要实现的是对电机输出转矩的高精度，快响应，小脉动控制

6、，并获得较高的效率。在实现同样的转矩输出时，电机直轴电流和交轴电流有不同的组合，分别有以下五种电流控制方法：磁场定向控制（控制）；转矩/电流最大控制；功率等于 1 控制；恒磁链控制；这四种电流控制方法特点如表 1：表 1 永磁同步电机矢量控制四种电流控制方法比较电流控制方法磁场定向控制转矩/电流最大控制功率等恒磁链控制于 1 控制2.直接转矩控制矢量控制之后，1985 年，德国大学的DePenbrock 教授首先提出了直接转矩控制理论，该方法摒弃了矢量控制的解耦，省掉了适量旋转变换等复杂额定变换和计算，把转矩作为直接被控量，不通过控制电流，磁链等间接量。其实质是基于定子磁场定向和空间矢量分析法

7、，通过比较电机磁链和转矩的给定值与实际值，确定需要作用到电机上的电压空间矢量，从而实现电机磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制技术所研究主要包括电机参数的检测，电压矢量离散化调制技术，无位置、速度传感器控制技术。直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题，其转矩响应速度远高于矢量控制 。但是由于采用了转矩和磁链的滞环控制，因而转矩脉动大，尤其在低速状态下难以平稳运行。3.其他新控制策略随着微处理器功能的不断提高，价格的下降，各种先进控制理论的新成果已被广泛引入永磁同步电机控制系统研制之中。这些控制策略可以归纳为以下几类：1)自适应控制自适应控制技术是指在一定的数学模型、确

8、定的算法下，可以在系统运行情况变更时辩识系统有关参数，修改系统运行程序，以期改善系统在控制对象和运优点控制方法简单，计算量小。无直轴电枢反映对电机的去磁问题在电机输出转矩相同情况下，所需电流最小。配合弱磁控制，可优化恒功率区转矩功能。功率为 1，可充分利用逆变器容量。功率较高。缺点转矩，端电压增加较快，功率 下降，逆变器容量要求高。控制方法复杂，对 DSP 性能要求较 高。相 流情况下，输出转矩最小。相流，输出转矩较小。适用中小功率交流调速系统中小功率交流调速系统大功率交流调速系统大功率交流调速系统行条件发生变化时的控制性能。自适应控制的基本是：基于量测得到的信号，对不确定的被控对象(或等价的

9、说，即相应的控制器参数)进行估计，并在控制输入计算中使用参数的估计值。原则上，不管系统具有动态结构不确定性或者参数不确定性，自适应控制都可以适用。自适应控制技术能够在系统参数发生变化的情况下保持良好的控制性能。但是，该控制算法的计算量较大，需要高速数据处理器。2)无源控制无源控制方法利用输出反馈使得电机闭环系统特性表现为一无源，从能量的角度出发，通过配置系统能量耗散特性方程中的无功分量，利用无功力的不影响稳定性这一特性简化控制器的设计，迫使系统总能量期望的能量函数，并使系统的状态变量渐近收敛至设定值。这是一种全局定义且全局稳定的控制方法，无奇异点，鲁棒性强，设计简单有效，但其与系统的数学模型有

10、关，模型中有些参数在实际工作中变化较大，同时还存在一些不确定，这样导致自适应性能、快速性、抗负载扰动能力较弱。该方法在交流电机控制系统中得到了应用。3)自抗扰控制自抗扰控制是一种不依赖系统模型的非线性鲁棒控制技术，能自动检测并补偿被控对象的内外扰动，控制对象的参数发生变化或者遇到不确定性扰动时都能得到很好的控制效果。该方法计算量小，动态响应快，具有较强的适应性、鲁棒性和可操作性，但其可调参数较多且不易整定。该方法在永磁同步电机控制系统中得到了广泛的应用。4)逆系统控制逆系统方法作为非线性反馈线性化方法的一种，是近几年提出和发展起来的比较直观形象、且易于理解的方法。利用被控对象的逆系统，将被控对

11、象补偿成为具有线性传递关系的系统，再利用线性系统的理论来完成系统的综合，实现在线性系统中能够实现的目标。该方法已建立了比较完善的设计理论，它避免了对微分几何或其它抽象的专门数学理论的引入，控制算法较简单，可应用于永磁同步电机控制系统中，但系统参数随工况变化显著，负载扰动变化频繁时，使逆系统方法控制效果有些不尽人意。5)鲁棒控制鲁棒控制是近年来新发展起来的一种现代控制方法，它是按照已掌握的被控对象的数学模型以及关于模型不确定性的某些信息来指导控制系统的分析和设计，使得闭环系统稳定或满足某种性能指标，可应用于永磁同步电机控制系统中，鲁棒补偿器则能对各种外界扰动(如负载变化、参数摄动等)进行有效补偿，减小它们对闭环控制性能的影响。但其算法复杂，实现较难。6)智能控制智能控制是自动控制科学领域的一门新兴学科，应用这种先进的控制技术可以解决一些传统和其它现代控制方法还难以解决。它不依赖或不完全依赖于控制对象的数学模型，只按实际效果进行控制;继承了人脑思维的非线性，智能控制器也具有非线性特征;同时，利用计算机控制的便利可以根据当前状态切换控制器的结构，用变结构的方法改善系统的性能。在复杂系统中，智能控制还具有分层信息处理和决策的功能。利用智能控制的非线性、变结构、自寻优等各种功能来克服交流控制系统变参数与非线性等不利，可以提高系统的鲁棒性。目前在永磁同步电机控制系统应