現(xiàn)代永磁電機(jī)基本理論與關(guān)鍵技術(shù)讀書(shū)筆記-錢(qián)正國(guó)

1、現(xiàn)代永磁電機(jī)基本理論及讀書(shū)筆記錢(qián)正國(guó)152159永磁同步電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、損耗少、功率密度高、電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍極為廣泛，遍及航空航天、 國(guó)防、工農(nóng)業(yè)和產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。目前，永磁電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷的拓展，風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)等新能源領(lǐng)域也在大量使用永磁電機(jī)。因此，為了確保像電動(dòng)汽車(chē)這樣的應(yīng)用系統(tǒng)以及其它對(duì)可靠性要求更高的應(yīng)用領(lǐng)域的安全性，必須重視永磁同步電運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性?；ɡ蠋煆亩鄠€(gè)不同角度闡述了永磁電機(jī)的方方面面，教學(xué)方式不拘一格，思路開(kāi)拓，我作為一名研一新生，從中受益匪淺。目前導(dǎo)師給我初步安排的課題方向是關(guān)于特種電機(jī)的設(shè)計(jì)，雖然不是

2、永磁電機(jī)類(lèi)的電機(jī)設(shè)計(jì)，但電機(jī)設(shè)計(jì)的理念一脈相承。在接下的科研學(xué)習(xí)中我相信這門(mén)課也會(huì)帶來(lái)很多幫助。就這一學(xué)期的課程，我簡(jiǎn)單整理了一些筆記。主要是關(guān)于永磁電機(jī)基本結(jié)構(gòu)以及磁路設(shè)計(jì)，和電機(jī)控制的一些筆記。 永磁電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)從電機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)看，永磁無(wú)刷電機(jī)往往是首選，對(duì)于一種新型電機(jī)的設(shè)計(jì)，無(wú)刷運(yùn)行總是優(yōu)于有刷運(yùn)行的。永磁無(wú)刷電機(jī)可分為兩大類(lèi)，定子永磁型與轉(zhuǎn)子永磁型。轉(zhuǎn)子永磁型又再細(xì)分成表貼式，表面，。表貼式屬于隱極式，但電機(jī)旋轉(zhuǎn)離心力的存在可能導(dǎo)致永磁體脫落，這也限制了電機(jī)的運(yùn)行速度。表面式，但其具有更好的機(jī)械完整性，克服了表貼式離心力的影響。屬于凸極具有的所有特點(diǎn)，具備更好地機(jī)械結(jié)構(gòu)外，也造成了更大

3、的磁通泄漏。針對(duì)磁通泄漏等問(wèn)題，的永磁置，形狀已衍生出多種形式。這學(xué)期我和導(dǎo)師一起探討過(guò)一種新的材料駐極體，它的特性與永磁體極其相似，駐極體的電性與永磁體的磁性具有相似的共性，故也可稱(chēng)駐極體為永電體，那么如何利用駐極體設(shè)計(jì)新的電機(jī)，在結(jié)構(gòu)上是可以參考永磁電機(jī)基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。二 永磁材料永磁材料的發(fā)展決定了永磁電機(jī)的。從鋁鎳鈷，鐵氧體，稀土，粘結(jié)，這些永磁材料的發(fā)展可以看出，材料技術(shù)推動(dòng)了永磁材料的各項(xiàng)性能的發(fā)展優(yōu)化，所以我感受到電機(jī)設(shè)計(jì)需要有一定的遠(yuǎn)瞻性，不能被思維住。三 磁路設(shè)計(jì)方法電機(jī)分析方法主要分為簡(jiǎn)單磁路分析法，有限和磁網(wǎng)絡(luò)分析法。有限元法（Finite elementysis）以準(zhǔn)確

4、計(jì)算電機(jī)的靜態(tài)特性，但是這種方法仍較為復(fù)雜，需用較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。簡(jiǎn)單等效磁路法（Simplified magnetic circuit）建立電機(jī)的局部等效磁路，磁路簡(jiǎn)單，計(jì)算精度較差，但計(jì)算耗時(shí)少，可應(yīng)用于電機(jī)的定性分析。磁網(wǎng)絡(luò)法（Magnetic network）建立整個(gè)電機(jī)的磁網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)編程對(duì)鐵芯飽和進(jìn)行迭代計(jì)算，計(jì)算精度接近有限，計(jì)算耗時(shí)接近等效磁路法，非常適合電機(jī)的初始設(shè)計(jì)階段，缺點(diǎn)是建模過(guò)程較為復(fù)雜?；ɡ蠋熀统汤蠋熤攸c(diǎn)介紹了磁網(wǎng)絡(luò)建模的方法，磁網(wǎng)絡(luò)的磁導(dǎo)分為固定磁導(dǎo)和氣隙磁導(dǎo)。固定磁導(dǎo)指硅鋼片等支路的磁導(dǎo)，其大小和位置均不隨轉(zhuǎn)子位置的變化而改變；氣隙磁導(dǎo)指定轉(zhuǎn)子間氣隙磁路所在支路

5、的磁導(dǎo)，其大小和位置隨轉(zhuǎn)子位置的變化而改變，這在建模過(guò)程中是很復(fù)雜的。但是磁網(wǎng)絡(luò)模型的分析效果與有限很接近，精度很高，并且能從理論上解釋分析的結(jié)果，這是優(yōu)于有限的地方?；ɡ蠋熀统汤蠋煻颊故玖艘恍┐啪W(wǎng)絡(luò)模型，他們?cè)趯W(xué)生時(shí)代都做過(guò)這樣的工作，雖然工作復(fù)雜，工作量大，但是能夠幫助能夠更好地理解電機(jī)的磁路原理與運(yùn)行機(jī)制。這為象，受益匪淺。研一未來(lái)的科研態(tài)度樹(shù)立了一個(gè)很好的學(xué)習(xí)對(duì)四 永磁電機(jī)控制策略這一部分主要整理了矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制的一些基本概念，查閱了一些資料，列出了一些新的控制方法，電機(jī)控制需要新的注入。1.矢量控制永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的高精度，快響應(yīng)，小脈動(dòng)控制

6、，并獲得較高的效率。在實(shí)現(xiàn)同樣的轉(zhuǎn)矩輸出時(shí)，電機(jī)直軸電流和交軸電流有不同的組合，分別有以下五種電流控制方法：磁場(chǎng)定向控制（控制）；轉(zhuǎn)矩/電流最大控制；功率等于 1 控制；恒磁鏈控制；這四種電流控制方法特點(diǎn)如表 1：表 1 永磁同步電機(jī)矢量控制四種電流控制方法比較電流控制方法磁場(chǎng)定向控制轉(zhuǎn)矩/電流最大控制功率等恒磁鏈控制于 1 控制2.直接轉(zhuǎn)矩控制矢量控制之后，1985 年，德國(guó)大學(xué)的DePenbrock 教授首先提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，該方法摒棄了矢量控制的解耦，省掉了適量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜額定變換和計(jì)算，把轉(zhuǎn)矩作為直接被控量，不通過(guò)控制電流，磁鏈等間接量。其實(shí)質(zhì)是基于定子磁場(chǎng)定向和空間矢量分析法

7、，通過(guò)比較電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的給定值與實(shí)際值，確定需要作用到電機(jī)上的電壓空間矢量，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)所研究主要包括電機(jī)參數(shù)的檢測(cè)，電壓矢量離散化調(diào)制技術(shù)，無(wú)位置、速度傳感器控制技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問(wèn)題，其轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度遠(yuǎn)高于矢量控制 。但是由于采用了轉(zhuǎn)矩和磁鏈的滯環(huán)控制，因而轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，尤其在低速狀態(tài)下難以平穩(wěn)運(yùn)行。3.其他新控制策略隨著微處理器功能的不斷提高，價(jià)格的下降，各種先進(jìn)控制理論的新成果已被廣泛引入永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)研制之中。這些控制策略可以歸納為以下幾類(lèi)：1)自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制技術(shù)是指在一定的數(shù)學(xué)模型、確

8、定的算法下，可以在系統(tǒng)運(yùn)行情況變更時(shí)辯識(shí)系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)，修改系統(tǒng)運(yùn)行程序，以期改善系統(tǒng)在控制對(duì)象和運(yùn)優(yōu)點(diǎn)控制方法簡(jiǎn)單，計(jì)算量小。無(wú)直軸電樞反映對(duì)電機(jī)的去磁問(wèn)題在電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩相同情況下，所需電流最小。配合弱磁控制，可優(yōu)化恒功率區(qū)轉(zhuǎn)矩功能。功率為 1，可充分利用逆變器容量。功率較高。缺點(diǎn)轉(zhuǎn)矩，端電壓增加較快，功率 下降，逆變器容量要求高?？刂品椒◤?fù)雜，對(duì) DSP 性能要求較 高。相 流情況下，輸出轉(zhuǎn)矩最小。相流，輸出轉(zhuǎn)矩較小。適用中小功率交流調(diào)速系統(tǒng)中小功率交流調(diào)速系統(tǒng)大功率交流調(diào)速系統(tǒng)大功率交流調(diào)速系統(tǒng)行條件發(fā)生變化時(shí)的控制性能。自適應(yīng)控制的基本是：基于量測(cè)得到的信號(hào)，對(duì)不確定的被控對(duì)象(或等價(jià)的

9、說(shuō)，即相應(yīng)的控制器參數(shù))進(jìn)行估計(jì)，并在控制輸入計(jì)算中使用參數(shù)的估計(jì)值。原則上，不管系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)不確定性或者參數(shù)不確定性，自適應(yīng)控制都可以適用。自適應(yīng)控制技術(shù)能夠在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化的情況下保持良好的控制性能。但是，該控制算法的計(jì)算量較大，需要高速數(shù)據(jù)處理器。2)無(wú)源控制無(wú)源控制方法利用輸出反饋使得電機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)特性表現(xiàn)為一無(wú)源，從能量的角度出發(fā)，通過(guò)配置系統(tǒng)能量耗散特性方程中的無(wú)功分量，利用無(wú)功力的不影響穩(wěn)定性這一特性簡(jiǎn)化控制器的設(shè)計(jì)，迫使系統(tǒng)總能量期望的能量函數(shù)，并使系統(tǒng)的狀態(tài)變量漸近收斂至設(shè)定值。這是一種全局定義且全局穩(wěn)定的控制方法，無(wú)奇異點(diǎn)，魯棒性強(qiáng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有效，但其與系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有

10、關(guān)，模型中有些參數(shù)在實(shí)際工作中變化較大，同時(shí)還存在一些不確定，這樣導(dǎo)致自適應(yīng)性能、快速性、抗負(fù)載擾動(dòng)能力較弱。該方法在交流電機(jī)控制系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。3)自抗擾控制自抗擾控制是一種不依賴(lài)系統(tǒng)模型的非線性魯棒控制技術(shù)，能自動(dòng)檢測(cè)并補(bǔ)償被控對(duì)象的內(nèi)外擾動(dòng)，控制對(duì)象的參數(shù)發(fā)生變化或者遇到不確定性擾動(dòng)時(shí)都能得到很好的控制效果。該方法計(jì)算量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性、魯棒性和可操作性，但其可調(diào)參數(shù)較多且不易整定。該方法在永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。4)逆系統(tǒng)控制逆系統(tǒng)方法作為非線性反饋線性化方法的一種，是近幾年提出和發(fā)展起來(lái)的比較直觀形象、且易于理解的方法。利用被控對(duì)象的逆系統(tǒng)，將被控對(duì)

11、象補(bǔ)償成為具有線性傳遞關(guān)系的系統(tǒng)，再利用線性系統(tǒng)的理論來(lái)完成系統(tǒng)的綜合，實(shí)現(xiàn)在線性系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)的目標(biāo)。該方法已建立了比較完善的設(shè)計(jì)理論，它避免了對(duì)微分幾何或其它抽象的專(zhuān)門(mén)數(shù)學(xué)理論的引入，控制算法較簡(jiǎn)單，可應(yīng)用于永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中，但系統(tǒng)參數(shù)隨工況變化顯著，負(fù)載擾動(dòng)變化頻繁時(shí)，使逆系統(tǒng)方法控制效果有些不盡人意。5)魯棒控制魯棒控制是近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代控制方法，它是按照已掌握的被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型以及關(guān)于模型不確定性的某些信息來(lái)指導(dǎo)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，使得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定或滿(mǎn)足某種性能指標(biāo)，可應(yīng)用于永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中，魯棒補(bǔ)償器則能對(duì)各種外界擾動(dòng)(如負(fù)載變化、參數(shù)攝動(dòng)等)進(jìn)行有效補(bǔ)償，減小它們對(duì)閉環(huán)控制性能的影響。但其算法復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)較難。6)智能控制智能控制是自動(dòng)控制科學(xué)領(lǐng)域的一門(mén)新興學(xué)科，應(yīng)用這種先進(jìn)的控制技術(shù)可以解決一些傳統(tǒng)和其它現(xiàn)代控制方法還難以解決。它不依賴(lài)或不完全依賴(lài)于控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，只按實(shí)際效果進(jìn)行控制;繼承了人腦思維的非線性，智能控制器也具有非線性特征;同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)控制的便利可以根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)切換控制器的結(jié)構(gòu)，用變結(jié)構(gòu)的方法改善系統(tǒng)的性能。在復(fù)雜系統(tǒng)中，智能控制還具有分層信息處理和決策的功能。利用智能控制的非線性、變結(jié)構(gòu)、自尋優(yōu)等各種功能來(lái)克服交流控制系統(tǒng)變參數(shù)與非線性等不利，可以提高系統(tǒng)的魯棒性。目前在永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)