[發明專利]永磁電機磁路結構與矢量控制相結合的可控弱磁技術

無效

• 申請號: 200610130401.4
• 申請日: 2006-12-19
• 公開（公告）號: CN101207362A
• 公開（公告）日: 2008-06-25
• 發明（設計）人: 陳偉農;季小尹;曲國杰;楊德榮
• 申請（專利權）人: 天津航天鑫茂稀土機電科技有限公司
• 主分類號: H02P21/06
• 分類號: H02P21/06;H02P6/14
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• 代理人: 暫無信息

所屬技術領域

本發明可應用于電動力驅動的牽引車輛，采用稀土永磁同步電機控制系統驅動車輛，實現基速以上寬范圍恒功率弱磁擴速。

背景技術

稀土永磁電機由于采用永磁體勵磁而使得其結構簡單、運行可靠、體積小、重量輕、損耗小、效率高、電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優點。然而，永磁電機采用永磁體勵磁，也造成調節勵磁的困難，難以實現在基速以上恒功率弱磁擴速運行。

和電勵磁同步電機不同，稀土永磁同步電機的轉子勵磁固定不變，永磁場產生的反電勢和速度成正比，當電機端電壓隨轉速升高到逆變器能夠輸出的最大電壓之后，繼續升高電機的速度，稀土永磁同步電機將無法再做恒轉矩運行，而必須采取下述措施之一(或兼而用之)，以維持電樞繞組的電勢平衡，從而獲得一個新的調速范圍。

措施一：對于可以進行電流相位控制的稀土永磁同步電機，使直軸電流I_d≠0，并起去磁作用，以消弱永磁場(即所謂弱磁)，且隨著速度的升高，起去磁作用的I_d分量要不斷增加，電勢平衡才能繼續維持。這種弱磁能力的大小與電樞繞組的直軸電感L_d成正比。這種措施只是考慮用電樞反映直軸分量對永磁磁極直接去磁方法，這對于稀土永磁材料用得多的磁極不容易達到弱磁效果，而對于稀土永磁材料用得少的磁極會造成不可恢復的退磁。

措施二：使電樞電流的交軸分量I_q逐漸減小從而減小其電樞反應的助磁作用及氣隙合成磁場(這是一種等效弱磁)。這種弱磁能力的大小與交軸電感L_q成正比。盡管這一等效弱磁措施能夠擴展電機恒轉矩調速范圍之外的調速范圍(即弱磁范圍)，但它以犧牲恒轉矩調速范圍和輸出轉矩為代價。因此，其能力的大小對電機的總調速范圍沒有多大影響。相反，隨著這種能力的增大(X_d的增大)，恒轉矩范圍變窄，弱磁范圍變寬，電機總的調速范圍會有所減小，電機的輸出轉矩特性越來越軟。

在稀土永磁同步電機驅動系統中，采取通常的弱磁擴速措施，常常達不到預期的擴速效果，主要表現為擴速范圍小，無法滿足應用要求；在擴速狀態下，輸出功率隨速度增加而迅速下降，導致力矩不足。永磁電機最簡單的弱磁辦法是利用電樞反應削弱勵磁，即使定子電流的直軸分量I_d＜0，其產生的磁場方向與氣隙磁場相反，起去磁作用。但是，永磁材料的磁導率與空氣相仿，磁阻很大，相當于定轉子間有很大的有效氣隙，利用電樞反應弱磁的方法需要較大的定子電流直軸分量。作為短時運行，這種方法可以接受，長期弱磁工作時，會帶來很大的功率損耗。這是傳統稀土永磁同步電機的弱磁擴速的缺陷所在，這一缺陷嚴重限制了其進一步推廣和應用。

發明內容

針對上述技術問題，本發明首先對電機弱磁時的轉子磁路進行特殊設計，并結合矢量控制技術，提供一種可實現寬范圍、恒功率弱磁擴速的稀土永磁同步電機控制系統，適用于各型電動車輛的牽引。

本發明的技術方案是：稀土永磁同步電機的轉子采用內置式結構并設置分流磁路；在逆變器中采用空間電壓矢量的控制算法；由霍爾元件與磁鋼盤組成的位置轉速檢測子系統。由上述三部分構成稀土永磁同步電機弱磁控制系統。其特點包括：

1、將稀土永磁電機轉子磁極磁路設計成特殊結構，使其具有分流調磁作用，以此實現弱磁擴速。

2、由數字信號處理器、可編程邏輯器件、IGBT、驅動電路、電流采樣電路組成的逆變控制器，實現高效快速的電機控制。

3、由霍爾盤和磁鋼盤組成簡單、可靠的位置、轉速傳感器。

本發明的有益效果在于：基速以下運行時，在控制上使I_d＝0，獲得所需的最大電磁轉矩。在基速以上運行時，控制使I_d≠0，同時端電壓不變，在永磁電機內部產生去磁電流，由于轉子磁路結構特殊設計，使氣隙磁場大為減弱，產生數倍于基速的電機轉速。控制I_d的同時，減小I_q，使得相電流在最大值范圍內，這樣使電機轉矩和轉速同時受到控制軟件的控制。這項技術分別運用于15kw、37kw的稀土永磁同步電機驅動系統中，實現了恒功率弱磁，達到3倍甚至更高的弱磁擴速倍數。拓展了稀土永磁電機在車輛牽引中的應用范圍，在軍車、礦車、輕軌、地鐵等軍工、民用領域都具有重要的實用價值。

附圖說明

圖1為本發明中電機轉子沖片圖

圖2為本發明中電機轉子磁鋼安裝圖

圖3為本發明中的系統硬件框圖；

圖4為本發明中的系統控制框圖；

圖5為本發明中的系統主程序流程圖；

圖6為本發明中的定時器中斷程序流程圖；