一种凸极式永磁同步电机的效率优化方法

本发明属于电机驱动与控制领域，尤其涉及一种凸极式永磁同步电机的效率优化方法。

背景技术：

永磁同步电机以其结构紧凑，易维修，高效节能等一系列优点，广泛应用于当代电动汽车，风力发电等各个领域。为缓解当今社会能源短缺的现状，需要使永磁同步电机的运行效率进一步提高。不少学者多改善调速性能的同时提升电机的运行效率进行了大量的研究工作。根据永磁体转子上的位置不同，pmsm的转子结构可以分为表贴式和内置式两种结构。表贴式转子结构在电磁性能上属于隐极转子结构，而内置式转子结构属于凸极转子结构。凸极式永磁同步电机与隐极式同步电机在结构上的差异会导致在电机等效电感数值上的不同。考虑到电机结构不同，等效电路电感参数不同。就目前而言，大部分的效率优化都针对于隐极式永磁同步电机或者对凸极式永磁同步电机进行简化处理，但是优化效果不是很好，电机的运行效率较低。

技术实现要素：

针对背景技术中的不足，本发明提出了一种凸极式永磁同步电机的效率优化方法，具体方案如下：

一种凸极式永磁同步电机的效率优化方法，包括以下步骤：

s1、利用转速pi调节器获得电磁转矩参考值；

s2、根据永磁同步电机在稳态条件下的数学模型和步骤s1求取的电磁转矩参考值，利用一元函数求最值的数学方法，求出损耗p为最小时，电磁转矩参考值与d-q轴电流的相互关系，得出在电机稳态下两相定子电流参考值；

s3、根据得到的两相定子电流参考值，通过变换得到三相永磁同步电机三相电流的参考值，将其与实测的相电流进行比较，再将比较结果输入到滞环比较器得到开关信号去控制变换器，进而实现永磁同步电机控制。

具体地说，步骤s2的具体步骤如下：

s21、根据考虑铁损电阻的永磁同步电机等效电路，推导出永磁同步电机在稳态状况下的电压、电流关系如下：

电机稳态电压方程为：

ud与uq分别为d、q轴电枢电压；id与iq分别为d、q轴电枢电流；iωd与iωq为d、q轴定子电流有功分量；rs为电枢电阻；ld与lq分别为d、q轴的电枢电感；ψf为转子永磁体的磁链；ω为转子的机械角速度；np为电机极对数；

电机稳态电流方程为：

icd与icq为d、q轴铁损电流分量；rc为等效铁损电阻；

s22、根据电机转矩方程：

对式(2)和式(3)做以下简化处理：

式中，a1，a2，b1，b2，c1，c2分别表示id，iq与常数项的系数，在稳定状态下均为定值；

s23、由式(5)得到电机损耗p关于id与iq的表达式，为：

s24、将式(4)代入式(6)消去iq，并令dp/did＝0，整理可得到关于te的一元二次方程：

xte²+yte+z＝0(7)

s25、根据公式(7)得到电磁转矩与d-q轴电流的相互关系为：

式中参数x、y和z分别表示为：

式(9)-(11)中，参数a1,a2,b1,b2,c1,c2分别为：

式(4)、式(8)-(12)即为最优状态下te与id，iq的关系表达式；

s26、利用曲线拟合工具得到id＝f1(te)，iq＝f2(te)的关系式，即在电机稳态下两相定子电流参考值。

具体地说，步骤s3的具体步骤如下：

s31、根据s26得到的两相定子电流参考值和iq^*，通过派克反变换得到三相电流的参考值iabc^*,将其与实测的三相电流iabc进行比较得到三个差值；

s32、将其分别送入到三个滞环比较器获得变换器中三路桥臂的pwm信号，进而获得三路电压；

s33、将其分别输入到永磁同步电机的三相定子绕组，实现永磁同步电机控制。

本发明的有益效果在于：本发明利用一元函数求最值的效率优化方案，使得当永磁同步电机在稳态运行时，电机的铜损与铁损降低，提高了电机的运行效率。

附图说明

图1为永磁同步电机效率优化的矢量控制框图。

图2a为直流轴d对应的等效电路；

图2b为交流轴q对应的等效电路。

具体实施方式

参照图1，本发明提出一种凸极式永磁同步电机的效率优化方法，包括以下步骤：

s1、利用转速pi调节器获得电磁转矩参考值；具体步骤为：

将转速参考值ω*与实际转速ω的差值en输入转速pi控制器，根据式(1)获得电磁转矩参考值te为

式中kp和ki分别为转速pi调节器的比例增益和积分增益，s表示微分算子。

s2、根据永磁同步电机在稳态条件下的数学模型和步骤s1求取的电磁转矩参考值te，利用一元函数求最值的数学方法，求出损耗p为最小时，电磁转矩与d-q轴电流的相互关系，得出在电机稳态下两相定子电流参考值。具体步骤为

s21、根据图2a和图2b所示考虑铁损电阻的永磁同步电机等效电路，推导出永磁同步电机在稳态状况下的电压、电流关系如下：

电机稳态电压方程为：

ud与uq分别为d、q轴电枢电压；id与iq分别为d、q轴电枢电流；iωd与iωq为d、q轴定子电流有功分量；rs为电枢电阻；ld与lq分别为d、q轴的电枢电感；ψf为转子永磁体的磁链；ω为转子的机械角速度；np为电机极对数；

电机稳态电流方程为：

icd与icq为d、q轴铁损电流分量；rc为等效铁损电阻；

s22、根据电机转矩方程：

对式(2)和式(3)做以下简化处理：

式中，a1，a2，b1，b2，c1，c2分别表示id，iq与常数项的系数，在稳定状态下均为定值；

s23、由式(5)得到电机损耗p关于id与iq的表达式，为：

s24、将式(4)代入式(6)消去iq，并令dp/did＝0，整理可得到关于te的一元二次方程：

xte²+yte+z＝0(7)

s25、根据公式(7)得到电磁转矩与d-q轴电流的相互关系为：

式中参数x、y和z分别表示为：

式(9)-(11)中，参数a1,a2,b1,b2,c1,c2分别为：

式(4)、式(8)-(12)即为最优状态下te与id，iq的关系表达式；

s26、利用曲线拟合工具得到的关系式，即电机稳态下两相定子电流参考值。

s3、根据得到的两相定子电流参考值，通过变换得到三相永磁同步电机三相电流的参考值，将其与实测的相电流进行比较，再将比较结果输入到滞环比较器得到开关信号去控制变换器，进而实现永磁同步电机控制。具体地说，如图1所示，根据s26得到的两相定子电流参考值和iq^*，通过派克反变换得到三相电流的参考值iabc^*,将其与实测的三相电流iabc进行比较得到三个差值，将其分别送入到三个滞环比较器获得变换器中三路桥臂的pwm信号，进而获得三路电压，将其分别输入到永磁同步电机的三相定子绕组，实现永磁同步电机控制。

本发明能使凸极式永磁同步电机在稳态运行时，电机的铜损耗与铁损耗减小，进而使电机内部温度降低，提高了电机的运行效率。本发明提出的方法简单、容易理解、易于实现、准确度高、是一种能够有效提高永磁同步电机效率的可行性方案。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。