[01760026]基于永磁记忆电机的在线控制系统V1.0

①课题来源与背景 课题来源：国家自然科学基金（51967012） 背景：永磁电机为了能在运行中获得较大的调速范围大多采用传统的矢量控制弱磁扩速方法,但是这种方法存在着一些缺点：调速范围仍受到母线电压、逆变器容量的限制;直轴电流增加了励磁损耗,降低了高速运行时的效率。传统的永磁同步电动机的气隙磁场无法调节,作为电动机运行时,调速范围受限,因而在电动汽车、高速机床和飞轮储能等领域的应用收到了极大的限制。永磁同步电动机为了能在运行中获得较大的调速范围,大都采用传统的矢量控制弱磁扩速方法,通过定子直轴电流来控制电枢反应磁动势从而对永磁磁场进行削弱,降低电机高速运行时的反电动势幅值,以维持定子绕组电压的平衡。然而,直轴弱磁控制具有一些不足：调速范围仍受到母线电压、逆变器容量的限制;直轴电流增加了定子励磁铜耗,降低了高速区的效率;直轴去磁反应磁动势往往通过磁阻较大的永磁体,弱磁效率较低,而且永磁体还存在不可逆去磁的风险。永磁同步电动机的应用在一定程度上受到了传统矢量控制弱磁方法局限性的影响。 ②研究目的及意义 全球稀土矿石储量为 1.3 亿吨,其中中国的稀土资源占比超过 40%,位列第一。中国的稀土资源类型多样,稀土矿物种类丰富,稀土元素较为齐全,储量充裕。因此,中国发展稀土永磁电机有着得天独厚的优势。永磁同步电动机用永磁体替代电励磁同步电机的励磁绕组,使电动机结构变得较为简单,且省去了电刷和滑环,提高了电动机的可靠性,并且降低了维护成本;又因不需要励磁电流,消除了励磁损耗,使得电动机的效率和功率密度得以提高。随着稀土永磁材料性能的不断提高和电力电子器件的蓬勃发展,永磁同步电动机在航空、航天、舰船、汽车等领域的应用越来越广泛。。 随着学者对于可变磁通电机研究的不断深入,德国学者 在 2001年提出了一种通过改变永磁体磁化水平的可变磁通电机。这种电机采用矫顽力较低的铝镍钴、铁氧体或特殊牌号的钐钴等永磁材料。通过施加脉冲电流改变永磁体的磁化状态,从而实现气隙磁场的灵活调节,并且几乎没有电励磁损耗。这类永磁体由于能够记忆其磁化状态,因此被称为记忆永磁体。而应用这种永磁体的电机被称为记忆电机。针对上述问题,提出一种永磁记忆电机在线控制系统,可以实现磁通的大范围调节,并且几乎没有电励磁损耗。 ③主要论点及论据 （1）与传统的弱磁控制相比,永磁记忆电机的调磁控制不需要弱磁电流id,不占用逆变器的电流限制并且可以减少铜损。此外,不同磁化程度下电机的运行范围有互相重叠的部分,为了实现损耗最低的目标,需要确定电机运行在某一工作状态下选择哪一磁化状态。通过计算电机的磁链、电感等参数,然后通过公式计算不同控制方式下的转矩-转速曲线,对比分析两种控制方式的优缺点,最后按损耗最小的目标去研究记忆电机在调磁控制下的具体调磁方案。 （2）永磁记忆电机最重要的特点就是其磁通可以调节从而适应不同的转速、负载转矩等工作情况。为了说明记忆电机调磁功能的可行性,还需要对调磁后永磁体磁场的均匀性和抗退磁能力进行分析。利用永磁体磁滞模型,研究电机磁通与调磁电流的关系,并从调磁时电机内磁场分布情况的角度对充退磁过程难易度不同的问题进行解释。然后对调磁过程中调磁电流产生的转矩波动进行了分析。为了证明爪极记忆电机调节磁通的可行性,以及调磁后电机磁通的稳定性,对调磁后铝镍钴磁场的均匀性和受电枢反应的影响两方面进行分析。 （3）本课题提出的永磁记忆电机通过外加的磁势来调节电机的磁通,而磁势是由调磁线圈中的电流产生的。因此对于电机磁通的准确控制来说,研究磁通与线圈中电流的关系很有意义。研究电机磁通与调磁电流的关系需要明确电机的初始磁化状态。这部分分析的是永磁体从完全正向或反向饱和状态下单向增磁或退磁时,电机磁通与调磁电流的关系。由于电机中采用的铝镍钴的拐点离剩磁点相对较远,线性区较大,因此这部分仿真采用平行四边形磁滞模型,可以在减少计算复杂度的同时仍保持着计算结果的准确性。 （4）由于铝镍钴放在了电机轴部作为内定子不随转子转动,并由专门的调磁绕组励磁,因此磁化得相对均匀,对于退磁过程来说靠近轴的部分比靠近钕铁硼的部分磁化得稍弱。总之,仿真结果说明电机的调磁绕组可以把铝镍钴磁化到位且磁化均匀。此外,可以看出在退磁过程中磁通基本集中在永磁体部分,而齿部的磁密较小;而在增磁过程中的磁密相对较大。 （5）施加增磁磁动势时,铝镍钴和钕铁硼的工作点沿各自曲线向右移动,铝镍钴才能完全正向磁化。此时两种永磁体的磁通方向相同,二者磁通之和在电机主磁路流通,因此磁路上的磁压降也较大,同样地根据式铝镍钴完全增磁所需的增磁磁动势较大。 ④创造与创新 项目在永磁体同步记忆电机在在线控制方面有一定得创新性。 ⑤社会经济效益、存在的问题 成果可应用于永磁同步记忆电机的在线调节,为永磁电机在高速领域的应用拓宽了范围。 ⑥历年获奖情况 无。