浅析永磁辅助式同步磁阻电机转矩预测控制方法

黄新宇，李雪珍

（中车永济电机有限公司，陕西 西安 710018）

当前异步起动永磁同步电动机 大多采用的是永磁材料，制造成本逐渐提升。怎样在保证电机性能的基础上减少永磁同步磁阻电机材料的使用，成为永磁同步电动机研究的重要问题。永磁辅助式同步磁阻电机是一种新型永磁同步电动机，在具体施工设计的时候会应用铁氧体永磁材料，从而达到永磁同步电动机功率的密度和力学指标。从发展实际情况来看，永磁磁阻电动机是由异步起动磁阻同步电动机发展起来，磁阻电动机转子d、q 轴磁路不对称，在使用的过程中具有较大的凸极比，在具体设计的使用不应用永磁材料，但是从实际应用情况来看这种电机力学性能指标不高，功率密度比较低。为了能够克服磁阻电动机的使用缺陷，人们在电机d 和q 轴磁路中加入适量的永磁材料，从而有效提升整个永磁辅助式同步磁阻电机的性能。

1 永磁辅助同步电机建模

为了能够了解电机的工作原理打造科学有效的仿真模型。永磁辅助同步电机剖面图具体如图1 所示。其转子中增加了永磁版，磁阻同步电机转子槽内嵌入的用磁性情况如图2 所示。由于磁阻同步的电机中转子中没有绕组线圈，电路模型具体由定子绕组决定。结合法拉第电磁感应定律，在考虑电路耗能元件基础上确定定子感应电压方程，具体如式（1）所示。上述方程是静止ABC 坐标系下列出来的，定子绕组具体分为3 个120°左右的线圈。通过派克变换分析能够简化电机模型。

图1 永磁辅助同步电机剖面图

图2 磁阻同步电机转子槽内嵌入永磁版

2 有限元分析

应用二维有限元分析软件来进行分析计算，在具体操作的时候将3 个节点连接1 个阶三角形有限元。之后再横纵坐标系上打造一个定子槽并作网络图，通过复制方式来对打造出仿真电机区域的有限元网络图。对磁阻同步电机建模的时候需要采取有效的方式来辨别分析D-Q 轴的磁链、自感、互感参数信息。为了计算出磁链和电感值，可以应用有限元分析方式来获取磁通链的精确值，将永磁辅助磁阻同步电机的计算公式和信息输入到有限元分析程序中，由此得到所需要的结果信息。

为了能够充分分析永磁磁阻伺服电机的基本性能，相关人员设计并制作了1 台永磁磁阻伺服电机样机。样机的主要技术和设计参数信息如表1 所示。永磁磁阻伺服电机电磁设计的关键在于转子多层槽结构的优化设计。一方面是合理选择转子槽的层数、槽形，另外一个方面是规划好d 和q 轴磁路，从而使得整个结构系统显示出良好的凸极比。

表1 样机主要技术和设计数据

3 实验结果分析

为了能够验证永磁磁阻伺服电机性能和控制策略的有效性，以1.5kW 永磁磁阻伺服电机为实验样机，以DSP TMS320F2808 作为整个控制核心，制作了电机的控制器，打造实验操作平台。给定 转速500r/min，负载转矩3Nm 时永磁磁阻伺服电机样机的转速响应曲线。电机转速能够呈现出稳定的速度向上提升，在30ms 的时候达到给定转速，在稳定之后转动速度较小。

为了能够对永磁同步电动机和永磁磁阻电动机进行稳态和起动性能比较，打造30kW 永磁同步电动机和永磁磁阻电动机仿真模型。永磁同步电动机的具体技术数据信息如表2所示。转子采用W 形结构，永磁磁阻电动机的转子采用了3层U 形结构。永磁磁阻电动机铁氧体型号为DM4545。

永磁同步电动机和永磁磁阻电动机额定工作情况下同步电感凸极比的有限元计算结果如表3 所示。和永磁同步电动机相比，永磁磁阻电动机是一种3 层U 形转子结构，d 轴同步电感下降，q 轴的同步电感，凸极要比之间增加到3 倍左右。两种电机的相关性能数据仿真结果如表4 所示。

图3 样机转速相应波形

表2 永磁同步电动机技术数据信息

表3 永磁同步电动机和永磁磁阻电动机额定工作情况下同步电感凸极比的有限元计算结果

表4 两种电机的相关性能数据仿真结果

4 结语

综上所述，永磁磁阻电动机是一种较大凸极比，在使用的时候依靠磁阻转矩工作的同步电动机，在具体施工操作的时候如果想要满足磁链补偿条件，并在最大限度上利用磁阻转矩的最大利用。永磁磁阻电动机中所具备的多层转子结构和较低的气隙磁场，在使用的过程中能能够有效减少异步启动的转矩效率，从而有效降低之动转矩速度，缩短操作时间。