一种混合励磁电机的电流协调控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电机驱动与控制技术领域，具体涉及混合励磁电机的控制方法。
【背景技术】
[0002] 长期以来，国内外学者研究较多的永磁电机大都采用转子永磁型，这是因为传统 的交流同步电机都将建立气隙主磁场的励磁绕组安装在转子极上。而在转子永磁电机中， 利用永磁材料代替励磁绕组，减小了铜耗，电动机体积和重量大为减小，结构简单、维护方 便、运行可靠，在功率密度、转矩惯性和效率方面都超过了传统的直流电机和异步电机，是 高效节能电机的重要发展方向，近几十年来受到广泛重视。但这种电机由于将永磁体放置 在转子上，为克服高速运行时的离心力，需要对转子采取特别的辅助措施，如安装由不锈钢 或非金属纤维材料制成的固定装置等，导致其结构复杂，制造成本提高。同时永磁体位于转 子，冷却条件差，散热困难，而温升可能会最终导致永磁体发生不可逆退磁、限制电机出力、 减小功率密度等，制约了电机性能的进一步提高。
[0003] 针对转子永磁电机的缺点，自然就会联想到定子永磁型的结构。早在上世纪50年 代，美国学者Rauch和Johnson就开始研究永磁体置于定子的新型永磁电机。但由于当时 的永磁体材料性能较差，磁能级很低，导致满足一定输出电压需求的电机本体需要设计的 很大，不能满足实际应用的需要，所以早期并未引起足够的重视，然而，该电机却为后来出 现的其他定子永磁电机奠定了理论基础。
[0004] 随着以钕铁硼（NdFeB)为代表的新型永磁稀土材料的出现和功率电子学、计算 机、控制理论的发展，从上世纪90年代开始陆续出现三种新型结构的定子永磁型无刷电机 及其控制系统，分别为：
[0005] 1. 1992年由美国学者T.A.Lipo教授提出的双凸极永磁电机（Double-Salient PermanentMagnetMotor)；
[0006] 2· 1996年由罗马尼亚学者I.Boldea提出的磁通反向电机（Flux Reversal Machine)；
[0007] 3. 1997年由法国学者E.Hoang提出的磁通切换型永磁电机（Flux-Switching PermanentMagnetMachine)〇
[0008] 法国学者E. Hoang在1997年的EPE会议上，首先提出了三相12/10结构的永磁式 磁通切换电机，定子为"U"形导磁铁心，中间嵌入切向交替充磁的永磁体。其后东南大学程 明教授领导的课题组提出了两相8/6结构的永磁式磁通切换型电机，英国Leicester大学 和Sheffield大学分别对单相8/4结构与4/2结构的永磁式磁通切换型电机进行了研究。永 磁式磁通切换型电机不存在励磁损耗，转子上没有永磁体和绕组，因此结构简单、效率高， 工作可靠。由于采用永磁体励磁方式无法直接改变磁场强度，作为发电机时存在电压调整 率较大和故障灭磁困难，作为电动机时难以实现弱磁升速，恒功率运行范围窄。
[0009] 为了综合永磁励磁与电励磁磁通切换型电机的优点，法国学者E.Hoang于07年 推出了混合励磁磁通切换型电机。与其提出的永磁式磁通切换型电机相比，在永磁体端 部增加了励磁绕组，通过控制励磁电流的大小和方向调节气隙磁密，对永磁磁场起到增磁 或去磁的作用。混合励磁磁通切换电机具有以下优点：结构简单、效率高，工作可靠，调 压方便且调压范围宽，故障保护简单。然而，该结构需要额外增加定子外径，导致电机的 功率密度有所降低。2008年东南大学花为副教授提出了新型结构的混合励磁磁通切换 (Hybrid-excitationflux-switching,HEFS电机）电机，并成功申请国家自然科学基金项 目。
[0010] 虽然混合励磁磁通切换电机的种类发展日新月异，但是却没有适用于该类电机的 通用控制方法。
【发明内容】
[0011] 本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供了一种混合励磁电机的电流协 调控制方法，对于混合励磁磁通切换电机，提出适用于该类电机的通用控制方法。
[0012] 为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
[0013] 一种混合励磁电机的电流协调控制方法，包括如下步骤：
[0014] 步骤一、获取混合励磁电机的机械转速和输出机械功率及电机参数；
[0015] 步骤二、通过计算得出该机械转速和该输出机械功率下电机的电枢电流、内功率 因素角、励磁电流；
[0016] 步骤三、通过比较得到电机效率最高时的电枢电流、内功率因素角、励磁电流。
[0017] 进一步地，所述混合励磁电机的电流协调控制方法基于空间矢量。
[0018] 进一步地，所述永磁电机为任意相结构的包含有永磁体作为励磁源的电机。
[0019] 进一步地，所述永磁电机为纯永磁电机。
[0020] 进一步地，所述永磁电机为混合励磁电机。
[0021] 进一步地，所述混合励磁电机为混合励磁磁通切换电机。
[0022] 进一步地，所述混合励磁磁通切换电机为任意结构的混合励磁磁通切换电机。
[0023] 进一步地，所述混合励磁磁通切换电机为转子永磁型混合励磁磁通切换电机。
[0024] 进一步地，所述混合励磁磁通切换电机为定子永磁型混合励磁磁通切换电机。
[0025] 进一步的，所述混合励磁磁通切换电机采用电流协调控制。
[0026] 本发明一种混合励磁电机的电流协调控制方法，可使电机的效率达到最高，提高 能源的利用率，节约能源成本，使用安全可靠。对混合励磁电机采用电流协调控制策略，使 电机的电磁损耗与电枢电流、内功率因素角、励磁电流成函数关系，根据输入的电机的机械 转速和输出机械功率和电机的其他参数，求解电枢电流、内功率因素角、励磁电流，使得电 机的电磁损耗达到最小，实现电机的最优控制。
【附图说明】
[0027] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实 施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0028] 图1是本发明混合励磁电机的通用控制方法程序流程图；
[0029] 图2是本发明计算磁通调整率α使常工作点运行时的效率最高的方法程序流程 图；
[0030] 图3是本发明混合励磁电机的直轴等效电路图；
[0031] 图4是本发明混合励磁电机的交轴等效电路图；
[0032] 图5是本发明混合励磁电机的相量图；
[0033] 图6是本发明混合励磁电机的励磁支路电路图；
[0034] 图7是本发明混合励磁电机在a= 1时的（Ω,，T*，η)三维曲线图；
[0035] 图8是本发明混合励磁电机在a= 1时的（Ω,，?；，kf)三维曲线图；
[0036] 图9是本发明混合励磁电机在α= 〇. 5时的（Ω,，T*，η)三维曲线图；
[0037] 图10是本发明混合励磁电机在α= 〇. 5时的（Ω,，?；，kf)三维曲线图。
[0038] 符号代表的缩写词：
[0039] U 电枢绕组端电压
[0040] En 永磁磁链形成的空载电动势
[0041] Ef 励磁磁链形成的空载电动势
[0042] Ea 电枢反应电势
[0043] Ead 电枢反应电势的直轴分量
[0044] Eaq 电枢反应电势的直轴分量
[0045] I 电枢绕组电流
[0046] Id 电枢绕组电流的直轴分量
[0047] Iq 电枢绕组电流的交轴分量
[0048] Iod 有效电流的直轴分量
[0049] Ioq 有效电流的交轴分量
[0050] IFed 铁耗电流的直轴分量
[0051] IFeq 铁耗电流的交轴分量
[0052] ra 电枢绕组电阻
[0053] rFe 铁耗电阻
[0054] Ld 直轴电感
[0055] Lq 交轴电感
[0056] p 凸极系数
[0057] X。电枢绕组漏抗
[0058] xd 直轴同步电抗
[0059] xq 交轴同步电抗
[0060] Maf 励磁绕组和电枢绕组之间的互感
[0061] ΦΡΜ 每相绕组永磁磁通
[0062] Φβχε 每相绕组总磁通
[0063] Φ_χ 每相绕组总磁通的最大值
[0064] Uf 励磁绕组电压
[0065] If 励磁绕组电流
[0066] ωβ 电角频率
[0067] rf 励磁绕组电阻
[0068] α 磁通调整率
[0069]β 电枢和励磁供电功率等级比
[0070] kf 调磁系数
[0071]P 电机极对数
[0072] Ωn 额定机械转速
[0073] Pi 输入功率
[0074] pnec机械损耗
[0075] pFe铁耗
[0076] pCu铜耗
[0077] ρΔ附加损耗
[0078] ρΕ电磁损耗
[0079] Ρ2输出功率
[0080]Ψ 内功率因数角
[0081] η 效率
【具体实施方式】
[0082] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实 施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0083] 一种混合励磁电机的电流协调控制方法，包括如下步骤：
[0084] 步骤一、获取混合励磁电机的机械转速和输出机械功率及电机参数；
[0085] 步骤二、通过计算得出该机械转速和该输出机械功率下电机