李冠难，刘景林，王帅夫

(西北T业大学，陕西两安710072)

 

    摘要：针对无刷直流电动机弱磁高速运行时损耗大的问题，研究最小损耗电流控制。通过分析基于瞬时无功功率的无刷直流电动机弱磁控制理论，计算d-q轴电杻反应电感，提出一种考虑铁损的电机r型近似等效电路，结合状态方程，推导出满足电磁损耗最小的励磁电流表达式。仿真和实验结果表明，在整个弱磁运行区间内，最小损耗电流控制能够降低电机电磁损耗，提高电机运行效率，扩大电机匣功率调速范围。

关键字：无刷直流电动机；效率优化；电磁损耗；弱磁

 

    0引 言

    永磁无刷直流电动机的优点是效率高，起动转矩大，过载能力强，结构简单牢固，免维护或少维护，体积小，质量轻；缺点是低速时转矩脉动大，基速以上调速比小[1]。为了扩大电机的调速范围，可以采用弱磁控制的方法，但永磁电机弱磁无法通过调节励磁实现，只能控制电枢反应使之产生一个反向的电枢磁场来抵消永磁磁场，获得等效弱磁，这需要从电机本体设计及电机控制两个方面着手，因此通常无刷直流电动机调速范围较窄。文献[2]基于虚拟瞬时功率，在分析电机定子电流和****转矩的基础上提出了一种实现无刷直流电动机弱磁控制的算法，这种方法的优点在于可以在不改动电机结构的情况下，避免复杂的磁场计算，通过软件没计来获得比较好的弱磁扩速效果。无刷直流电动机在额定负载、额定转速区域的运行效率是很高的，弱磁高转速运行时，由于电机电感相对较小，容易产生很大的峰值电流，此时大量能量消耗在铁损和铜损上[5]。本文从****效率出发，采用d—q坐标变换，建立损耗和控制量的关系，通过等效励磁电流的调节，实现电机电磁损耗最小，保证电机在较宽的弱磁调速范围内高效运行。

    1无刷直流电动机弱磁调速数学模型

为了扩大永磁电动机的弱磁调速范围，国内外不少学者做过大量研究.在定子绕组上串联电感，但会使电机恒转矩范围变窄，效率降低；从改变转子结构人手，使用永磁转子和磁阻转子的复合永磁转子“弱磁”方案，也可取得一定的“弱磁”效果，但这种方法使得电机转矩密度变低，高速时铁磁损耗很大。

    三相电路瞬时无功功率理论打破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时有功功率、瞬时无功功率等瞬时功率量。假设三相电路的瞬时电压和瞬时电流分别为ea、eb、ec和ia、ib、ic，考虑到电机定子三相绕组在结构上的对称性，可以忽略电压和电流中的零序分量。将它们分别变换到两相正交的d-q坐标系上，可得两相瞬时电压ed、eq和两相瞬时电流id、iq如下：

     2最小损耗弱磁运行的效率优化控制策略

 

 

 

 

 

    3仿真及实验

 

    实验样机参数：额定功率P=1 200 w；额定转矩Ta=2．4 N.m；额定转速n=6 000 r／min；每相绕组电阻r=O.066Ω；每相绕组有效电感l=30 mH；转动惯量，=4．67×10 kg . m2；电动势系数Ke=O.012 5 V／(rad·s-1)；供电电压27 V。
    在当t=2 s、n=9 600r／min时，保持电机转速和电机机械输出功率不变，电机从普通弱磁控制切换至最小损耗弱磁控制，仿真结果如图2所示，可以看出，通过等效励磁电流的调节，电机效率从83％提高到86％左右。