CN108063569B - 一种永磁电机最优工作点的快速求解方法 - Google Patents

一种永磁电机最优工作点的快速求解方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种永磁电机最优工作点的快速求解方法，属于永磁电机技术领域。通过对永磁同步电机进行电磁仿真分析，获得其不同转速下一定数量的最优工作点；将各转速下电机各最优工作点的转矩与电流幅值一次拟合，转矩与电流初相角进行三次拟合并记录各拟合函数系数；调用已有特定转速对应的数据并反解拟合函数可获取该转速下的任意最优工作点；部分转速下转矩与电流初相角无法拟合时，利用步进法搜索最优工作点；对未生成数据的转速，利用相邻转速数据插值求解；计算一定数量最优工作点下的电机效率，得到永磁电机效率云图。本发明可快速寻获电机各最优工作点，辅助后续快速确定电机全运行范围内损耗、效率特性等，为电机对应控制器设计提供依据。

Description

一种永磁电机最优工作点的快速求解方法
技术领域
本发明主要涉及一种永磁电机最优工作点的快速求解方法，属于永磁电机技术领域。
背景技术
永磁同步电机具有结构简单，效率高，功率密度高等优点。永磁同步电机转子结构大致分为表贴式和内置式。表面式转子结构的永磁体安装于转子铁芯的外圆表面，转速一般较低。内置式永磁电机的永磁体安置在转子铁心内部，机械结构更加可靠。内置式永磁电机永磁体抗去磁能力更强，由其转子磁路结构的不对称性产生的磁阻转矩有助于提高电机功率密度与过载能力，并且易于实现弱磁扩速，扩大电动汽车恒功率运行范围，因此广泛应用于电动汽车，航空航天等领域。
用于电动汽车的牵引永磁同步电机常采用最大转矩/电流比控制方式与弱磁控制方式。电机配套逆变器具有输出电压与输出电流的限制，当电动机反电势未超过逆变器电压限制时时，常采用最大转矩/电流比控制方式。当永磁电机转速超过一定数值，输出一定转矩时电机感应反电势超过逆变器电压限制，则需要采用弱磁控制方式使电机的感应反电势处于电压限制内。
应用于电动汽车的永磁同步电机需要具有较宽的转速范围，并且需要在大部分运行区间内具有高效率。对于制造厂商，要对所选用牵引用永磁电机进行性能测试并制作电机的效率云图以评估与检测牵引电机性能，就需要寻找电机在各个工况下的工作点。为了获取电机运行范围内的效率情况，需要获得电机在不同运行状况下的多个最优工作点。设计电机相应控制器过程中，需要提前获取在对应控制方式下的最优工作点用于控制过程中的查找。传统的寻找永磁电机最优工作点的工作需要耗费大量的时间与计算资源，如果能够快速计算得到电机的最优工作点与效率等数据，可以大大提高电机性能测试与控制器设计速度。
发明内容
本发明为了克服目前在内置式永磁电机测试过程及设计电机控制器时寻找电机运行最优工作点过程速度慢，消耗时间长的问题，提出了一种永磁电机最优工作点的快速求解方法，实现了仿真过程中对永磁同步电机各转速下最优工作点的快速寻找。通过编写程序，运行于ANSYS Maxwell软件环境中，可实现对永磁电机最优工作点的快速自动化寻找。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种永磁电机最优工作点的快速求解方法，包括：
(1）对一台永磁同步电机进行电磁仿真分析，永磁同步电机采用最大转矩/电流比控制方式与弱磁控制方式，获得永磁同步电机在不同转速下一定数量的最优工作点；
(2）对各转速下电机各最优工作点的转矩与电流幅值进行线性拟合分析获得拟合一次函数；通过对各转速下电机各最优工作点的转矩与电流初相角进行拟合分析获得拟合三次函数；
(3）将上述所得最优工作点及各最优工作点相关拟合函数系数记录存为数据包；
(4）通过调用数据包中特定转速对应的数据并反解其中的拟合函数以快速获取该转速下的任意最优工作点；对部分转速下转矩与电流初相角无法用三次函数拟合的情况，利用步进法搜索所需最优工作点；对于没有生成数据的转速，利用相邻转速数据插值求解；
(5）根据所获转矩与对应最优电流幅值和电流初相角的拟合方程，选择合适数量的最优工作点，计算各最优工作点下损耗数据与电机输出功率，得到永磁电机效率云图。
步骤(1）中所述最优工作点的定义为该永磁同步电机在固定转速下，转速、输出转矩与其对应控制方式下的最优电流激励幅值与最优电流初相角的组合。
步骤(1）中所述永磁同步电机使用最大转矩/电流比控制方式时，如果定子反电动势幅值未超过逆变器最大输出电压，永磁电机采用最大转矩/电流比控制方式。
步骤(1）中所述永磁同步电机采用最大转矩/电流比控制方式时，如果定子反电动势幅值超过逆变器最大输出电压，永磁电机采用弱磁控制方式。
步骤(1）中永磁同步电机最优工作点寻找应用于ANSYS Maxwell有限元电磁仿真软件环境下。
本发明的有益效果如下：
1.本发明根据一定基数的仿真实验数据，提出了通过数学函数拟合快速获得电机在各转速下各最优工作点转矩-电流幅值特性方程与转矩-电流初相角特性方程。
2.本发明公布的电机最优工作点寻找方法便于编写程序或脚本文件进行仿真分析，可以实现电机最优工作点与效率云图的快速自动化计算与分析。
3.本发明可快速寻获电机各最优工作点，可以辅助后续快速确定电机全运行范围内损耗、效率特性等，并为电机对应控制器设计提供依据。
4.本发明基于ANSYS Maxwell软件环境，所得工作点数据都采用合理的有限元电磁仿真分析得到，仿真结果准确。
附图说明
图1是一永磁同步电机在不同激励电流幅值下电磁转矩Torque与电流初相角Gamma的关系图。
图2(a)是一永磁同步电机在2000r/min转速下各最优工作点转矩与电流幅值关系图; 图2(b)是一永磁同步电机在3000r/min转速下各最优工作点转矩与电流幅值关系图;图2(c)是一永磁同步电机在6000r/min转速下各最优工作点转矩与电流幅值关系图; 图2(d)是一永磁同步电机在9000r/min转速下各最优工作点转矩与电流幅值关系图。
图3(a)是一永磁同步电机在2000r/min转速下各最优工作点转矩与电流初相角关系图; 图3(b)是一永磁同步电机在4000r/min转速下各最优工作点转矩与电流初相角关系图; 图3(c)是一永磁同步电机在5000r/min转速下各最优工作点转矩与电流初相角关系图;
图3(d)是一永磁同步电机在9000r/min转速下各最优工作点转矩与电流初相角关系图。
图4(a)是所编写脚本程序调用Matlab对示例电机在某转速下最优工作点的转矩-电流幅值拟合图; 图4(b)是所编写脚本程序调用Matlab对示例电机在某转速下最优工作点的转矩-电流初相角拟合图。
图5是对示例电机所计算并制作的效率云图。
图6是快速寻找最优工作点并计算电机效率云图的步骤图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明为了解决现有方法获得内置式永磁电机各运行情况下最优工作点并获取电机效率云图速度较慢，消耗计算资源较多的问题，提出一种新的快速获取电机最优工作点的方法，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明：
图1所示为对一台永磁同步电机，在一定转速下，对于一个给定幅值的电流激励，存在一个确定的电流初相角可使电机输出转矩最大，即可理解为在一确定的转速和转矩要求下存在一组最优的电流激励。将电机的输出转矩记为Torque，将电流幅值记为Ipeak，将电流初相角记为Gamma。将某一运行情况下的电机转速，转矩，最优电流幅值和电流初相角的信息组合记为电机的一个最优工作点。
根据前期研究与一定基数的仿真可以得到如下结论：
1)图2所示为一定转速下各最优工作点的输出转矩与电流幅值可近似拟合为一次函数；如图2(a)所示，该永磁电机在2000r/min转速下的各最优工作点输出转矩与电流幅值可拟合为一次函数y = 0.86*x - 2.8，残差模=10.593；如图2(b)所示，该永磁电机在3000r/min转速下的各最优工作点输出转矩与电流幅值可拟合为一次函数y = 0.88*x -4.4，残差模=6.2875；如图2(c)所示，该永磁电机在6000r/min转速下的各最优工作点输出转矩与电流幅值可拟合为一次函数y = 0.8*x - 2.4，残差模=2.9755；如图2(d)所示，该永磁电机在9000r/min转速下的各最优工作点输出转矩与电流幅值可拟合为一次函数y =0.59*x - 3.4，残差模=0.87205。
2)图3所示为转速低于某一数值时，一定转速下，各最优工作点的电机输出转矩Torque与电流初相角Gamma可近似拟合为三次函数；电机转速高于该数值时，一定转速下，各最优工作点的电机输出转矩与电流初相角无法再用三次函数进行拟合，此情况下各最优工作点转矩对应的电流初相角可由区间搜索来确定。示例所示电机在转速为9000r/min时各最优工作点的转矩Torque与电流初相角Gamma已无法再用三次函数拟合。
如图3(a)所示，该永磁电机在2000r/min转速下的各最优工作点输出转矩与电流初相角可拟合为三次函数y = 0.0017*x^3 - 0.015*x^2 + 0.81*x + 0.25，残差模=7.5854；如图3(b)所示，该永磁电机在4000r/min转速下的各最优工作点输出转矩与电流初相角可拟合为三次函数y = 0.0008*x^3 + 0.043*x^2 - 0.099*x + 3，残差模=3.8479；如图3(c)所示，该永磁电机在5000r/min转速下的各最优工作点输出转矩与电流初相角可拟合为三次函数y = 0.00061*x^3 + 0.052*x^2 - 0.22*x + 3.3，残差模=3.7621；如图3(d)所示，该永磁电机在9000r/min转速下的各最优工作点输出转矩与电流初相角已不可拟合为三次函数。
基于以上结论，本方法的实施方法情形如下：
本方法的目标是给定内置式永磁电机的转速和转矩要求，快速得到电机最优工作点数据：转速，转矩，电流幅值，电流初相角。
寻找电机的一个最优工作点的方法如下：
不考虑反电势幅值限制的情况下，给定一具体的电流值，按照一定步长搜索有效的角度区间，确定此电流值下输出最大转矩的初相角，并记录此时电机的转速，输出转矩，电流幅值与电流初相角。
实际上通过研究可以发现，在电流初相角角度区间里，转矩值是一个上突的抛物线，于是可给定一个基准角度，往转矩增大的方向继续步进直到查找到最优点。根据以上规律，便于编写脚本或程序实现最优工作点的自动化快速寻找。
附图6为快速寻找最优工作点并计算电机效率云图的步骤，依此编写了相应的运行于ANSYS Maxwell软件环境的脚本程序：
步骤1：建立ANSYS Maxwell环境下的电机电磁有限元模型并建立相关参数。
步骤2:为电机设定一给定的转速，取一组典型电流值，例如选取一组等距电流值(如60A,120A,180A,240A,300A)按照前述方法进行最优工作点寻找并得到一组最优工作点。当电机转速达到基速以上，感应反电势的基波幅值可能会超出限制，需要注意电压限制。
步骤3:对该转速下的Torque-Ipeak关系曲线进行一次拟合，Torque-Gamma关系进行三次拟合，得到该转速下的Torque-Ipeak线性方程系数与Torque-Gamma三次方程系数并记录，图4所示为调用Matlab对示例电机在某转速下的最优工作点的拟合。如图4(a)所示，该转速下各最优工作点的转矩Torque与电流幅值Ipeak拟合为一次函数y=0.90754*x-7.8337；如图4(b)所示，该转速下各最优工作点的转矩Torque与电流初相角Gamma拟合为三次函数y=0.0019123*x^3-1.894*x^2+66.958*x-758.2。
步骤4:重复步骤2，处理足够数量的转速下的最优工作点数据，即认为得到了这个电机的最优工作点特性数据。
步骤5:在步骤4中，得到了该电机的特性函数组，则对于任意一个要求的(转速，转矩）组合，调用相应转速的特性数据，反解Torque-Ipeak方程 和 Torque-Gamma方程即可得出最优工作点。对于部分转速下转矩Torque与电流初相角Gamma无法通过三次函数进行拟合的情况，直接利用步进法寻找该最优工作点。对于没有记录电机最优工作点特性数据的转速，利用相邻转速数据插值求解。
步骤6:选取合适数量的电机最优工作点，利用ANSYS Maxwell电磁有限元仿真软件计算各最优工作点下的电机损耗，计算电机在各最优工作点下的效率，制作效率云图，图5所示为制作的示例电机效率云图。
利用按照上述步骤所示思路编写的用于ANSYS Maxwell环境下的脚本程序，可实现永磁电机最优工作点的自动化快速寻找并大大缩短寻找电机最优工作点的时间。

Claims (5)

1.一种永磁电机最优工作点的快速求解方法，其特征在于，包括：
(1）对一台永磁同步电机进行电磁仿真分析，永磁同步电机采用最大转矩/电流比控制方式与弱磁控制方式，获得永磁同步电机在不同转速下一定数量的最优工作点；
(2）对各转速下电机各最优工作点的转矩与电流幅值进行线性拟合分析获得拟合一次函数；通过对各转速下电机各最优工作点的转矩与电流初相角进行拟合分析获得拟合三次函数；
(3）将上述所得最优工作点及各最优工作点相关拟合函数系数记录存为数据包；
(4）通过调用数据包中特定转速对应的数据并反解其中的拟合函数以快速获取该转速下的任意最优工作点；对部分转速下转矩与电流初相角无法用三次函数拟合的情况，利用步进法搜索所需最优工作点；对于没有生成数据的转速，利用相邻转速数据插值求解；
(5）根据所获转矩与对应最优电流幅值和电流初相角的拟合函数，选择合适数量的最优工作点，计算各最优工作点下损耗数据与电机输出功率，得到永磁电机效率云图。
2.根据权利要求1所述的一种永磁电机最优工作点的快速求解方法，其特征在于，步骤(1）中所述最优工作点的定义为该永磁同步电机在固定转速下，转速、输出转矩与其对应控制方式下的最优电流激励幅值与最优电流初相角的组合。
3.根据权利要求1所述的一种永磁电机最优工作点的快速求解方法，其特征在于，步骤(1）中所述永磁同步电机使用最大转矩/电流比控制方式时，如果定子反电动势幅值未超过逆变器最大输出电压，永磁电机采用最大转矩/电流比控制方式。
4.根据权利要求1所述的一种永磁电机最优工作点的快速求解方法，其特征在于，步骤(1）中所述永磁同步电机采用最大转矩/电流比控制方式时，如果定子反电动势幅值超过逆变器最大输出电压，永磁电机采用弱磁控制方式。
5.根据权利要求1所述的一种永磁电机最优工作点的快速求解方法，其特征在于，步骤(1）中永磁同步电机最优工作点寻找应用于ANSYS Maxwell有限元电磁仿真软件环境下。
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