CN109309463A - 实现电机增磁运行的方法、装置、驱动装置及电机 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电机技术领域，尤其涉及一种实现电机增磁运行的方法、装置、驱动装置及电机。其中，实现电机增磁运行的方法中，所述电机的直轴电感大于交轴电感，所述方法包括步骤：获取所述电机驱动信号的电流参数；检测电机转子位置信号；根据获取的转子位置信号得到转速值；根据电流参数和转速值得到转子的磁链值和方向；根据磁链值和方向调节充磁电流幅值和方向；根据充磁电流幅值和方向注入脉冲电流，进行充磁或去磁。以对变磁通电机充去磁，保证电机正常运行时，id>0，从而实现电机增磁运行，减小了电机系统损耗。该装置可以通过磁链观测器计算转子瞬时磁链值来调节充磁电流，从而实现电机扩速的目的。

Description

实现电机增磁运行的方法、装置、驱动装置及电机

技术领域

本申请涉及电机技术领域，尤其涉及一种实现电机增磁运行的方法、装置、驱动装置及电机。

背景技术

现有技术中，永磁电机依靠永磁体提供磁通，但一般永磁体仅能提供的强度固定的磁场，电机内部磁场难以灵活调节，使永磁电机难以兼顾高频和低频时的效率。且在供电电源电压固定的情况下，限制了电机的最高运行频率。目前，大多永磁电机只能通过弱磁控制扩大运行范围，当电机处于增磁控制时，会降低电机的运行效率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种实现电机增磁运行的方法、装置、驱动装置及电机。

第一方面，本申请提供了一种实现电机增磁运行的方法，所述电机的直轴电感大于交轴电感，所述方法包括步骤：

获取所述电机驱动信号的电流参数；

检测电机转子位置信号；

根据获取的转子位置信号得到转速值；

根据电流参数和转速值得到转子的磁链值和方向；

根据磁链值和方向调节充磁电流幅值和方向；

根据充磁电流幅值和方向注入脉冲电流，进行充磁或去磁。

根据申请一实施例，可选地，所述根据电流参数和转速值得到转子的磁链值和方向，包括：

当转速值低于转向阈值时，充磁方向执行充磁；

当转速值高于转向阈值时，充磁方向执行去磁。

根据申请一实施例，可选地，所述根据所述磁链值和方向调节充磁电流幅值和方向，包括：

根据所述磁链值采用迭代分析法，通过查表计算得到充磁电流幅值。

根据申请一实施例，可选地，所述根据充磁电流幅值和方向注入脉冲电流，进行充磁或去磁，包括：

所述充磁电流幅值经过坐标变换，转换为与电机驱动电流一致的充磁驱动电流；

将所述充磁驱动电流与逆变器输出的电流合成后输至电机。

根据申请一实施例，可选地，所述当转速值高于转向阈值时，充磁方向执行去磁，其中：

执行去磁时，输出小额脉冲电流给电机，小额脉冲电流大于零。

根据申请一实施例，可选地，电机运行中，所述充磁电流幅值大于零。

根据申请一实施例，可选地，所述电机转子上配置有增大交轴磁阻的永磁体。

根据申请一实施例，可选地，所述增大交轴磁阻的永磁体关于所述电机交轴对称布置。

根据申请一实施例，可选地，增磁运行时的直轴永磁体的总磁通等于或大于充磁后直轴的最大磁通。

根据申请一实施例，可选地，所述电机转子的永磁体为混合永磁体。

本申请另一方面提供一种实现电机增磁运行的装置，包括：

信号接口，接入所述电机转子位置信号以及电流参数信号；

转速分析仪，连接于所述信号接口，根据信号接口获取的转子位置信号得到转速值；

磁化分析仪，信号连接于所述转速分析仪以及信号接口，根据电流参数和转速值得到转子的磁链值，根据转速值得到磁场磁化方向；

中央处理单元，信号连接于所述气隙磁场分析仪，根据磁链值和方向调节充磁电流幅值和方向；

脉冲电流激发器，信号连接于所述中央处理器以及所述电机的驱动电路，根据充磁电流幅值和方向对所述电机的驱动电路注入脉冲电流，进行充磁或去磁。

根据申请一实施例，可选地，还具有函数发生器，连接于所述脉冲电流激发器，将直流脉冲电流转化为三相交流电流。

根据申请一实施例，可选地，还具有电流接口，连接于所述函数发生器，并且所述电流接口接入所述电机的驱动电路。

本申请再一方面，提供一种电机驱动装置，包括如前所述的实现电机增磁运行的装置。

本申请再一方面，提供一种电机，包括如前所述的实现电机增磁运行的装置。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请实施例提供的该方法，提供一种充去磁方法及装置，以对变磁通电机充去磁，保证电机正常运行时，id>0，从而实现电机增磁运行，减小了电机系统损耗。该装置可以通过磁链观测器计算转子瞬时磁链值来调节充磁电流，从而实现电机扩速的目的。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种实现电机增磁运行的方法的流程图。

图2为本申请实施例提供的一种实现电机增磁运行的系统结构框图。

图3为本申请实施例转子结构及磁场示意图。

图4为本申请实施例转子局部尺寸示意图。

图5为本申请实施例实现电机增磁运行的流程图。

图6为本申请实施例实现电机增磁运行的装置。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请实施例提供的一种实现电机增磁运行的方法的流程图。第一方面，本申请提供了一种实现电机增磁运行的方法，所述电机的直轴电感大于交轴电感，也就是说，Ld>Lq。

所述方法主要包括步骤：

S101、获取所述电机驱动信号的电流参数；具体实施例中，检测输入到电机定子三相绕组的交流电ia、ib、ic，该交流电包括逆变器将直流电源逆变而来的电和施加的为了产生短时直轴脉冲电流id的三相交流电。该可通过坐标变换，将三相交流电变换为旋转的直流电id、iq。

S102、检测电机转子位置信号；通常采用光电编码器或霍尔传感器来获取转子的位置，得到转子瞬时角度θ。

S103、根据获取的转子位置信号得到转速值；对角度进行信号处理，以获得转子的转速n，将获得的实时转速与给定的转速n*进行比较，通过速度调节器得到差值Δn。该差值可为驱动电路的一个输入值。

S104、根据电流参数和转速值得到转子的磁链值和方向；其中一具体实施例中，永磁同步电机定子磁链不仅包括由定子电流产生的磁链，同时还包括由永磁体产生的磁链，即

其中，L_s是定子绕组自感，ψ_PM为转子永磁体磁链，θ是转子磁链与实轴(即A相轴)的夹角。i_s是绕组电流。

根据申请一实施例，可选地，当转速值低于转向阈值时，充磁方向执行充磁；当转速值高于转向阈值时，充磁方向执行去磁。

S105、根据磁链值和方向调节充磁电流幅值和方向；可以通过磁链观测器获得磁链，根据电机的转矩方程计算而得。其中充磁程度系数在低速时较大，随着转速升高，逐渐降低，与转速成反相关关系。

根据申请一实施例，根据所述磁链值采用迭代分析法，通过查表计算得到充磁电流幅值。

根据申请一实施例，可选地，电机运行中，所述充磁电流幅值大于零。

S106、根据充磁电流幅值和方向注入脉冲电流，进行充磁或去磁。

根据申请一实施例，可选地，所述根据充磁电流幅值和方向注入脉冲电流，进行充磁或去磁，包括：所述充磁电流幅值经过坐标变换，转换为与电机驱动电流一致的充磁驱动电流；将所述充磁驱动电流与逆变器输出的电流合成后输至电机。

根据申请一实施例，可选地，所述当转速值高于转向阈值时，充磁方向执行去磁，其中：执行去磁时，输出小额脉冲电流给电机，小额脉冲电流大于零。

根据申请一实施例，可选地，所述电机转子上配置有增大交轴磁阻的永磁体。

根据申请一实施例，可选地，所述增大交轴磁阻的永磁体关于所述电机交轴对称布置。

根据申请一实施例，可选地，所述增大交轴磁阻的永磁体的总磁通等于或大于充磁的最大磁通。

根据申请一实施例，可选地，所述电机转子的永磁体为混合永磁体。

图2为本申请实施例提供的一种实现电机增磁运行的系统结构框图，本申请所提出的一种充去磁装置，以对电机转子上的铝镍钴永磁体进行充去磁，实现了变磁通电机的增磁运行。该装置可以通过磁链观测器计算转子瞬时磁链值来调节充磁电流，从而实现电机扩速的目的。

如图2所示，控制装置实施例主要包含转速分析仪10、逆变器11、驱动电路13、电流调理电路14、位置传感器15、信号处理器16、磁链观测器17、迭代分析仪18以及充去磁变换器19。

驱动逆变器门极开断的驱动电路13通过逆变器11连接电机12，逆变器11外接直流电流，逆变器11能将直流电逆变为驱动永磁同步电机运转的交流电。位置传感器15配置于电机12中，用于检测电机转子角度，且位置传感器15连接于信号处理器16以及磁链观测器17。信号处理器16对获取的位置信号进行微分处理得到转速，信号处理器16连接于转速分析仪10。转速分析仪10连接于迭代分析仪18以及驱动电路13，用于根据转速信号进行转速分析交将转速分析结果送至迭代分析仪18以及驱动电路13。

电流调理电路14用于检测输给电机的三相交流电并处理，电流调理电路14连接于磁链观测器17，以将检测到的驱动电信号中的电流参数发至磁链观测器17。磁链观测器17连接于迭代分析仪18，以根据电机电流参数以及转子角度信息判断气隙磁场和磁化方向送至迭代分析仪18。迭代分析仪18根据气隙磁场、磁化方向以及转子速度信号调节充磁电流幅值和方向，并将充磁电流幅值和方向送至充去磁变换器19。通过充去磁变换器19对三相绕组注入脉冲电流，实现充去磁，从而拓宽电机的速度运行范围。

另一方面，如图6所示例的实施例中，认为是将图2中实现变磁通的各个部件组合起来就形成了电机变磁通装置。该装置包含：获取电机转速n和电流i的信号接口21、分析磁场磁化方向、气隙磁场幅值和相位的磁化分析仪22，对转速进行分析和处理的转速分析仪24，包含了迭代分析仪的中央处理单元25，根据分析仪的结果对定子绕组施加脉冲电流的脉冲电流激发器26，将直流脉冲电流id转化为三相交流电流ida、idb、idc的函数发生器27，接入输给电机三相电主电路的电流接口28。

其中，转速分析仪24包括采集电机转速的转速传感器(可为光电编码器)和集成了转速阈值判断算法的数据处理器(可为DSP或单片机)，可以认为转速分析仪24集成了图2中的信号处理16以及转速分析仪10。磁化分析仪22可选择由磁链观测器实现，磁链观测器可包括磁化分析模块。

以下针对一示例性实施例具体介绍各个组成部分之间的连接关系、功能及其组成零件：

(1)逆变器11

逆变器11将给定的直流电逆变为交流电输送给永磁同步电机12。逆变器11可选择由6个可控的IGBT开关管构成。IGBT开关管的状态可以决定输给电机的电流大小与方向。

(2)电机12

本申请所用的电机12的转子上的永磁体为混合永磁，永磁体的安装方式可如图3所示。电机磁钢采用低矫顽力(铝镍钴、钐钴、铁氧体)磁钢，如图3中第一磁钢1。高矫顽力(钕铁硼)磁钢，如图3中的第二磁钢2、第三磁钢3。结构设计低矫顽力的第一磁钢1放到每极的磁极中心位置；两侧放置的第二磁钢2、第三磁钢3均为高矫顽力磁钢；可以有效降低电机实际应用过程中的充退磁电流大小；使第一磁钢1的磁场方向可以随着需要进行改变，同时不会改变高矫顽力第二磁钢2、第三磁钢3的磁场方向。

可变磁通电机在采用常规驱动过程中受控制精度的影响，可能出现低矫顽力磁钢退磁的问题。因此电机设计采用增磁驱动设计；为保证电机在正常运行中在增磁控制下时的电机效率，电机设计Ld>Lq，每极磁钢结构设计采用W型结构，且为增加q轴磁阻，在q轴上设置高矫顽力第三磁钢；磁钢采用切向型结构设计，既可以保证整体性能，同时节省磁钢用量。以此保证增磁运行时的直轴永磁体的总磁通等于或大于充磁后直轴的最大磁通。

由于变磁通电机磁钢尺寸设计根据调速范围要求设计，因此本申请提出电机的调磁范围倍数m的计算公式：

m＝{[Br2*Hcj2*(2H2*L2+H3*L3)+Br1*Hcj1*H1*L1]/[Br2*Hcj2*(2H2*L2+H3*L3)]}*Br2*(2H2*L2+H3*L3)/[Br2*(2H2*L2+H3*L3)-Br1*H1*L1]

其中，Br1、Br2为第一磁钢和第二磁钢的剩磁，Hcj1、Hcj2为第一磁钢和第二磁钢的矫顽力，H1、H2、H3为第一磁钢、第二磁钢、第三磁钢的厚度，L1、L2、L3为第一磁钢、第二磁钢、第三磁钢的长度。

并进一步限制了磁钢尺寸及相互之间的关系；如图4；第一磁钢尺寸与第二磁钢、3尺寸的关系如下：

H1*Hcj1*L1/[(H2*Hcj2*L2+1/2H3*Hcj2*L3)]>0.15。

采用这样的尺寸约束，可以有效的减小充退磁电流的大小，从而可以有效减少控制模块成本，如控制模块成本不设上限要求，则0.15可以放宽到0.5，甚至更高。其中，L4(磁钢槽到中心轴孔最小距离)的设计根据转子采用的导磁或非导磁轴的不同，其设计的宽度也不同。这样的设计可以改变两极之间的磁路，有效的改变电机效率及充退磁电流大小。

(3)驱动电路13

本申请的驱动电路13包括：电流采样，坐标变化，PI调节器，是永磁同步电机矢量控制系统常用的一种方法，此处不赘述。

(4)电流调理电路14

检测输入到电机12定子三相绕组的交流电ia、ib、ic，该交流电包括逆变器11将直流电源逆变而来的电和施加的为了产生短时直轴脉冲电流id的三相交流电。该电路还通过坐标变换，将三相交流电变换为旋转的直流电id、iq。

(5)位置传感器15

通常采用光电编码器来获取转子的位置，得到转子角度θ，通过信号处理器16对角度进行信号处理，获得转子的转速n，将获得的实时转速与给定的转速n*进行比较，通过转速分析议10得到差值Δn。该差值为驱动电路13的一个输入值。

(6)磁链观测器17

永磁同步电机定子磁链不仅包括由定子电流产生的磁链，同时还包括由永磁体产生的磁链，即：

其中，L_s是定子绕组自感，ψ_PM为转子永磁体磁链，θ是转子磁链与实轴(即A相轴)的夹角。i_s是绕组电流。

本申请另一实施例中，也可采用转矩观测器获取磁链。

(7)迭代分析仪18

根据预设，电机在低速阶段，K时刻对应的最小速度为n(k)，对应的绕组电流为i(k)，磁钢的磁化方向一致，第一磁钢对气隙永磁通的作用是增强。逆变器输出的电流i_inv(k),此时采用充去磁变换器释放三相充磁电流，该电流为正相直轴脉冲电流，该电流经逆变器处理后流入电机三相绕组，对电机进行充磁，充磁电流幅值为id(k)，方向与磁钢的磁化方向一致；

采用迭代分析仪18，有：

n(k+1)＝p*n(k)+q1*i(k)

i(k+1)＝iinv(k)+id(k)

其中，n(k+1)为转子在k+1时刻的转速，p为转矩脉动。可以通过磁链观测器17获得磁链，根据电机的转矩方程计算而得。q1为充磁程度系数。该值在低速时较大，随着转速升高，逐渐降低，与转速成反相关关系。

充磁过程完成，电机增磁运行，变频器输出电压饱和，电机以高反电动势运行，电机系统损耗小。

设定转速的阈值范围a<n(k)<b，在此范围内，速度值属于中速阶段，充磁强度低。

当超过该阈值，电机进入高速阶段，在K时刻，对应的转速为n(k)，对应的绕组电流为i(k)，磁钢的磁化方向不一致，第一磁钢对气隙永磁通的作用是减弱。逆变器输出的电流i_inv(k)，此时采用充去磁变换器释放三相充磁电流，该电流为反相直轴脉冲电流，该电流经逆变器处理后流入电机三相绕组，对电机进行去磁，去磁电流幅值为id(k)，方向与磁钢的磁化方向相反。

采用迭代分析仪18，有：

n(k+1)＝p*n(k)-q2*i(k)

i(k+1)＝iinv(k)-id(k)

其中，q2为充磁程度系数。该值在高速时较小，在高速阶段，随着转速升高，逐渐升高，与转速成正相关关系。

可以看出，该阶段为去磁过程。当去磁完成，通过脉冲电流激发器输出小额脉冲电流id_min给电机，保证id_min>0，该值非常小，结合电机设计特性，此电流不会导致磁钢在该运行状态下被充磁，由于电机设计成：Ld>Lq，电机在高速正常运行时也保持着增磁运行，电机运行速度范围拓宽。

另一方面，也可选择只对电机高速时去磁，低速时不充磁也可扩速。

(8)充去磁变换器19

根据迭代分析仪18，输出对应的直轴脉冲电流id值，转为为交流电后与逆变器输出的电流i_inv合成供给电机，扩展了电机的运行范围，提高了电机的效率。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (15)

1.一种实现电机增磁运行的方法，其特征在于，所述电机的直轴电感大于交轴电感，所述方法包括步骤：

获取所述电机驱动信号的电流参数；

检测电机转子位置信号；

根据获取的转子位置信号得到转速值；

根据电流参数和转速值得到转子的磁链值和方向；

根据磁链值和方向调节充磁电流幅值和方向；

根据充磁电流幅值和方向注入脉冲电流，进行充磁或去磁。

2.如权利要求1所述的实现电机增磁运行的方法，其特征在于，

所述根据电流参数和转速值得到转子的磁链值和方向，包括：

当转速值低于转向阈值时，充磁方向执行充磁；

当转速值高于转向阈值时，充磁方向执行去磁。

3.如权利要求1所述的实现电机增磁运行的方法，其特征在于，

所述根据所述磁链值和方向调节充磁电流幅值和方向，包括：

根据所述磁链值采用迭代分析法，通过查表计算得到充磁电流幅值。

4.如权利要求1所述的实现电机增磁运行的方法，其特征在于，

所述根据充磁电流幅值和方向注入脉冲电流，进行充磁或去磁，包括：

所述充磁电流幅值经过坐标变换，转换为与电机驱动电流一致的充磁驱动电流；

将所述充磁驱动电流与逆变器输出的电流合成后输至电机。

5.如权利要求2所述的实现电机增磁运行的方法，其特征在于，

所述当转速值高于转向阈值时，充磁方向执行去磁，其中：

执行去磁时，输出小额脉冲电流给电机，小额脉冲电流大于零。

6.如权利要求1至5任一项所述的实现电机增磁运行的方法，其特征在于，

电机运行中，所述充磁电流幅值大于零。

7.如权利要求1至5任一项所述的实现电机增磁运行的方法，其特征在于，

所述电机转子上配置有增大交轴磁阻的永磁体。

8.如权利要求7所述的实现电机增磁运行的方法，其特征在于，

所述增大交轴磁阻的永磁体关于所述电机交轴对称布置。

9.如权利要求7所述的实现电机增磁运行的方法，其特征在于，

增磁运行时的直轴永磁体的总磁通等于或大于充磁后直轴的最大磁通。

10.如权利要求1至5任一项所述的实现电机增磁运行的方法，其特征在于，所述电机转子的永磁体为混合永磁体。

11.一种实现电机增磁运行的装置，包括：

信号接口，接入所述电机转子位置信号以及电流参数信号；

转速分析仪，连接于所述信号接口，根据信号接口获取的转子位置信号得到转速值；

磁化分析仪，信号连接于所述转速分析仪以及信号接口，根据电流参数和转速值得到转子的磁链值，根据转速值得到磁场磁化方向；

中央处理单元，信号连接于所述气隙磁场分析仪，根据磁链值和方向调节充磁电流幅值和方向；

脉冲电流激发器，信号连接于所述中央处理器以及所述电机的驱动电路，根据充磁电流幅值和方向对所述电机的驱动电路注入脉冲电流，进行充磁或去磁。

12.如权利要求11所述的实现电机增磁运行的装置，其特征在于，还具有函数发生器，连接于所述脉冲电流激发器，将直流脉冲电流转化为三相交流电流。

13.如权利要求12所述的实现电机增磁运行的装置，其特征在于，

还具有电流接口，连接于所述函数发生器，并且所述电流接口接入所述电机的驱动电路。

14.一种电机驱动装置，其特征在于，包括如权利要求11-13任一项所述的实现电机增磁运行的装置。

15.一种电机，其特征在于，包括如权利要求11-13任一项所述的实现电机增磁运行的装置。