CN109742985B - 一种永磁同步电机的弱磁性能计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的弱磁性能计算方法及系统，包括：建立电机的瞬态场仿真模型，并对其三相激励电流进行设定；根据电磁转矩、定子电流及电流控制角的对应关系，通过参数化扫描电流控制角，得到在给定定子电流下的转矩控制角曲线；根据电机转速和电机类型为电机选择与自身情况相适应的控制方式，以获取在不同电机转速下，满足控制方式的约束条件的最佳电流控制角；根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到转矩转速对应关系；根据转矩转速对应关系确定最高电机转速，并根据最高电机转速与电机额定转速的比值确定电机的弱磁扩速范围。可见，本申请提高了电机设计的效率。

Description

一种永磁同步电机的弱磁性能计算方法及系统

技术领域

本发明涉及永磁同步电机领域，特别是涉及一种永磁同步电机的弱磁性能计算方法及系统。

背景技术

随着高性能永磁材料的发展，永磁电机的性能得到较大提高，特别是永磁同步电机，已逐渐向高转速、高转矩和高功率密度等趋势发展。目前，永磁同步电机的弱磁扩速能力对电机整体性能影响较大，所以在设计永磁同步电机时要对其弱磁扩速范围进行计算。现有技术中，常用的永磁同步电机的弱磁扩速范围的计算方法为：在有限元软件里建立永磁同步电机的瞬态场仿真模型和永磁同步电机的控制系统模型，然后将瞬态场仿真模型与控制系统模型进行耦合仿真计算，得到永磁同步电机的弱磁扩速范围。但是，永磁同步电机的控制系统模型搭建起来较为复杂，从而增加了建模仿真的难度及仿真计算的时间，进而降低了电机设计的效率。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域的技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种永磁同步电机的弱磁性能计算方法及系统，从电机本体结构的角度出发，对永磁同步电机的弱磁扩速范围进行仿真计算，无需搭建永磁同步电机的控制系统模型，从而降低了建模仿真的难度，减少了仿真计算的时间，进而提高了电机设计的效率。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种永磁同步电机的弱磁性能计算方法，包括：

建立永磁同步电机的瞬态场仿真模型，并对所述瞬态场仿真模型中电机的三相激励电流进行设定；

根据所述电机的电磁转矩、定子电流及电流控制角的对应关系，通过参数化扫描所述瞬态场仿真模型中的电流控制角，得到在给定定子电流下的转矩控制角曲线；

根据电机转速和电机类型为所述电机选择与自身情况相适应的控制方式，以获取在不同电机转速下，满足所述控制方式的约束条件的最佳电流控制角；

根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到所述电机的转矩转速对应关系；

根据所述转矩转速对应关系确定所述电机的最高电机转速，并根据所述最高电机转速与电机额定转速的比值确定所述电机的弱磁扩速范围。

优选地，所述根据所述电机的电磁转矩、定子电流及电流控制角的对应关系，通过参数化扫描所述瞬态场仿真模型中的电流控制角，得到在给定定子电流下的转矩控制角曲线的过程，包括：

根据电磁转矩关系式

及电机定子电流d、q轴分量的关系式I_d＝-I_s sinβ、I_q＝I_s cosβ，得到变形后的电磁转矩关系式

其中，T_e为电磁转矩，p为电机极对数，ψ_f为永磁体磁链，I_d为定子电流d轴分量，I_q为定子电流q轴分量，L_d为定子d轴电感，L_q为定子q轴电感，I_s为定子电流，β为电流控制角；

根据变形的所述电磁转矩关系式，通过参数化扫描所述瞬态场仿真模型中的电流控制角β，得到在给定定子电流下的转矩控制角曲线。

优选地，当电机转速小于其额定转速且所述电机为表贴式同步电机时，所述根据电机转速和电机类型为所述电机选择与自身情况相适应的控制方式，以获取在不同电机转速下，满足所述控制方式的约束条件的最佳电流控制角的过程，包括：

为所述电机选择I_d＝0的控制方式，并根据此控制方式的约束条件β＝0确定在不同电机转速下的最佳电流控制角均为0；

相应的，所述根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到所述电机的转矩转速对应关系的过程，包括：

根据I_d＝0的控制方式的另一约束条件定子电流取电机额定电流，将最佳电流控制角0对应的转矩控制角曲线确定为在电机额定电流下的转矩控制角曲线；

根据在电机额定电流下的转矩控制角曲线，获取与最佳电流控制角0对应的电磁转矩，以得到所述电机在电机转速小于其额定转速下的转矩转速对应关系。

优选地，当电机转速小于其额定转速且所述电机为内置式同步电机时，所述根据电机转速和电机类型为所述电机选择与自身情况相适应的控制方式，以获取在不同电机转速下，满足所述控制方式的约束条件的最佳电流控制角；根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到所述电机的转矩转速对应关系的过程，包括：

为所述电机选择最大转矩电流比控制方式；

根据所述最大转矩电流比控制方式的约束条件电磁转矩取最大转矩值、定子电流取电机额定电流，从在电机额定电流下的转矩控制角曲线中找出最大电磁转矩，以得到所述电机在电机转速小于其额定转速下的转矩转速对应关系；其中，在不同电机转速下的最佳电流控制角均为所述最大电磁转矩对应的电流控制角。

优选地，当电机转速不小于其额定转速时，所述根据电机转速和电机类型为所述电机选择与自身情况相适应的控制方式，以获取在不同电机转速下，满足所述控制方式的约束条件的最佳电流控制角的过程，包括：

当所述电机为表贴式同步电机或内置式同步电机时，为所述电机选择弱磁控制方式；

根据所述弱磁控制方式的约束条件定子电流取电机额定电流和相电压求取关系式

ω＝2πnp/60，通过参数化扫描所述瞬态场仿真模型中的电流控制角β和转速n，得到不同转速下的相电压控制角曲线；其中，R_s为定子电阻，i_s(t)为所选相的激励电流，L_e为电机绕组端部电感，ψ(t)为所选相的磁链，i_a为A相激励电流，ω为角速度；

根据所述弱磁控制方式的另一约束条件定子电压取电机额定电压，从所有相电压控制角曲线中找出满足此约束条件的最佳电流控制角；

相应的，所述根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到所述电机的转矩转速对应关系的过程，包括：

根据在电机额定电流下的转矩控制角曲线，获取与所有最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到所述电机在电机转速不小于其额定转速下的转矩转速对应关系。

优选地，当电机转速不小于其额定转速且所述电机为内置式同步电机时，所述根据电机转速和电机类型为所述电机选择与自身情况相适应的控制方式，以获取在不同电机转速下，满足所述控制方式的约束条件的最佳电流控制角的过程，包括：

为所述电机选择最大输出功率控制方式；

根据所述最大输出功率控制方式的约束条件定子电流取不大于电机额定电流的电流值和相电压求取关系式

ω＝2πnp/60，通过参数化扫描所述瞬态场仿真模型中的定子电流I_s、电流控制角β及转速n，得到某一转速下的一系列定子电流的相电压控制角曲线；其中，R_s为定子电阻，i_s(t)为所选相的激励电流，L_e为电机绕组端部电感，ψ(t)为所选相的磁链，i_a为A相激励电流，ω为角速度；

根据所述最大输出功率控制方式的另一约束条件定子电压取电机额定电压，从所有相电压控制角曲线中找出满足此约束条件的最佳电流控制角；

相应的，所述根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到所述电机的转矩转速对应关系的过程，包括：

根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩；

将获取的同一转速下的电磁转矩中最大电磁转矩确定为此转速下的电磁转矩，以得到所述电机在电机转速不小于其额定转速下的转矩转速对应关系。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种永磁同步电机的弱磁性能计算系统，包括：

模型建立模块，用于建立永磁同步电机的瞬态场仿真模型，并对所述瞬态场仿真模型中电机的三相激励电流进行设定；

转矩控制角曲线获取模块，用于根据所述电机的电磁转矩、定子电流及电流控制角的对应关系，通过参数化扫描所述瞬态场仿真模型中的电流控制角，得到在给定定子电流下的转矩控制角曲线；

最佳控制角获取模块，用于根据电机转速和电机类型为所述电机选择与自身情况相适应的控制方式，以获取在不同电机转速下，满足所述控制方式的约束条件的最佳电流控制角；

转矩转速关系获取模块，用于根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到所述电机的转矩转速对应关系；

弱磁扩速范围获取模块，用于根据所述转矩转速对应关系确定所述电机的最高电机转速，并根据所述最高电机转速与电机额定转速的比值确定所述电机的弱磁扩速范围。

优选地，所述转矩控制角曲线获取模块包括：

电磁转矩关系式获取单元，用于根据电磁转矩关系式

及电机定子电流d、q轴分量的关系式I_d＝-I_s sinβ、I_q＝I_s cosβ，得到变形后的电磁转矩关系式

其中，T_e为电磁转矩，p为电机极对数，ψ_f为永磁体磁链，I_d为定子电流d轴分量，I_q为定子电流q轴分量，L_d为定子d轴电感，L_q为定子q轴电感，I_s为定子电流，β为电流控制角；

转矩控制角曲线获取单元，用于根据变形的所述电磁转矩关系式，通过参数化扫描所述瞬态场仿真模型中的电流控制角β，得到在给定定子电流下的转矩控制角曲线。

优选地，当电机转速小于其额定转速且所述电机为表贴式同步电机时，所述最佳控制角获取模块具体用于为所述电机选择I_d＝0的控制方式，并根据此控制方式的约束条件β＝0确定在不同电机转速下的最佳电流控制角均为0；

相应的，所述转矩转速关系获取模块包括：

转矩控制角曲线获取单元，用于根据I_d＝0的控制方式的另一约束条件定子电流取电机额定电流，将最佳电流控制角0对应的转矩控制角曲线确定为在电机额定电流下的转矩控制角曲线；

转矩转速关系获取单元，用于根据在电机额定电流下的转矩控制角曲线，获取与最佳电流控制角0对应的电磁转矩，以得到所述电机在电机转速小于其额定转速下的转矩转速对应关系。

优选地，当电机转速小于其额定转速且所述电机为内置式同步电机时，所述最佳控制角获取模块和所述转矩转速关系获取模块属于一个整合模块，所述整合模块包括：

控制方式选择单元，用于为所述电机选择最大转矩电流比控制方式；

转矩转速对应关系获取单元，用于根据所述最大转矩电流比控制方式的约束条件电磁转矩取最大转矩值、定子电流取电机额定电流，从在电机额定电流下的转矩控制角曲线中找出最大电磁转矩，以得到所述电机在电机转速小于其额定转速下的转矩转速对应关系；其中，在不同电机转速下的最佳电流控制角均为所述最大电磁转矩对应的电流控制角。

本发明提供了一种永磁同步电机的弱磁性能计算方法，具体地，本申请首先获取在不同定子电流下的转矩控制角曲线(定子电流-电磁转矩-电流控制角)；然后获取不同电机转速下满足电机所选控制方式的约束条件的最佳电流控制角，并根据最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与最佳电流控制角对应的电磁转矩(电机转速-最佳电流控制角-电磁转矩)，从而得到电机的转矩转速对应关系；最后根据转矩转速对应关系确定电机的最高电机转速，从而得到表征电机弱磁性能的弱磁扩速范围：最高电机转速/电机额定转速。

可见，本申请从电机本体结构的角度出发，对永磁同步电机的弱磁扩速范围进行仿真计算，无需搭建永磁同步电机的控制系统模型，从而降低了建模仿真的难度，减少了仿真计算的时间，进而提高了电机设计的效率。

本发明还提供了一种永磁同步电机的弱磁性能计算系统，与上述弱磁性能计算方法具有相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种永磁同步电机的弱磁性能计算方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种永磁同步电机的电磁转矩-电流控制角曲线；

图3为本发明实施例提供的一种永磁同步电机在不同转速下的相电压-电流控制角曲线；

图4为本发明实施例提供的第一种永磁同步电机的电磁转矩-转速曲线；

图5为本发明实施例提供的一种永磁同步电机在不同定子电流下的电磁转矩-电流控制角曲线；

图6为本发明实施例提供的一种永磁同步电机在同一转速下的相电压-电流控制角曲线；

图7为本发明实施例提供的第二种永磁同步电机的电磁转矩-转速曲线；

图8为本发明实施例提供的一种永磁同步电机的弱磁性能计算系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种永磁同步电机的弱磁性能计算方法及系统，从电机本体结构的角度出发，对永磁同步电机的弱磁扩速范围进行仿真计算，无需搭建永磁同步电机的控制系统模型，从而降低了建模仿真的难度，减少了仿真计算的时间，进而提高了电机设计的效率。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种永磁同步电机的弱磁性能计算方法的流程图。

该永磁同步电机的弱磁性能计算方法包括：

步骤S1：建立永磁同步电机的瞬态场仿真模型，并对瞬态场仿真模型中电机的三相激励电流进行设定。

具体地，本申请首先根据永磁同步电机的本体结构，建立永磁同步电机的瞬态场仿真模型(模拟永磁同步电机的工作)；然后对瞬态场仿真模型中永磁同步电机的三相激励电流进行设定，从而使仿真的永磁同步电机开始进入模拟工作。

其中，三相激励电流分别为：

其中，i_a为A相激励电流，i_b为B相激励电流，i_c为C相激励电流，I_s为永磁同步电机的定子电流(有效值)，ω为永磁同步电机的角速度，β为永磁同步电机的电流控制角，且ω＝2πf，f＝np/60，f为永磁同步电机的频率，n为永磁同步电机的转速，p为永磁同步电机的极对数。

步骤S2：根据电机的电磁转矩、定子电流及电流控制角的对应关系，通过参数化扫描瞬态场仿真模型中的电流控制角，得到在给定定子电流下的转矩控制角曲线。

具体地，本申请将永磁同步电机的电磁转矩用T_e表示，已知在求取电磁转矩T_e的过程中涉及两个变量：定子电流I_s和电流控制角β，所以在给定定子电流I_s某一电流值的情况下，便可得到电磁转矩T_e和电流控制角β的对应关系。

更具体地，本申请首先给定瞬态场仿真模型中定子电流I_s一定电流值，然后通过参数化扫描瞬态场仿真模型中的电流控制角β，即将仿真的永磁同步电机的电流控制角β呈递增或递减变化，从而得到不同电流控制角下的电磁转矩值，进而得到表征电磁转矩T_e和电流控制角β的对应关系的电磁转矩T_e-电流控制角β曲线(简称转矩控制角曲线)。

可见，本申请若给定定子电流I_s不同的电流值，便可得到不同定子电流下转矩控制角曲线。

步骤S3：根据电机转速和电机类型为电机选择与自身情况相适应的控制方式，以获取在不同电机转速下，满足控制方式的约束条件的最佳电流控制角。

具体地，已知永磁同步电机的控制方式与电机类型和电机转速有关，所以本申请根据瞬态场仿真模型中的电机转速n和电机类型，为永磁同步电机选择与自身情况相适应的控制方式，从而实现对仿真的永磁同步电机进行控制。

可以理解的是，同一类型的永磁同步电机在不同电机转速下，也可能使用不同的控制方式。所以本申请在仿真的永磁同步电机的电机类型确定之后，便可以改变瞬态场仿真模型中的电机转速n，从而实现永磁同步电机的全速范围控制。

由于每种控制方式均有对某些电机参数(包括定子电流I_s)的约束条件，所以本申请可以获取在不同电机转速下，满足对应控制方式的约束条件的最佳电流控制角。

步骤S4：根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到电机的转矩转速对应关系。

具体地，由步骤S2得知在不同定子电流下的电磁转矩T_e-电流控制角β曲线(关系：定子电流I_s-电磁转矩T_e-电流控制角β)，由步骤S3得知在不同电机转速下，满足对应控制方式的约束条件的最佳电流控制角(关系：定子电流I_s-转速n-最佳电流控制角)，所以对于任一最佳电流控制角，本申请均可根据此最佳电流控制角对应的定子电流，找出此最佳电流控制角对应的定子电流下的电磁转矩T_e-电流控制角β曲线；然后将此最佳电流控制角与找出的电磁转矩T_e-电流控制角β曲线结合，得到此最佳电流控制角对应的电磁转矩。

因此，已知转速n-最佳电流控制角的对应关系和最佳电流控制角-电磁转矩T_e的对应关系，可得转速n-电磁转矩T_e的对应关系(简称转矩转速对应关系)。

步骤S5：根据转矩转速对应关系确定电机的最高电机转速，并根据最高电机转速与电机额定转速的比值确定电机的弱磁扩速范围。

具体地，已知电磁转矩T_e＝0时，永磁同步电机的电机转速达到最高值，所以本申请根据转速n-电磁转矩T_e的对应关系确定电磁转矩T_e＝0对应的最高电机转速。

已知永磁同步电机的弱磁扩速范围(表征电机弱磁能力)＝永磁同步电机的最高电机转速/永磁同步电机的额定转速，所以本申请在确定永磁同步电机的最高电机转速之后，便可根据最高电机转速与电机额定转速的比值确定永磁同步电机的弱磁扩速范围。

由于弱磁扩速范围代表着永磁同步电机在弱磁控制时最大能扩速到电机额定转速的几倍，所以在得到永磁同步电机的弱磁扩速范围之后，可将其作为弱磁控制的参考值。

本发明提供了一种永磁同步电机的弱磁性能计算方法，具体地，本申请首先获取在不同定子电流下的转矩控制角曲线(定子电流-电磁转矩-电流控制角)；然后获取不同电机转速下满足电机所选控制方式的约束条件的最佳电流控制角，并根据最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与最佳电流控制角对应的电磁转矩(电机转速-最佳电流控制角-电磁转矩)，从而得到电机的转矩转速对应关系；最后根据转矩转速对应关系确定电机的最高电机转速，从而得到表征电机弱磁性能的弱磁扩速范围：最高电机转速/电机额定转速。

可见，本申请从电机本体结构的角度出发，对永磁同步电机的弱磁扩速范围进行仿真计算，无需搭建永磁同步电机的控制系统模型，从而降低了建模仿真的难度，减少了仿真计算的时间，进而提高了电机设计的效率。

在上述实施例的基础上：

作为一种可选地实施例，根据电机的电磁转矩、定子电流及电流控制角的对应关系，通过参数化扫描瞬态场仿真模型中的电流控制角，得到在给定定子电流下的转矩控制角曲线的过程，包括：

根据电磁转矩关系式

及电机定子电流d、q轴分量的关系式I_d＝-I_s sinβ、I_q＝I_s cosβ，得到变形后的电磁转矩关系式

其中，T_e为电磁转矩，p为电机极对数，ψ_f为永磁体磁链，I_d为定子电流d轴分量，I_q为定子电流q轴分量，L_d为定子d轴电感，L_q为定子q轴电感，I_s为定子电流，β为电流控制角；

根据变形的电磁转矩关系式，通过参数化扫描瞬态场仿真模型中的电流控制角β，得到在给定定子电流下的转矩控制角曲线。

具体地，已知永磁同步电机的电磁转矩关系式为：

其中已知量为：永磁同步电机的极对数p、永磁体磁链ψ_f、永磁同步电机的定子d轴电感L_d、永磁同步电机的定子q轴电感L_q；变量为：定子电流d轴分量I_d、定子电流q轴分量I_q。又已知永磁同步电机的定子电流d轴分量的关系式为：I_d＝-I_s sinβ，定子电流q轴分量的关系式为：I_q＝I_s cosβ，所以将电机定子电流d、q轴分量的关系式代入电磁转矩关系式，得到变形后的电磁转矩关系式

其中变量变为：定子电流I_s、电流控制β。

综上，根据变形的电磁转矩关系式，在给定定子电流I_s的条件下，通过参数化扫描瞬态场仿真模型中的电流控制角β，从而得到不同电流控制角下的电磁转矩值，进而得到电磁转矩T_e-电流控制角β曲线。

作为一种可选地实施例，当电机转速小于其额定转速且电机为表贴式同步电机时，根据电机转速和电机类型为电机选择与自身情况相适应的控制方式，以获取在不同电机转速下，满足控制方式的约束条件的最佳电流控制角的过程，包括：

为电机选择I_d＝0的控制方式，并根据此控制方式的约束条件β＝0确定在不同电机转速下的最佳电流控制角均为0；

相应的，根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到电机的转矩转速对应关系的过程，包括：

根据I_d＝0的控制方式的另一约束条件定子电流取电机额定电流，将最佳电流控制角0对应的转矩控制角曲线确定为在电机额定电流下的转矩控制角曲线；

根据在电机额定电流下的转矩控制角曲线，获取与最佳电流控制角0对应的电磁转矩，以得到电机在电机转速小于其额定转速下的转矩转速对应关系。

具体地，当永磁同步电机的电机转速n小于其额定转速时，且当永磁同步电机为表贴式同步电机时，为永磁同步电机选择I_d＝0的控制方式。已知I_d＝0的控制方式的约束条件为：电流控制角β＝0、定子电流I_s＝电机额定电流，所以在电机转速n小于其额定转速下，无论电机转速n取多少值，满足I_d＝0的控制方式的约束条件的最佳电流控制角均为0(由于永磁同步电机此时工作在额定电流下，所以最佳电流控制角0对应的定子电流为电机额定电流)。

基于此，本申请找出电机额定电流下的电磁转矩T_e-电流控制角β曲线，然后将最佳电流控制角0与找出的电磁转矩T_e-电流控制角β曲线结合，得到最佳电流控制角0对应的电磁转矩，从而得到转速n-电磁转矩T_e的对应关系。可见，基于I_d＝0的控制方式，在电机转速n小于其额定转速下，电机转速n只对应一个相同的电磁转矩T_e。

作为一种可选地实施例，当电机转速小于其额定转速且电机为内置式同步电机时，根据电机转速和电机类型为电机选择与自身情况相适应的控制方式，以获取在不同电机转速下，满足控制方式的约束条件的最佳电流控制角；根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到电机的转矩转速对应关系的过程，包括：

为电机选择最大转矩电流比控制方式；

根据最大转矩电流比控制方式的约束条件电磁转矩取最大转矩值、定子电流取电机额定电流，从在电机额定电流下的转矩控制角曲线中找出最大电磁转矩，以得到电机在电机转速小于其额定转速下的转矩转速对应关系；其中，在不同电机转速下的最佳电流控制角均为最大电磁转矩对应的电流控制角。

具体地，当永磁同步电机的电机转速n小于其额定转速时，且当永磁同步电机为内置式同步电机时，为永磁同步电机选择最大转矩电流比控制方式。已知最大转矩电流比控制方式的约束条件为：电磁转矩T_e取最大转矩值、定子电流I_s＝电机额定电流，所以在电机转速n小于其额定转速下，无论电机转速n取多少值，满足最大转矩电流比控制方式的约束条件的最佳电流控制角均为：最大电磁转矩对应的电流控制角(由于永磁同步电机此时工作在额定电流下，所以最佳电流控制角对应的定子电流为电机额定电流)。

基于此，本申请找出电机额定电流下的电磁转矩T_e-电流控制角β曲线，然后根据找出的电磁转矩T_e-电流控制角β曲线确定最佳电流控制角下的最大电磁转矩，从而得到转速n-电磁转矩T_e的对应关系。可见，基于最大转矩电流比控制方式，在电机转速n小于其额定转速下，电机转速n只对应一个相同的最大电磁转矩。

作为一种可选地实施例，当电机转速不小于其额定转速时，根据电机转速和电机类型为电机选择与自身情况相适应的控制方式，以获取在不同电机转速下，满足控制方式的约束条件的最佳电流控制角的过程，包括：

当电机为表贴式同步电机或内置式同步电机时，为电机选择弱磁控制方式；

根据弱磁控制方式的约束条件定子电流取电机额定电流和相电压求取关系式

ω＝2πnp/60，通过参数化扫描瞬态场仿真模型中的电流控制角β和转速n，得到不同转速下的相电压控制角曲线；其中，R_s为定子电阻，i_s(t)为所选相的激励电流，L_e为电机绕组端部电感，ψ(t)为所选相的磁链，i_a为A相激励电流，ω为角速度；

根据弱磁控制方式的另一约束条件定子电压取电机额定电压，从所有相电压控制角曲线中找出满足此约束条件的最佳电流控制角；

相应的，根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到电机的转矩转速对应关系的过程，包括：

根据在电机额定电流下的转矩控制角曲线，获取与所有最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到电机在电机转速不小于其额定转速下的转矩转速对应关系。

具体地，当永磁同步电机的电机转速n不小于其额定转速时，为永磁同步电机选择弱磁控制方式(弱磁控制方式既适用于表贴式同步电机，又适用于内置式同步电机)。已知弱磁控制方式的约束条件为：定子电流I_s＝电机额定电流、定子电压U_s＝电机额定电压(即定子电流I_s、定子电压U_s(有效值)均取最大极限值)；又已知相电压求取关系式

和三相激励电流，则可以看出相电压求取关系式中的变量为：定子电流I_s、电流控制角β、电机转速n。

由于弱磁控制方式的约束条件：定子电流I_s＝电机额定电流，所以在弱磁控制方式下，相电压求取关系式中的变量为：电流控制角β、电机转速n。因此，本申请通过参数化扫描瞬态场仿真模型中的电流控制角β和转速n，可得到不同转速下的相电压-电流控制角β曲线(简称相电压控制角曲线)。

由于弱磁控制方式的另一约束条件：定子电压U_s＝电机额定电压，所以本申请可从不同转速下的相电压控制角曲线中找出满足此约束条件的最佳电流控制角(由于永磁同步电机此时工作在额定电流下，所以最佳电流控制角对应的定子电流为电机额定电流)。

基于此，本申请可根据在电机额定电流下的电磁转矩T_e-电流控制角β曲线，获取所有最佳电流控制角对应的电磁转矩，从而得到在电机转速不小于电机额定转速下的转速n-电磁转矩T_e的对应关系。

比如，永磁同步电机在电机转速小于额定转速时采用的是最大转矩电流比控制方式，在电机转速不小于额定转速时采用的是弱磁控制方式。根据上述步骤，给定瞬态场仿真模型中电机定子电流I_s＝21A，参数化扫描电流控制角β，可得到永磁同步电机的电磁转矩T_e-电流控制角β曲线，如图2所示；由图2可知，当电流控制角β＝9.8°时，最大电磁转矩为T_{e max}＝42.48N·m；保持定子电流为I_s＝21A，参数化扫描电流控制角β和转速n，又根据上述相电压求取关系式，可计算得到不同转速下的相电压-电流控制角β曲线，如图3所示；再以U_s＝220V为约束条件，可得到不同转速下的最佳电流控制角；由所得的最佳电流控制角，可通过查看图2的电磁转矩T_e-电流控制角β曲线得到相应的电磁转矩；已知永磁同步电机在全速范围下的电磁转矩值，在平面坐标系上绘制永磁同步电机的电磁转矩T_e-转速n曲线，如图4所示；由图4可知，最高电机转速与电机额定转速的比值约为1.3。

作为一种可选地实施例，当电机转速不小于其额定转速且电机为内置式同步电机时，根据电机转速和电机类型为电机选择与自身情况相适应的控制方式，以获取在不同电机转速下，满足控制方式的约束条件的最佳电流控制角的过程，包括：

为电机选择最大输出功率控制方式；

根据最大输出功率控制方式的约束条件定子电流取不大于电机额定电流的电流值和相电压求取关系式

ω＝2πnp/60，通过参数化扫描瞬态场仿真模型中的定子电流I_s、电流控制角β及转速n，得到某一转速下的一系列定子电流的相电压控制角曲线；其中，R_s为定子电阻，i_s(t)为所选相的激励电流，L_e为电机绕组端部电感，ψ(t)为所选相的磁链，i_a为A相激励电流，ω为角速度；

根据最大输出功率控制方式的另一约束条件定子电压取电机额定电压，从所有相电压控制角曲线中找出满足此约束条件的最佳电流控制角；

相应的，根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到电机的转矩转速对应关系的过程，包括：

根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩；

将获取的同一转速下的电磁转矩中最大电磁转矩确定为此转速下的电磁转矩，以得到电机在电机转速不小于其额定转速下的转矩转速对应关系。

具体地，当永磁同步电机的电机转速n不小于其额定转速时，且永磁同步电机为内置式同步电机时，为永磁同步电机选择最大输出功率控制方式。已知最大输出功率控制方式的约束条件为：定子电流I_s≤电机额定电流、定子电压U_s＝电机额定电压；又已知相电压求取关系式

和三相激励电流，则可以看出相电压求取关系式中的变量为：定子电流I_s、电流控制角β、电机转速n。因此，本申请可通过参数化扫描瞬态场仿真模型中的定子电流I_s、电流控制角β及转速n，可得到某一转速下的一系列定子电流的相电压-电流控制角β曲线。

由于最大输出功率控制方式的约束条件：定子电压U_s＝电机额定电压，所以本申请可从不同转速下的一系列定子电流的相电压-电流控制角β曲线中确定满足此约束条件的最佳电流控制角。

对于任一最佳电流控制角，本申请找出该最佳电流控制角对应的定子电流下的电磁转矩T_e-电流控制角β曲线，然后根据找出的电磁转矩T_e-电流控制角β曲线获取该最佳电流控制角对应的电磁转矩。由于同一转速下有一系列定子电流对应的多条相电压-电流控制角β曲线，所以同一转速对应的电磁转矩有多个，本申请将同一转速下的电磁转矩中最大电磁转矩作为此转速下的电磁转矩，从而得到在电机转速不小于电机额定转速下的转速n-电磁转矩T_e的对应关系。

比如，永磁同步电机在电机转速小于额定转速时采用的是最大转矩电流比控制方式，在电机转速不小于额定转速时采用的是最大输出功率控制方式。根据上述步骤，参数化扫描电流控制角β，可得到永磁同步电机在不同定子电流下的电磁转矩T_e-电流控制角β曲线，如图5所示；由图5可知在某一定子电流下最佳电流控制角对应的最大电磁转矩；参数化扫描定子电流I_s、电流控制角β及转速n，又根据上述相电压求取关系式，可计算得到每一个转速值下，不同定子电流的相电压-电流控制角β曲线(如转速为3600rpm时，不同定子电流下的相电压-电流控制角β曲线，如图6所示)；再以U_s＝220V为约束条件，可得到每个转速值下的定子电流的最佳电流控制角；由所得的最佳电流控制角，可通过查看对应定子电流下的电磁转矩T_e-电流控制角β曲线得到相应的电磁转矩；已知永磁同步电机在全速范围下的电磁转矩值，在平面坐标系上绘制永磁同步电机的电磁转矩T_e-转速n曲线，如图7所示(该曲线与图4的曲线相同，说明该实施例的最大输出功率控制即为弱磁控制)；由图7可知，最高电机转速与电机额定转速的比值约为1.3。

请参照图8，图8为本发明实施例提供的一种永磁同步电机的弱磁性能计算系统的结构示意图。

该永磁同步电机的弱磁性能计算系统包括：

模型建立模块1，用于建立永磁同步电机的瞬态场仿真模型，并对瞬态场仿真模型中电机的三相激励电流进行设定；

转矩控制角曲线获取模块2，用于根据电机的电磁转矩、定子电流及电流控制角的对应关系，通过参数化扫描瞬态场仿真模型中的电流控制角，得到在给定定子电流下的转矩控制角曲线；

最佳控制角获取模块3，用于根据电机转速和电机类型为电机选择与自身情况相适应的控制方式，以获取在不同电机转速下，满足控制方式的约束条件的最佳电流控制角；

转矩转速关系获取模块4，用于根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到电机的转矩转速对应关系；

弱磁扩速范围获取模块5，用于根据转矩转速对应关系确定电机的最高电机转速，并根据最高电机转速与电机额定转速的比值确定电机的弱磁扩速范围。

作为一种可选地实施例，转矩控制角曲线获取模块2包括：

电磁转矩关系式获取单元，用于根据电磁转矩关系式

及电机定子电流d、q轴分量的关系式I_d＝-I_s sinβ、I_q＝I_s cosβ，得到变形后的电磁转矩关系式

其中，T_e为电磁转矩，p为电机极对数，ψ_f为永磁体磁链，I_d为定子电流d轴分量，I_q为定子电流q轴分量，L_d为定子d轴电感，L_q为定子q轴电感，I_s为定子电流，β为电流控制角；

转矩控制角曲线获取单元，用于根据变形的电磁转矩关系式，通过参数化扫描瞬态场仿真模型中的电流控制角β，得到在给定定子电流下的转矩控制角曲线。

作为一种可选地实施例，当电机转速小于其额定转速且电机为表贴式同步电机时，最佳控制角获取模块3具体用于为电机选择I_d＝0的控制方式，并根据此控制方式的约束条件β＝0确定在不同电机转速下的最佳电流控制角均为0；

相应的，转矩转速关系获取模块4包括：

转矩控制角曲线获取单元，用于根据I_d＝0的控制方式的另一约束条件定子电流取电机额定电流，将最佳电流控制角0对应的转矩控制角曲线确定为在电机额定电流下的转矩控制角曲线；

转矩转速关系获取单元，用于根据在电机额定电流下的转矩控制角曲线，获取与最佳电流控制角0对应的电磁转矩，以得到电机在电机转速小于其额定转速下的转矩转速对应关系。

作为一种可选地实施例，当电机转速小于其额定转速且电机为内置式同步电机时，最佳控制角获取模块3和转矩转速关系获取模块4属于一个整合模块，整合模块包括：

控制方式选择单元，用于为电机选择最大转矩电流比控制方式；

转矩转速对应关系获取单元，用于根据最大转矩电流比控制方式的约束条件电磁转矩取最大转矩值、定子电流取电机额定电流，从在电机额定电流下的转矩控制角曲线中找出最大电磁转矩，以得到电机在电机转速小于其额定转速下的转矩转速对应关系；其中，在不同电机转速下的最佳电流控制角均为最大电磁转矩对应的电流控制角。

本申请提供的系统的介绍请参考上述方法实施例，本申请在此不再赘述。

还需要说明的是，在本说明书中，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。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业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发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明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公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机的弱磁性能计算方法，其特征在于，包括：

建立永磁同步电机的瞬态场仿真模型，并对所述瞬态场仿真模型中电机的三相激励电流进行设定；

根据所述电机的电磁转矩、定子电流及电流控制角的对应关系，通过参数化扫描所述瞬态场仿真模型中的电流控制角，得到在给定定子电流下的转矩控制角曲线；

根据电机转速和电机类型为所述电机选择与自身情况相适应的控制方式，以获取在不同电机转速下，满足所述控制方式的约束条件的最佳电流控制角；

根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到所述电机的转矩转速对应关系；

根据所述转矩转速对应关系确定所述电机的最高电机转速，并根据所述最高电机转速与电机额定转速的比值确定所述电机的弱磁扩速范围；

所述根据所述电机的电磁转矩、定子电流及电流控制角的对应关系，通过参数化扫描所述瞬态场仿真模型中的电流控制角，得到在给定定子电流下的转矩控制角曲线的过程，包括：

根据电磁转矩关系式

及电机定子电流d、q轴分量的关系式I_d＝-I_ssinβ、I_q＝I_scosβ，得到变形后的电磁转矩关系式

其中，T_e为电磁转矩，p为电机极对数，ψ_f为永磁体磁链，I_d为定子电流d轴分量，I_q为定子电流q轴分量，L_d为定子d轴电感，L_q为定子q轴电感，I_s为定子电流，β为电流控制角；

根据变形的所述电磁转矩关系式，通过参数化扫描所述瞬态场仿真模型中的电流控制角β，得到在给定定子电流下的转矩控制角曲线；

当电机转速小于其额定转速且所述电机为表贴式同步电机时，所述根据电机转速和电机类型为所述电机选择与自身情况相适应的控制方式，以获取在不同电机转速下，满足所述控制方式的约束条件的最佳电流控制角的过程，包括：

为所述电机选择I_d＝0的控制方式，并根据此控制方式的约束条件β＝0确定在不同电机转速下的最佳电流控制角均为0；

相应的，所述根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到所述电机的转矩转速对应关系的过程，包括：

根据I_d＝0的控制方式的另一约束条件定子电流取电机额定电流，将最佳电流控制角0对应的转矩控制角曲线确定为在电机额定电流下的转矩控制角曲线；

根据在电机额定电流下的转矩控制角曲线，获取与最佳电流控制角0对应的电磁转矩，以得到所述电机在电机转速小于其额定转速下的转矩转速对应关系。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机的弱磁性能计算方法，其特征在于，当电机转速小于其额定转速且所述电机为内置式同步电机时，所述根据电机转速和电机类型为所述电机选择与自身情况相适应的控制方式，以获取在不同电机转速下，满足所述控制方式的约束条件的最佳电流控制角；根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到所述电机的转矩转速对应关系的过程，包括：

为所述电机选择最大转矩电流比控制方式；

根据所述最大转矩电流比控制方式的约束条件电磁转矩取最大转矩值、定子电流取电机额定电流，从在电机额定电流下的转矩控制角曲线中找出最大电磁转矩，以得到所述电机在电机转速小于其额定转速下的转矩转速对应关系；其中，在不同电机转速下的最佳电流控制角均为所述最大电磁转矩对应的电流控制角。

3.如权利要求1所述的永磁同步电机的弱磁性能计算方法，其特征在于，当电机转速不小于其额定转速时，所述根据电机转速和电机类型为所述电机选择与自身情况相适应的控制方式，以获取在不同电机转速下，满足所述控制方式的约束条件的最佳电流控制角的过程，包括：

当所述电机为表贴式同步电机或内置式同步电机时，为所述电机选择弱磁控制方式；

根据所述弱磁控制方式的约束条件定子电流取电机额定电流和相电压求取关系式

通过参数化扫描所述瞬态场仿真模型中的电流控制角β和转速n，得到不同转速下的相电压控制角曲线；其中，R_s为定子电阻，i_s(t)为所选相的激励电流，L_e为电机绕组端部电感，ψ(t)为所选相的磁链，i_a为A相激励电流，ω为角速度；

根据所述弱磁控制方式的另一约束条件定子电压取电机额定电压，从所有相电压控制角曲线中找出满足此约束条件的最佳电流控制角；

相应的，所述根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到所述电机的转矩转速对应关系的过程，包括：

根据在电机额定电流下的转矩控制角曲线，获取与所有最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到所述电机在电机转速不小于其额定转速下的转矩转速对应关系。

4.如权利要求1所述的永磁同步电机的弱磁性能计算方法，其特征在于，当电机转速不小于其额定转速且所述电机为内置式同步电机时，所述根据电机转速和电机类型为所述电机选择与自身情况相适应的控制方式，以获取在不同电机转速下，满足所述控制方式的约束条件的最佳电流控制角的过程，包括：

为所述电机选择最大输出功率控制方式；

根据所述最大输出功率控制方式的约束条件定子电流取不大于电机额定电流的电流值和相电压求取关系式

通过参数化扫描所述瞬态场仿真模型中的定子电流I_s、电流控制角β及转速n，得到某一转速下的一系列定子电流的相电压控制角曲线；其中，R_s为定子电阻，i_s(t)为所选相的激励电流，L_e为电机绕组端部电感，ψ(t)为所选相的磁链，i_a为A相激励电流，ω为角速度；

根据所述最大输出功率控制方式的另一约束条件定子电压取电机额定电压，从所有相电压控制角曲线中找出满足此约束条件的最佳电流控制角；

相应的，所述根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到所述电机的转矩转速对应关系的过程，包括：

根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩；

将获取的同一转速下的电磁转矩中最大电磁转矩确定为此转速下的电磁转矩，以得到所述电机在电机转速不小于其额定转速下的转矩转速对应关系。

5.一种永磁同步电机的弱磁性能计算系统，其特征在于，包括：

模型建立模块，用于建立永磁同步电机的瞬态场仿真模型，并对所述瞬态场仿真模型中电机的三相激励电流进行设定；

转矩控制角曲线获取模块，用于根据所述电机的电磁转矩、定子电流及电流控制角的对应关系，通过参数化扫描所述瞬态场仿真模型中的电流控制角，得到在给定定子电流下的转矩控制角曲线；

最佳控制角获取模块，用于根据电机转速和电机类型为所述电机选择与自身情况相适应的控制方式，以获取在不同电机转速下，满足所述控制方式的约束条件的最佳电流控制角；

转矩转速关系获取模块，用于根据任一最佳电流控制角对应的定子电流下的转矩控制角曲线，获取与该最佳电流控制角对应的电磁转矩，以得到所述电机的转矩转速对应关系；

弱磁扩速范围获取模块，用于根据所述转矩转速对应关系确定所述电机的最高电机转速，并根据所述最高电机转速与电机额定转速的比值确定所述电机的弱磁扩速范围；

所述转矩控制角曲线获取模块包括：

电磁转矩关系式获取单元，用于根据电磁转矩关系式

及电机定子电流d、q轴分量的关系式I_d＝-I_ssinβ、I_q＝I_scosβ，得到变形后的电磁转矩关系式

其中，T_e为电磁转矩，p为电机极对数，ψ_f为永磁体磁链，I_d为定子电流d轴分量，I_q为定子电流q轴分量，L_d为定子d轴电感，L_q为定子q轴电感，I_s为定子电流，β为电流控制角；

转矩控制角曲线获取单元，用于根据变形的所述电磁转矩关系式，通过参数化扫描所述瞬态场仿真模型中的电流控制角β，得到在给定定子电流下的转矩控制角曲线；

当电机转速小于其额定转速且所述电机为表贴式同步电机时，所述最佳控制角获取模块具体用于为所述电机选择I_d＝0的控制方式，并根据此控制方式的约束条件β＝0确定在不同电机转速下的最佳电流控制角均为0；

相应的，所述转矩转速关系获取模块包括：

转矩控制角曲线获取单元，用于根据I_d＝0的控制方式的另一约束条件定子电流取电机额定电流，将最佳电流控制角0对应的转矩控制角曲线确定为在电机额定电流下的转矩控制角曲线；

转矩转速关系获取单元，用于根据在电机额定电流下的转矩控制角曲线，获取与最佳电流控制角0对应的电磁转矩，以得到所述电机在电机转速小于其额定转速下的转矩转速对应关系。

6.如权利要求5所述的永磁同步电机的弱磁性能计算系统，其特征在于，当电机转速小于其额定转速且所述电机为内置式同步电机时，所述最佳控制角获取模块和所述转矩转速关系获取模块属于一个整合模块，所述整合模块包括：

控制方式选择单元，用于为所述电机选择最大转矩电流比控制方式；

转矩转速对应关系获取单元，用于根据所述最大转矩电流比控制方式的约束条件电磁转矩取最大转矩值、定子电流取电机额定电流，从在电机额定电流下的转矩控制角曲线中找出最大电磁转矩，以得到所述电机在电机转速小于其额定转速下的转矩转速对应关系；其中，在不同电机转速下的最佳电流控制角均为所述最大电磁转矩对应的电流控制角。

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