【正文】 在低速時(shí)，電機(jī)電流控制角很小，交軸分量電流很大，直軸分量電流很小。為了抵消永磁磁場，要求高速下電樞反應(yīng)磁場方向與永磁磁場方向相反，則要求電樞電流的 d 軸分量盡可能大，同時(shí)電機(jī)設(shè)計(jì)需保證有大的 Xd，以使得 XdLd 分 量盡可能大 (相對額定速度下的電機(jī)電樞電流希望 有盡可能大的交軸電流以產(chǎn)生一交軸磁鏈 )，同時(shí)在額定速以下不影響電機(jī)出力。其中永磁段是電機(jī)出力的主要部分，其設(shè)計(jì)思路基本上與傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)相同 ； 磁阻 段是電機(jī)弱磁的主體部分。本節(jié)從電動(dòng)機(jī)本身出發(fā)，提出三 種特殊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，使其更利于弱磁擴(kuò)速。式 ()是普通永磁同步電機(jī)的固有 特性，是弱磁難的原因。如果永磁體提供正常的勵(lì)磁磁場 (由永磁體的性能及定、轉(zhuǎn) 子鐵心飽和磁密決定 )，則額定電流產(chǎn)生的直軸電樞反應(yīng)磁通只能消弱永磁通的極小部分，即弱磁率太低。盡管永磁同步電機(jī)有多種多樣的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，但無論是并聯(lián)永磁路轉(zhuǎn)子還是串聯(lián)永磁路轉(zhuǎn)子，永磁體總是串聯(lián)在直軸磁路中，并占去交軸磁路的部分空間。從如中可以看出，永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力隨弱磁率的增加而提高，如果同時(shí)增加電動(dòng)機(jī)的凸極率，則弱磁擴(kuò)速能力會(huì)有更明顯的提高。 定義永磁同步電動(dòng)機(jī)的擴(kuò)速倍 數(shù)為 kξ **m a xm a xbbk ????? ?? () Kξ的具體表達(dá)式為 ????????????????????)1(11)1(1]8)1[()1(161)(1222??????????ff CCk () 顯然，弱磁擴(kuò)速倍數(shù)表示的是永磁同步電動(dòng)機(jī)在空載且不計(jì)電機(jī)各種損耗時(shí)的弱磁擴(kuò)速能力。凸極率、弱磁率越大，轉(zhuǎn)折速度越低。某轉(zhuǎn)速下輸入功率最大時(shí) 定子電流矢量的求解過程如下： 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于某轉(zhuǎn)速 ω 而輸入功率最大時(shí)應(yīng)為 1emT 2emT 恒轉(zhuǎn)矩軌跡 電流極限圓 電壓極限圓 最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡 A B C O 1? 2? qi di 01 ?ddidP () 由電壓方程可把交軸電流分量表示為 qfddq LiLui 22l i m )()( ?? ??? () 把上式和式（ ）帶入式（ ）并忽略定子電阻，可得電動(dòng)機(jī)輸入最大功率時(shí)的定子直、交軸電壓 ??????????????qddqddfdLiLuiiLi22lim )()( ?? () 式中 ?????????? ?????）（）（101)1(4 )()1(8)(2l i m22??? ??????ddffdiLui () 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁擴(kuò)速能力的提高 經(jīng)推導(dǎo)得轉(zhuǎn)折速度與凸極率、弱磁率之間的關(guān)系為 ??????????????????)1(11)1(]8)1[()1(161)(11*222???????? ffbCC () 式中， 22)1(811 ???????fC ，其對應(yīng)的曲線如圖 所示。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于某一轉(zhuǎn)速 ω 時(shí)，由電壓方程可得到弱磁控制時(shí)電流矢量軌跡 22l i m )()( dddfd iLuLi ??? ???? () 由電壓方程（ ）可以得出轉(zhuǎn)速的表達(dá)式 22l i m)()( qqddf iLiLpu???? ? () 圖 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁原理圖 當(dāng)電動(dòng)機(jī)端電壓和電流達(dá)到最大值，電流全部為直軸電流 分量，并且忽略定子電阻的影響時(shí)，電動(dòng)機(jī)可達(dá)到的理想最高轉(zhuǎn)速為 )( limlimm a x iLp u df ??? ? () 最大輸入功率弱磁控制 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的普通弱磁控制達(dá)到轉(zhuǎn)折速度后，在增加電機(jī)轉(zhuǎn)速，必須降低電機(jī)的電流，從而今年入最大輸入功率弱磁控制，此時(shí)定子電流矢量沿著電壓極限橢圓軌跡取值。轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高到 ω2(ω2ω1)時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡與電壓極限圓相交于 B 點(diǎn)，對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為 Tem2(Tem2 Tem1)，若此時(shí)定子電流矢量偏離最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡，由 B電移至 C 點(diǎn)，則電動(dòng)機(jī)可輸出更大的轉(zhuǎn)矩 Tem1，從而提高了電動(dòng)機(jī)超過轉(zhuǎn)折速度時(shí)的輸出功率。電機(jī)能夠在寬廣的弱磁范圍內(nèi)輸出盡可能大的功率的條件是 Id=Ilim 時(shí)的直軸電樞反應(yīng)去磁磁通能夠正好抵消永磁通，或表述為 : lim0 IXE d? () 永磁同步電 動(dòng)機(jī)的弱磁擴(kuò)速控制可以用圖 所示的定子電流矢量軌跡加以闡述。這時(shí)電機(jī)在理論上可以在任意的高速下進(jìn)行弱磁運(yùn)行，并輸出基本恒定的功率。 只要電流分量控制適當(dāng)，就有可能獲得一個(gè)輸出恒定功率的調(diào)速范圍 (即恒功率弱磁范圍 )。因此，一般是通過增加直軸去磁電流來實(shí)現(xiàn)弱磁。相反，隨著這種能力的增大 (Xq的增大 )，恒轉(zhuǎn)矩范圍變窄，弱磁范圍變寬，電機(jī)總的調(diào)速范圍會(huì)有所減小，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩特性會(huì)越來越軟。 要特別指出的是，盡管這一等效弱磁措施能夠擴(kuò)展電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍之外的調(diào)速范圍 (即弱磁范圍 )，但它以犧牲恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍和輸出轉(zhuǎn)矩為代價(jià)。這種 弱磁能力的大小與電樞繞組的直軸電感 id 成正比。永磁同步電動(dòng)機(jī)電壓方程如下式 22 )()( fddqd iLiLu ??? ??? () 從上式可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)端電壓隨轉(zhuǎn)速升高到逆變器能夠輸出的最大電壓之后，若要繼續(xù)升高電機(jī)的速度，永磁同步電機(jī)將無法再作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，而必須采取下述措施之一 (或兼而用之 )，以維持電樞繞組的電勢平衡，從而獲得一個(gè)新的調(diào)速范圍。換句話說，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)可以通過降低勵(lì)磁電流而弱磁擴(kuò)速。根據(jù)電機(jī)學(xué)知識，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系方程如下： ????????????feaaeeICRIUCEnnCE???? () 式中， E——直流電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢 ； Ce——直流電動(dòng)機(jī)電勢系數(shù) ； Φ——直流電動(dòng)機(jī)每相磁通 ； U——直流電動(dòng)機(jī)定子電壓 ； Ia——直流電動(dòng)機(jī) 電樞電流 ； Ra——直流電動(dòng)機(jī)電樞電阻 ； If——直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流 。但是，該方法的缺點(diǎn)是 控制算法的開銷很大，普通的單片機(jī)的運(yùn)算能力無法承擔(dān)，需要使用高速度的中央控制器。在該控制方法基礎(chǔ)上，還可以方便的加入弱磁控制方法，改善電動(dòng)機(jī)恒功率運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩的性能。 （ 2） 1cos ?? 控制由于系統(tǒng)的功率因數(shù)恒為 1，使逆變器的容量得到充分的利用，但該方法的最大電磁轉(zhuǎn)矩很小。其主要缺點(diǎn)是隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增大，功率因數(shù)下降較快。由于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)電壓和電流步能超過各自的極限，故 A 點(diǎn)對應(yīng)轉(zhuǎn)矩就是電動(dòng)機(jī)可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的電壓和電流均達(dá)到極限值。在最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡的 OA 段上，電動(dòng)機(jī)可以以該軌跡上的個(gè)點(diǎn)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，且通過該點(diǎn)的電壓極限橢圓所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為在轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)折速度，而交點(diǎn) A 對應(yīng)于 輸出轉(zhuǎn)矩最大時(shí)的轉(zhuǎn)矩速度。圖 7 是采用不同的凸極率計(jì)算出的曲線，永磁同步電動(dòng)機(jī)的凸極率直接影響電動(dòng)機(jī)定子電流和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，凸極率越大，磁阻轉(zhuǎn)矩部分就越大，直軸 電流的貢獻(xiàn)增大。 采用最大轉(zhuǎn)矩 /電流控制時(shí)，電動(dòng)機(jī) 的電流矢量應(yīng)滿足 ?????????????0)(0)(qsemdsemiiTiiT () 把式（ ）和 22 qds iii ?? 帶入上式，可求得 dqdffqdqqdffd LLLLLiLLi)1(2)1(4)(2)(4 2222222????????????????? () 把上式表示為標(biāo)么值，并代入式（ ），可以得到交、直軸電流分量與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為 ???????????))1(412(2)1(*2**3***qqemddemiiTiiT? （ ） 反過來，此時(shí)的定子電流分量 id*和 iq*可表示為 ?????*)(**)(*21emqemd Tfi Tfi () 由式 ()繪出的永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩交、直軸電流間的關(guān)系曲線如圖)所示。 圖 1cos ?? 控制時(shí)， PMSM 定子電 流與電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線 a)定子電流與電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系 b) d、 q 軸電流與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 最大轉(zhuǎn)矩 /電流控制 最大轉(zhuǎn)矩 /電流控制是在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)域，電機(jī)輸出給定轉(zhuǎn)矩條件下，控制定子電流最小的電流控制方法，也稱作單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制，它是凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)用得較多的一種電流控制策略，對于隱極永磁同步電動(dòng)機(jī)，最大 轉(zhuǎn)矩 /電流控制就是 id=0 控制。電動(dòng)機(jī)工作于轉(zhuǎn)矩隨定子電流增大而增大的區(qū)間時(shí)，交、直軸電流與電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線如圖 5b)所示。從圖中可以看出，在 1cos ?? 的條件下，電磁轉(zhuǎn)矩存在一個(gè)極大值。 1cos ?? 控制 1cos ?? 控制方法是控制交、直軸電流分量，保持永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)恒為 1 的控制方法。定子電流中只有交軸分量，并且定子磁動(dòng)勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交， β=900，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量，其值為 qfsfem ipipT ?? ?? () 故有femqs pTii ??? ，且有 ??? ， 功率因數(shù) ?? c o sc o s ? () 圖 磁場定向控制時(shí)的時(shí)間向量圖 正切角 qemqfememfqemfemfqemqXRTXpTRTpXTRpTXTRIEXI121211101t a n???????? ???????? () 11RI 0E 1I U fI f? 由于電動(dòng)機(jī)一般運(yùn)行于高 速，電阻遠(yuǎn)小于電抗 (即 X qR1)，因此式 ()可簡化為 emfq TpL2tan ?? ? () 2242422221)(11)](c os [ t a nc osc osemqfffemqemfqTLpppTLTpL????????????? () 對式（ ）和式（ ）進(jìn)行標(biāo)么話處理后可得用標(biāo)么值表示的交軸電流和功率因數(shù)與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 ** qem iT ? () 2**1 )(11)](c o s [ t a nc o semem TT ??? ??? ? () 從電動(dòng)機(jī)的電壓方程（忽略定子電阻）和轉(zhuǎn)矩方程可以得到采用 id=0 控制時(shí)在逆變器極限電壓下電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 22lim)()(fqemfLTpu?? ??? () 從式（ ）可以看出，采用 id=0 控制時(shí)，電動(dòng)機(jī)的