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永磁同步电机磁通谐波抑制的补偿控制仿真吴志红1,2,李根生1,朱元
永磁同步电机磁通谐波抑制的补偿控制仿真: TM341 文献标识码: A
Simulation on Flux Harmonic Compensation Control of Permanent Magnet Synchronous Motor
WU zhihong1,2, LI gensheng1, ZHU yuan1
(1. College of Automotive Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. Sino-German Institute, Tongji University, Shanghai 200092, China)
ABSTRACT:There are strict requirements on operating efficiency and performance for motor in electric vehicle. Harmonics in permanent magnet excitation magnetic field of permanent magnet synchronous motor (PMSM) can increase the harmonic components in the stator winding flux link and increase losses in the motor, which will lead to motor temperature increasing and torque fluctuation. This paper proposes a compensation of harmonic suppression control algorithm to reduce vibration and noise by reducing the stator iron loss and compensating motor torque fluctuation due to magnetic field harmonics. Simulations results show that the magnetic flux compensation control algorithm reduces harmonic content significantly, decreases torque ripple, and improves the motor’s efficiency and performance.
KEY WORDS: electric vehicles; PMSM; iron loss; harmonic compensation
永磁同步电机具有高效率、高能量密度、起动转矩大等特点,随着钕铁硼永磁材料的性能日益提高、矢量控制理论、高性能处理器以及大功率高开关速度的功率电子元器件发展等因素,使得永磁同步电机的应用领域不断扩大[1]。
根据转子的结构,永磁同步电机可分为面贴式和内埋式两种。对于面贴式PMSM,可以通过改变永磁体的形状和极弧宽度,或者采用其他有效措施,使永磁体励磁磁场尽量接近正线分布。对于内埋式结构,由于永磁体嵌入转子结构内,提高了的机械性能,使电机更加坚固可靠,可在高速下运行;同时该结构决定了电动机的直轴同步电感小于交轴同步电感,由于交直轴电感的不等,提供了额外的磁阻转矩,扩大了弱磁范围。内埋式永磁同步电机的这些特性,使得它非常适合电动汽车的要求,成为电动汽车的首要选择。
但是对于内埋式永磁同步电机,在转子永磁体励磁磁场中将含有谐波成分,这将增加定子绕组内磁链的谐波成分,增大电机的损耗,使电机运行的温度升高[2,3]。特别是在高速运行时,因为弱磁控制会使得磁通基值减小,但谐波部分仍保持不变,这时谐波铁损所占比例将增大而会变得更为明显,同时会导致输出的电磁转矩具有周期性的波动,将增加电机的振动和噪音[4-7],这时对谐波的抑制尤为重要。国内外一些学者从电机设计方面对永磁体磁场进行研究,利用有限元等方法来分析永磁体磁场,并提出了一些相关改进方法来削弱谐波成分[8-13],但从电机设计方面努力很难使励磁磁场呈正弦分布,且会增加制造成本,因此除了在电机设计方面努力外,还应该从控制的角度采取措施消除或减少永磁体励磁磁场的谐波分量带来的影响[1]。
本文提出一种对永磁体励磁磁场谐波抑制的补偿控制算法,目的在于减少电机运行时的定子铁损,同时对电机因磁场谐波引起的转矩波动进行补偿,减小振动和噪声。仿真表明该补偿控制算法使得定子中产生的磁链谐波含量明显降低,减小转矩波动,提高了电机运行的效率和性能。
磁场谐波测定及
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