从控制角度如何评价电机是否设计合理？

陈四川

电机厂家通常会给出的电机参数是：额定转矩T、额定电流I、最高转速Nmax、额定功率P和额定电压V。

通常额定电压V是由于电池电压限制的，是电机设计的输入。
额定转矩T是整车的设计输出，是电机设计的输入。
最高转速Nmax是整车的设计输出，是电机设计的输入。
额定功率P是整车的设计输出，是电机设计的输入。
只有额定电流I是电机厂家的输出，电机设计人员会根据体积、散热能力、反电动势、DQ电感来给出额定电流I值，所以电流反应了电机设计是否合理。该值越小说明设计水平越高。理论上该值的极限值是P/1.732/V。

电机厂家通常指给出了一个电流I值，该值要满足两个条件：
1、在低速时，I值能产生额定转矩；
2、在最高转速Nmax时，能输出额定功率P。


我给了两张图，如果设计合理，不管在低速还是高速区，电机电流都在额定电流附近。如果电机设计不合理，高速区要保证恒功率输出，必须要控制器输入更大的电流，会造成电机发热更严重。

陈四川

经手了好几家电机，发现设计的好的，能在高速恒功率区保持电流在额定附近的很少。想问问版上电机设计同行，你们是否关注这个问题？设计时，需要考虑哪些因素能解决这个问题？

电动无限

和控制策略有关吧，第一个图的弱磁做的好，电流不会增加太多，第二张图弱磁做的没第一张好。

陈四川

电动无限 发表于 2016-5-19 21:53
和控制策略有关吧，第一个图的弱磁做的好，电流不会增加太多，第二张图弱磁做的没第一张好。

不是控制策略的问题，是电机参数的问题。

高速区要保证恒功率输出，就要输出一定转矩，电机工作点是电压极限环和恒转矩曲线的交点。

电机的电压极限环和恒转矩曲线是电机设计参数决定了的，控制器只是确保要工作到曲线交点而已。

songwanjie

首先是永磁电机么？如果是我下面有意义，1在反电动势相同的情况下，我们使用id=0控制，得到的电流相同，但是在同扭矩同转速弱磁时得到的电流是有差异的。这个差异决定在d轴电感上，d轴电感越大，弱磁的id分量越小，相电流越小。但是我们常规手段测试出来的ld和lq，并不代表弱磁状态下的ld，lq。在弱磁下ld是逐渐增加到饱和值的，这个饱和值与电机设计相关了。

songwanjie

大胆猜测一下第一张图是集中卷电机，第二张图是分布卷？对于汽车电机不了解瞎扯下。请指正

陈四川

songwanjie 发表于 2016-5-21 12:25
首先是永磁电机么？如果是我下面有意义，1在反电动势相同的情况下，我们使用id=0控制，得到的电流相同，但 ...

两个图都是车用永磁电机。

车上为了追求功率密度和转矩密度，会把凸极率做的比较高，一般在2~3倍。凸极永磁电机会用最大转矩电流比的控制策略，而不是Id=0；

另外，d轴由于有永磁体所占的气隙，不容易饱和，而且d轴电流是去磁的，Ld在弱磁范围内变化很小，工程上可以忽略。

q轴会因为电流的增加而趋向饱和，Lq会变化很大。

比如空载下，Lq=3Ld，满功率或者大转矩后，Lq=1*Ld。所以很多电机厂家的设计静态参数看着很漂亮，凸极率也很高，但实际运行中，在高速区凸极率就不可避免的下来了，控制效果就不那么理想了。

songwanjie

你在高速时还能保证mtpa么，肯定是弱磁了，去磁状态下，d轴电感是增的，可以查阅相关电机文章，你对比下两个电机的高速d轴电流就可以看出两个电机的差异了。lq的减小可以通过电感曲线由电机厂家给出，你可以要求他们给的，但是去磁状态下的电机参数我还没看见有电机厂给过。

电动无限

算下电机的特征电流吧，如果特征电流小于相电流最大值，电流会符合你的第一个图的趋势，要是特征电流大于相电流最大值，高速时，为了满足恒功率，不得不要增大相电流。特征电流的三种情况可以看看王艾萌老师的书，上面有分析，

陈四川

电动无限 发表于 2016-5-22 23:34
算下电机的特征电流吧，如果特征电流小于相电流最大值，电流会符合你的第一个图的趋势，要是特征电流大于相 ...

仔细想了想你的回复，又去看了看王老师的论文，确实和特征电流有关。

不过电机运行在额定工况下，额定电流肯定远小于特征电流，只有峰值电流才会接近或者大于特征电流。我给的图是在额定工况下的。

额定电流和特征电流的差距，也决定了恒功率区的大小。 具体说来，额定电流越接近特征电流，越能保证在不增加输出电流的情况下输出恒功率。

所以我理解，从电机设计的角度来说，在保证其他性能的前提下，应尽量减小特征电流，也即减小反电动势和增大Ld电感。

不知我理解是否正确。

songwanjie

能否贴下电机参数，扭矩，电压，我算一算你的电流情况：)

陈四川

songwanjie 发表于 2016-5-23 12:33
能否贴下电机参数，扭矩，电压，我算一算你的电流情况：)

可以，暂不考虑饱和对参数的影响

1000rpm的线电压反电动势 E1000=56Vrms
额定电流50A
额定转矩40Nm
直流电压320V
Ld=0.6mH
Lq=1.4mH
额定转速 3000rpm
最高转速 6500rpm
额定功率 13kW

songwanjie

还需要级对数，6500的扭力

陈四川

songwanjie 发表于 2016-5-23 16:11
还需要级对数，6500的扭力

4对极
6500rpm时，输出额定功率，扭矩应该是13kW*9550/6500

songwanjie

假设相电阻0.1欧姆，不考虑铁损，基于线性电机模型。
图是没有考虑饱和相应的mtpa角度图

在40NM时，MTPA所能保持的最大转速 58hz（机械频率），I=40.24A

在19NM时，MTPA所能保持的最大转速 64hz，I=20.12A







19NM扭矩时，不考虑LQ饱和 效应。

频率  70hz        80hz      105hz   

相电流 22Arms    33Arms     55Arms



19nm时，考虑LQ饱和效应，Ld不变，lq=ld=0.6mH；



频率      70hz    80hz   105hz

相电流   22Arms  32Arms  55Arms



19NM时考虑 LQ,LD的饱和效应，LQ=1mH，LD=0.8mH

频率   70hz    80hz      105hz

相电流  22Arms  28Arms   44Arms

陈四川

songwanjie 发表于 2016-5-24 10:41
假设相电阻0.1欧姆，不考虑铁损，基于线性电机模型。
图是没有考虑饱和相应的mtpa角度图

谢谢你的计算
通过你算的，和我的结论一致吧，这款电机高速时要输出恒功率的转矩，电流必须增大很多
最高转速6500rpm时，频率有400Hz