设计永磁电机时考虑控制策略问题吗？

标准答案

大家说说，设计永磁电机时考虑控制策略问题吗？如果考虑应怎样考虑？不同的控制策略，如Id=0与cosφ=1控制，电机本体差别大吗？差别在哪？

欧阳庆

标兄，在这方面不是很了解，就不能枉说一番。是否可以问问南牛先生对此有什么见解。

Edwin_Sun

若是普通的通用型电机，那你就要让它设计适用于各种控制策略，各个厂家的通用型变频器都要能带的起来；

若是伺服电机，那就更要考虑了，就像某一家的伺服带另一家的电机，有可能怎么设置也带不起来的

zengxiaodong

有一些变化，但变化不大！

例如，方波控制与正弦波控制相比，磁极形状就追求均匀气隙，而绕组追求整距集中绕组。突然想起来，好像Prius就是方波电机，因此转矩脉动较大！

对于Id=0控制，要求交轴电感小一些，否则功率因数太低，导致负载后电压上升太多，浪费变流器容量，这样就要求气隙很大，最好是表面式永磁结构，另外，线圈匝数也要仔细核算，以免反电势太高导致高速过载驱动时超过母线能提供的电压。

而对于cosφ=1的控制模式，相对而言，更适合电励磁电机或者内置式永磁电机，因为会有超前的去磁电流抵消一部分电压，但是其转矩与电流不是成正比的，也就是伺服性能不佳，而且最大转矩也不大。

而对于无传感器控制方式，因为有不同的覌测转子位置的原理和数学模型，可能就更麻烦了，例如有的是靠转子的凸极性来观测的，此时就只能设计成凸极电机或者人为增加凸极性，以便驱动系统能正常工作。

标准答案

希望这个帖子能够继续讨论下去，不要沉了。
请问曾老师，减小交轴电感有哪些更好的办法吗？
对Id=0控制和cosφ=1控制，永磁电机和变频器在价格（或成本）方面有什么区别吗？

zengxiaodong

标准答案 发表于 2014-12-20 20:43
希望这个帖子能够继续讨论下去，不要沉了。
请问曾老师，减小交轴电感有哪些更好的办法吗？
对Id=0控制和 ...

1、开口槽；2、浅槽；3、槽数多；4、表面式永磁；5、多用料；6、提高磁负荷，减少电负荷

这就是减少电感的办法，其中第4条不用多说，一下子就把气隙增加了约5毫米，性价比最高。


适合Id=0控制的话，则变频器容量也不会有多浪费，而表面式永磁价格也不贵。
对于COSφ=1控制，则变频器容量节省（几乎无区别），但是电机可能贵一些（内置式永磁），即使电励磁，电机其实也更贵。

电机学徒工

对于Id=0控制，要求交轴电感小一些，否则功率因数太低，导致负载后电压上升太多，浪费变流器容量

当id=0控制时，电机只有q轴电流，而永磁体轴线总是位于d轴，也就是说这时候的电枢反应为交轴电枢反应。请曾老师从物理概念上讲解一下，为什么交轴电枢反应起增磁作用？

@zengxiaodong

zengxiaodong

电机学徒工 发表于 2014-12-30 00:27
对于Id=0控制，要求交轴电感小一些，否则功率因数太低，导致负载后电压上升太多，浪费变流器容量

当id ...

我认为，转子提供了气隙中的径向磁场，而定子提供了切向磁场，根据矢量合成原理，合成的气隙磁场将比原来转子提供的大，因此就呈现了增磁效应！

电机学徒工

zengxiaodong 发表于 2014-12-31 20:01
我认为，转子提供了气隙中的径向磁场，而定子提供了切向磁场，根据矢量合成原理，合成的气隙磁场将比原来 ...

切向磁场？电枢反应磁场不也是沿电机径向的吗？
能否详细阐述，还是第一次听到这样的说法。

zengxiaodong

电机学徒工 发表于 2014-12-31 21:40
切向磁场？电枢反应磁场不也是沿电机径向的吗？
能否详细阐述，还是第一次听到这样的说法。

电机转矩的计算有好几个公式，其中一个就是定转子磁势及其夹角的的正弦的乘积！也就是定转子磁势互相垂直，才能得到最大的转矩。

电机学徒工

zengxiaodong 发表于 2014-12-31 21:45
电机转矩的计算有好几个公式，其中一个就是定转子磁势及其夹角的的正弦的乘积！也就是定转子磁势互相垂直 ...

你说这个我肯定明白，两套相互作用的磁场产生转矩，且这两个磁场必须形成夹角！
但问题是，你不能把电枢反应磁场定义成切向磁场吧？这容易迷惑那些电机初学者的哦

zengxiaodong

电机学徒工 发表于 2014-12-31 21:57
你说这个我肯定明白，两套相互作用的磁场产生转矩，且这两个磁场必须形成夹角！
但问题是，你不能把电枢 ...

但他确实就是切向磁场！

以单槽电机模型来解释，槽内电流按照右手定则在气隙中是否切向磁场呢？相邻的槽电流同向，因此齿中磁场抵消，但气隙还是同样方向的切向磁场......

电机学徒工

zengxiaodong 发表于 2014-12-31 22:13
但他确实就是切向磁场！

以单槽电机模型来解释，槽内电流按照右手定则在气隙中是否切向磁场呢？相邻 ...

先假设你的所谓“槽内电流产生的磁场是切向”这一论述是正确的。但问题在于，你的槽电流并没有区分是交轴槽电流还是直轴槽电流。
照你的说法，那直轴电枢反应槽电流产生的磁场也是切向，但转子磁场还是径向，因此两者仍然是垂直，但这可能吗？
别忘记了一个最基本结论，那就是直轴电枢反应磁场只起磁化作用，而不产生转矩作用哦。

标准答案

电机学徒工 发表于 2014-12-31 23:14
先假设你的所谓“槽内电流产生的磁场是切向”这一论述是正确的。但问题在于，你的槽电流并没有区分是交 ...

曾老师说的是当id=0控制时，电机只有q轴电流，而永磁体轴线总是位于d轴，也就是说这时候的电枢反应为交轴电枢反应，这个电枢反应磁势当然就是切向的。事实上你在7楼的提问也是这个条件下问的他8楼的回答当然就是针对你这个条件回答的。

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我觉得交轴电枢反应磁势所谓的切向只能对应时空矢量图中与直轴垂直的位置，并不对应实际的电机切向方向。因为我们通常所说的切向，那就是转子旋转方向。

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变频电机设计的确要和变频器采用的电流控制方式结合起来。
如内置式永磁电机由于不仅存在永磁转矩，还存在磁阻转矩，所以转矩密度比表面式永磁电机要大。但要发挥它的这个优点，必须采用最大转矩电流比的控制方式，而不是cos=1的控制方式。当然，为了追求小的变频器容量，就要采用cos=1的控制方式了。
对于表面内电机，一般都采用id=0控制方式，id=0控制方式其实就是表面式永磁电机的最大转矩电流比控制方式。这种id=0控制方式需要变频器提供的电压比cos=1要高，因此是通过浪费变频器容量换得电机最大转矩的输出，以及转矩-电流良好的跟随特性。

zengxiaodong

forlink 发表于 2015-1-2 11:02
变频电机设计的确要和变频器采用的电流控制方式结合起来。
如内置式永磁电机由于不仅存在永磁转矩，还存在 ...

确实是如此，分析完全到位！

在表面式永磁中，即使Id=0控制模式，在多数情况下其功率因数也能达到0.95左右，因此对于电压的浪费其实并不明显。

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zengxiaodong 发表于 2015-1-2 11:08
确实是如此，分析完全到位！

在表面式永磁中，即使Id=0控制模式，在多数情况下其功率因数也能达到0.95 ...

曾老师，请你谈谈永磁电机如何从设计角度增大它的弱磁扩速能力？

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对于采用id=0控制方式的表面电机，减小交轴电感起码可以获得如下三个好处：
1、降低了变频器供电电压，节省了变频器容量；
2、提高了电机功率因数；
3、因为是表面式电机，减小交轴电感，就相当于减小了直轴电感，这使得电机稳定性和过载能力都得到了提高。

电机小学生

本人愚钝，就不在各位高手面前谈一些理论问题了，见笑了  。
仅仅谈一谈自己在电机电磁设计“约束”条件上的一点改变吧。

对于一台变频电机，假定仅仅恒转矩区（恒磁通区）和有恒功恒压区，那么与传统定频电机仅计算一点额定点相比，一般会电磁计算三个点（或更多）， （1）恒转矩开始点  （2）恒转矩结束点/恒功起始点  （3）恒转矩结束点

这个仅谈恒转矩区，恒压恒功区涉及到弱磁的控制策略，更复杂。

在恒转矩区   ，进行电磁计算  ，一般常见的就Id=0控制和MTPA（最大转矩最小电流控制） ，前者用在SPM ,后者用在IPM.

与常见的定频电机电磁计算不同，，输入电压并不是已知的  ，而是通过电流来计算得到的  ，所以计算的流程是   由已知转矩（或功率），求得 电流和内功率因数角，再求得电压  ，而电机的控制策略不同   ，就影响了  电流和内功率因数角  ，当使用时Id=0时， 内功率因数角是一个已知量，当采用MTPA时   ，电流和内功率角都要进行迭代。

这个是就是我对在电机电磁设计（或电磁计算软件）上， 永磁变频特性段上对控制策略的一点考虑。

所知有限，难免错误，权当抛砖引玉，还请您多多指教！