摘要：本文主要对内置式永磁同步电机弱磁控制进一步分析。内置式永磁同步电机具有高效率、高功率密度、高可靠性、结构简单、控制灵活、易于实现等显著优势，使其在很多高精度工业场合逐步取代传统交流感应电机。
关键词：内置式永磁同步电机；弱磁控制；结构；发展
引言：
随着对内置式永磁电机（IPMSM）应用的深入研究，其控制技术逐步发展成熟，目前国内已开发出高速铁路牵引用永磁同步电机。内置式永磁同步电机因其高转矩功率密度，高功率因素，恒功率宽调速等优点，在电动汽车、风力发电、轨道牵引、电主轴等领域得到了广泛应用由于弱磁技术的应用可以拓宽电机运行的速度范围，因此开展内置式永磁同步电机弱磁控制的研究具有重要的实际意义。
一、永磁同步电机弱磁技术发展
随着高磁能积永磁体及功率变换器件和晶闸管整流器的出现，以永磁体作为励磁源的直流电机得到了快速的发展，产生了不同种类的永磁同步电机。按定子输入的电流类型不同可分为永磁直流电机和永磁交流电机两类，而永磁直流电机由于仍装有换向器和电刷，转速受到限制，一般只适用于小功率场合；按供电波形不同，可分为矩形波永磁同步电机又称作无刷直流电机和正弦波永磁同步电机两类，其中矩形波永磁同步电机由于其换相引起的转矩脉振，使转矩的稳定性和动态性能稍差，调速范围较窄，多在运动性能要求不高的场合实用；按电枢绕组位置的可分为内转子式和外转子式，外转子永磁同步电机的电动机转动惯量比内转子式的大，还可以把电枢铁心直径做的更大，来让电动机的效率和输出功率在不稳定负载下提高；按永磁体在转子上位置可分为表贴式永磁同步电机、表面嵌入式永磁同步电机和内置式永磁同步电机。
二、永磁同步电机的结构
磁同步电动机组成部件由定子、转子和端盖等构成。永磁同步电机的定子采用叠片结构，与普通感应电动机基本相同，但转子部分用永磁体代替了电励磁绕组。定子绕组通常采用星形接法，PMSM电枢绕组多采用分布短距绕组，而BLDCM多采用的集中整距绕组；永磁同步电机的转子上的永磁体安装方式的不同会导致电动机的运动性能和使用场合的不同，根据转子上永磁体的位置，转子的磁路结构可以表贴式、嵌入式、内置式，而内置式永磁同步电机根据气隙磁场方向又分为径向磁场和切向磁场。内置式永磁体结构鲁棒性较高，交、直轴之比较大，动、稳态性能好，由于极靴对永磁体的保护，以及转子磁路结构不对称产生的磁阻转矩，均使电动机的过载能力和功率密度显著提高，易于弱磁扩速，故内置式多应用要求有异步起动能力或动态性能高的场合，更适于高速运行场合。
三、永磁同步电机弱磁控制分析
（1） 弱磁控制
永磁同步电机弱磁控制的思想来自对他励直流电动机的弱磁控制。当他励直流电动机端电压达到极限电压时，为使电动机能恒功率运行于更高的转速，应降低电动机的励磁电流，以保证电压的平衡。换句话说，他励直流电动机可通过降低励磁电流而弱磁扩速。永磁同步电动机的励磁磁动势因由永磁体产生而无法调节，只有通过调节定子电流，即增加定子直轴去磁电流分量来维持高速运行时电压的平衡，达到弱磁扩速的目的。标在句号前面，当电机转速达到一定速度，定子电压u s达到逆变器所能输出的电压极限时，u s=u max，要想继续升高转速只有靠调节i d和i q来实现。由于永磁同步电机的转子磁场有永磁体产生，故而无法直接削弱，只能是间接的通过增加电动机直轴去磁电流分量和减小交轴电流分量，以维持电压平衡关系，达到“弱磁”效果，前者“弱磁”能力与电动机直轴电感直接相关，后者与交轴电感相关。由于电动机相电流也有一定极限，增加直轴去磁电流分量而同时保证电枢电流不超过电流极限值，交轴电流分量就相应减小。因此，一般是通过增加直轴去磁电流来实现弱磁扩速的。
随着电机转速的增加，电机的端电压上升。但是端电压受到高压动力电池的限制并不是无限增加的，当端电压达到极限值时，如果还需要进一步提高速度，必须使得电机的内部反电动势小于额定电压。为了提高转速，可以使气隙磁通减小，即通过弱磁的方法来提高转速。
其中u d，u q—定子电压矢量的d，q轴分量；id，iq—定子电流矢量的d，q轴分量；Ld，Lq—d，q轴电感；f—转子磁链；RS—定子每相绕组电阻。
（2） 弱磁控制方法
弱磁控制的基本原理是逆变器单元输出的最大极限电压值要受到整流器输出的直流母线电压的限制，在PMSM电枢电压额定范围内，电枢反应磁场的空间旋转速度随着电机转速的升高而升高，当逆变器单元电压达到所能输出的最大极限值时，电机的转速就会受到了电枢电压的限制，在电机内部的反电动势运行在电机的额定值范围内的前提下，反电动势又正比于电机内部的气隙磁通与转速的乘积，要使电机保持转速和磁通之积不变的情况下运行于额定转速之上，只有通过减小气隙磁链的方法，从而达到电机扩速的目标。而永磁同步电机由于无法调节由永磁体产生的恒定的励磁磁动势，只能通过增加电动机的d轴的去磁电流分量和减小q轴电流分量。减小交轴的感应电动势，即增大凸极率，使交轴的输入电压的减小部分转移到直轴上，保证交轴和直轴合成的定子电压相量达到逆变器所能输出的电压极限，同时维持电压平衡，达到“弱磁”调节的效果，从而获得弱磁升速的效果。
结束语
总之，如何在保证电机不失磁的情况下，使电机通过弱磁控制进一步提高速度，这需要对弱磁控制深入研究。相比于传统交流感应电机，永磁同步电机具有极对数多、效率高、转矩密度高、功率密度高、结构简单、控制灵活、容易实现、运行可靠等显著优势，在轨道交通上的应用前景广阔。
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论文作者:黄柱力
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/9/25
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