山东大学王柄东、王道涵 等：交流调磁型永磁同步电机磁通协同调控最大转矩铜耗比控制

阅读提示：本文约 2600 字

近年来，随着电动汽车的广泛普及和应用场景的拓展，其驱动系统也被提出了更为严苛的性能要求，不仅需要拥有宽广的调速范围和恒功率运行区域，还应兼备高效率、低损耗的优点，以实现车辆续航里程的最大化。 因此，本文深入研究了一种拥有优秀调磁性能的交流调磁永磁同步电机（ACFR-PMSM），从理论上论证了基于径-轴向磁通协同调控，实现最大转矩铜耗比（MTPCL）控制的可行性。进而，通过计算机仿真和样机测试的手段对比了经典id=0控制和所提出MTPCL控制的动态控制性能和运行铜耗，展现了ACFR-PMSM电机融合MTPCL控制在电动汽车驱动系统的应用潜力。

研究背景

电驱系统作为电动汽车的动力核心，被要求具有以下技术特征：①拥有高效率与高功率密度；②具备低速状态下输出较大转矩的能力；③恒功率运行范围和高效运行区范围较宽；④较强的过载能力和宽调速范围。目前，大部分电动汽车电驱系统所采用的单一励磁源电机（电励磁电机或永磁励磁电机）难以同时很好地满足以上技术特征。

因此，为了兼顾电动汽车驱动系统的多种技术需求，汇集不同励磁类型电机的优势特点，研究人员提出了“混合励磁”的理念。相较于传统单一励磁源电机，混合励磁电机更适合于恒功率范围宽和高效运行区广的电动汽车驱动系统。然而，传统电机的典型控制策略无法完全发挥出混合励磁电机中磁场多裕度调节的优势，所以诸多学者针对不同类型混合励磁电机的控制策略开展了广泛研究。

论文所解决的问题及意义

以提升电动汽车驱动系统的运行效率和恒功率运行能力为目标，本文研究了一种交流调磁型永磁同步电机（ACFR-PMSM），创新性地提出了与之匹配的径-轴向磁通协同调控最大转矩铜耗比（MTPCL）控制策略。

相较于目前常用的直流调磁方式，所研究ACFR-PMSM在实现电机主磁路磁场削弱的同时，另一条调磁磁路的磁场强度也会相应增强，弥补因主磁路弱磁所带来的电机输出功率损失（调磁磁路上交流绕组输出更多功率），并且随着电机主磁路弱磁程度的加深，另一磁路的功率补偿能力也将不断增强。

从总体效果来看，通过ACFR-PMSM和MTPCL的协同配合，能够达到对电机磁通的“化堵为疏，变漏为用”的效果，从而显著提升ACFR-PMSM的广速域运行性能，拓宽恒功率运行范围。

(a)ACFR-PMSM结构剖视图 (b)ACFR-PMSM等效磁路模型

图1

论文方法及创新点

本文首先对交流调磁型永磁电机（ACFR-PMSM）的工作原理与运行模式进行分析，通过建立等效磁路模型与径-轴向双d-q轴坐标系下电机稳态数学模型，深入分析了ACFR-PMSM的电感和输出转矩特性，从理论上讨论了所提出的基于径-轴向磁通协同调控的最大转矩铜耗比控制原理。

进而，分别采用分区域拉格朗日乘数法和径-轴向电流选择穷举法的手段完成了电机径向、轴向绕组电流分配策略的设计，并相互验证了两种方法的吻合度。另外，分别实现了经典双id=0矢量控制和径-轴向磁通协同调控MTPCL控制的计算机仿真建模和效果对比分析，证明了所提出控制策略的有效性。

最后，制造了一台ACFR-PMSM样机，搭建了ACFR-PMSM的动态测试平台，并完成了基于径-轴向磁通协同调控的MTPCL控制策略的多转速、多功率动态样机试验。

图2 MTPCL控制程序流程

图3 制造的ACFR-PMSM样机

图4 搭建的MTPCL测试平台

结论

本文针对一种电动汽车驱动系统用交流调磁型永磁同步电机（ACFR-PMSM），开展了运行原理研究、分析模型构建和转矩电感特性计算，进而创新性地提出了一种径向-轴向磁通协同调控最大转矩铜耗比控制（MTPCL），最终实现了该控制策略的计算机仿真和样机测试。

验证了所研究ACFR-PMSM拥有独立的轴向交流调磁绕组和径向-轴向耦合磁路，具备多种运行模式和高控制自由度，能够适应电动汽车驱动系统对高性能调磁和低损耗运行的要求。展现了所提出MTPCL控制策略能够充分发挥ACFR-PMSM的径向-轴向磁通协同调节的优势，具备良好的动态控制性能和铜耗削弱效果。

团队介绍

本文研究人员隶属于山东大学电气工程学院高效能永磁电机及控制系统科研团队，文章通讯作者王道涵教授，博士生导师，齐鲁青年学者特聘教授、山东省杰出青年基金获得者、山东大学“杰出中青年学者”、仲英青年学者，担任“高速电动微动力系统”山东大学青年交叉科学创新群体牵头人，“新能源发电和高能效能量转换”山东省高等学校青年创新人才团队负责人。先后主持国家自然科学基金项目和山东省杰出青年科学基金等科研项目20余项。以第一/通讯作者发表论文70余篇，以第一发明人授权国家发明专利38项。

王柄东

博士研究生，主要研究方向为永磁同步电机系统的设计、优化与控制。

王道涵

教授，博士生导师，主要从事高性能永磁电机基础共性问题、新能源发电装备、高速特种电驱动系统、长行程大推力直驱牵引推进装备等基础理论研究和工程应用研发。

王晓姬

博士研究生，主要研究方向为电动汽车驱动系统设计与控制。

许广生

硕士研究生，主要研究方向为高品质电机系统的设计与控制。

王秀和

教授，博士生导师，国务院政府特殊津贴专家，山东省有突出贡献的中青年专家，教育部新世纪优秀人才，山东省永磁电机工程技术研究中心主任。

本工作成果发表在2024年第12期《电工技术学报》，论文标题为“交流调磁型永磁同步电机磁通协同调控最大转矩铜耗比控制“。本课题得到国家自然科学基金面上项目和深圳市基础研究面上项目的支持。

引用本文

王柄东, 王道涵, 王晓姬, 许广生, 王秀和. 交流调磁型永磁同步电机磁通协同调控最大转矩铜耗比控制[J]. 电工技术学报, 2024, 39(12): 3630-3645. Wang Bingdong, Wang Daohan, Wang Xiaoji, Xu Guangsheng, Wang Xiuhe. A Maximum Torque Per Copper Loss Control for AC Flux-Regulation Permanent Magnet Synchronous Motor with Magnetic Flux Co-Regulation. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(12): 3630-3645.

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