- 文献综述(或调研报告):
混合励磁电机最早由美国学者在上世纪80年代提出,经过多年的发展,国内外研究学者提出了多种混合励磁电机拓扑结构,被广泛应用于需要宽调速范围驱动场合,文献[1]对混合励磁概念、典型结构、调磁原理与一般控制进行了介绍。近些年来,混合励磁类电机结构层出不穷,按电机原型与机理不同,可以分为混合励磁同步电机和双凸极机;按永磁体摆放位置,分为定子永磁和转子永磁,专著[2]对详细的介绍了混合励磁结构与原理,提出了无刷化趋势与设计已经成为共识,并分析了几种典型的电机结构,文献[3]提出了针对磁通切换电机的恒功率和恒转矩下的弱磁策略,文献[4]对比了关于混合励磁双凸极机的传统弱磁与最优控制的效果。可以看出,混合励磁电机由于结构与原理的不同,往往会有与不同的控制方式相结合讨论的特点。
转子永磁型电机作为重要研究方向,其有多种结构型式,文献[5]提出了基于齿谐波技术的混合励磁,但同时会对电枢绕组引入谐波;文献[6]巧妙地利用导磁桥设计提出了一种爪极混合励磁电机,但结构设计相对复杂;文献[7]将励磁绕组置于端部,利用旁路轴向磁路来实现转子永磁型混合励磁电机无刷化,但功率密度较低;文献[8]利用交替极结构提出了一种双馈混合磁极混合励磁电机,但励磁绕组与电枢绕组都位于同一定子将导致槽数的增多且气隙磁场复杂。综合考虑结构复杂程度、磁场可控性、可靠性等方面,交替极结构在明显减少永磁体用量的情况下仍保持相当的输出性能,具有结构简单、实现方便、调磁灵活等特征,因此,在转子永磁型无刷混合励磁方面,交替极结构应用潜力巨大。在此基础上,文献[9]提出一种新型交替极双定子无刷混合励磁电机,通内外定子、交替极转子相结合实现交流混合励磁,结构简单,优势明显。
目前国内外学者对于控制策略方面主要采用矢量控制方法,结合分区控制思想,在不同阶段,对励磁电流设定不同的励磁参考电流。文献[10]基于通用坐标系的动态矢量控制模型对隐极HESM提出了一种的最小铜耗矢量控制算法,该方法计算量小、控制简单,但没有充分利用电流的弱磁作用;文献[11]提出了一种根据不同运行状态的分区控制方法,拓宽了电机调速范围、提高了输出低速大转矩的能力,但在高速弱磁区受若弱磁系数影响较大,当电机运行状态变化时,难以同时兼顾电机效率与调速范围均保持最佳状态;文献[12]提出了一种基于电磁转矩与q轴电流额定值等HESM参数计算得出的励磁电流给定策略,但这类控制策略对电机模型参数依赖性较大,且无法充分发挥励磁电流在HESM低速运行时的作用,降低了控制系统的鲁棒性;文献[13]的研究以电机铜耗最小化为目标,自适应地调节弱磁基速系数,满足电枢端电压限制的同时对电流进行最优配置;文献[14]深入分析了电机各参数对电机损耗的影响,针对不同的转矩和转速进行电流配置,以实现宽转速运行和系统效率优化,但控制分区主要依赖逆变器极限参数;文献[15]基于降阶负载观测器提出了一种基于负载变化的给定控制策略,优化了低速区的响应与转矩输出,但只对低速增磁部分做了研究,对高速弱磁并不适用;文献[16]提出了一种分段弱磁策略,针对凸极HESM分区控制,根据保持反电势不变的弱磁原理,将电机分为低中高速区,应用不同的控制方案,实现电机的优化控制,但该方法低、中速区并没有充分利用磁阻转矩,且需要实时求解一元四次方程,计算繁琐,对控制器性能要求较高。可见,对于电动汽车多工况需求与混合励磁控制策略已有多方面研究基础,但针对目标不同会造成结论与策略不同而未有系统性的结论。
当前主流混合励磁策略的研究均基于直流励磁模型,以完成不同工况限制之下合理运行或是损耗效率等优化为实现目标,以控制电流的合理分配为实现措施。相对的,受限于交流混合励磁结构的相对少见与磁场耦合关系复杂,对交流混合励磁控制策略涉及十分有限。文献[17]分析了交流励磁发电机的调压策略,但不涉及电动运行状态。文献[18]基于并列式双定子混合励磁永磁电机提出了线性弱磁与恒功率控制,但对于励磁绕组q轴电流并没有充分利用,没有发挥出多电流控制端口的优势。
新型交替极结构混合励磁电机与上述结构电机有较大区别,比多数无刷直流励磁多出一项转矩电流分量,同时由于特殊的铁芯极与永磁极的排列组合方式,与传统交流励磁等极等槽数结构不同,建模方式与调磁特性亦有不同。采用传统的控制方式难以完成其高效运行,甚至造成结构冗余、性能更低的负面运行效果。可见,如何有机的将基于新型交替极交流励磁结构与适用于电动机多工况的控制策略相结合,充分协调利用多电流灵活分配的优势,针对多区域多策略多目标运行提出新的解决办法,仍有待进一步研究。
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