隐极式无刷永磁电机高功率密度驱动方法研究

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以电推进技术为基础的多电全电飞机,在航空航天等领域占据着越来越重要的地位。隐极式无刷永磁电机作为电推进系统的核心部件,具有结构简单,功率密度高等优点。然而,传统正弦波与方波驱动方法功率密度的高低存在争议。除此之外,电机运行时产生的铜耗和内功角会使电机的输出功率降低。针对以上问题,本文以提高隐极式无刷永磁电机功率密度为目标,对驱动方法进行研究。在正弦波与方波控制的对比试验中发现:输出功率相同时,正弦波控制方法的内功角较大但母线电流较小且随着输出功率的增加差异更加明显。基于此现象,本文对两种控制方法的相电流及反电势的谐波含量与输出功率的关系做出理论分析,发现正弦波相电流中的基波成分可以更好的利用反电势中的高次谐波,功率密度更高。最后,搭建仿真模型对所推导的结论进行验证。但是,方波和正弦波驱动方法分别存在铜耗较大和转矩脉动较大的问题。针对两种驱动方法的不足,本文对相电流进行规划控制,研究一种减少方波控制铜耗的驱动方法。该方法相比于方波驱动方法,可以有效地降低相电流不连续对功率密度的影响并且所规划的电流5、7次谐波含量也相对较低,有利于提高功率密度。相比于正弦波驱动方法,降低了转矩脉动和噪声。最后通过仿真进行验证:该驱动方法可以有效地降低铜耗并优化正弦波驱动方法转矩脉动较大的问题。然而,电机是一个阻感型负载,在高速运行时会使得相电流滞后于反电势。针对该滞后问题,运用实时超前角控制方法减少相电流和反电势的相角差。在分析相角滞后原理和补偿方式的基础上推导超前角的控制原理,提出一种实时超前角控制方法并在铜耗最小电流驱动方法的基础上运用此方法加以改进。该方法可以根据转速、电感和反电势参数对相电流滞后于反电势的角度进行补偿,减少了最小铜耗驱动方法下的内功角,进一步提高了功率密度。
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