双定子励磁电机节能降耗矢量控制方法与系统技术方案

本发明专利技术提供一种双定子励磁电机节能降耗矢量控制方法、系统及电机，方法包括：构建电机的输出转矩T

【技术实现步骤摘要】
双定子励磁电机节能降耗矢量控制方法与系统


[0001]本专利技术属于双定子电机矢量控制
，具体涉及双定子励磁电机节能降耗矢量控制方法、系统及电机。

技术介绍

[0002]随着时代的发展，人们的生活条件大大改善，汽车已逐渐成为人们日常生活的一部分，然而随着汽车数量的增加，也带来了严峻的能源和环境问题。为了解决燃油汽车排污问题，人们致力于研发采用清洁能源的电动汽车逐步代替燃油汽车。电动汽车的发展从动力技术上来说主要分为三类：纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动力汽车。其中混合动力汽车仍然摆脱不了传统能源的消耗和尾气的排放，燃料电池汽车所消耗燃料存储以及运输的安全性和有效性难以得到保证，同时在驱动性能方面电动汽车的转矩响应比普通燃油汽车快出许多；除此之外纯电动汽车的驱动电机以及核心控制部件等发展技术比较成熟，这样就降低了汽车使用过程中的保养以及维修费用，因而纯电动汽车具有广阔的应用前景。
[0003]目前纯电动汽车主要有采用正弦逆变器控制的感应电机（以Tesla为例）、采用国内单极性变换器控制的开关磁阻电机（以Chloride公司的“Lucas”电动汽车为代表）、采用方波逆变器控制的无刷直流电机（以马自达Bongo为例）以及采用正弦波逆变器控制的永磁同步电机（以宝马i3、丰田、比亚迪e6为例）。
[0004]永磁同步电动机属于交流电机的范畴，但结构上却和直流电动机相似，这样便可具备无刷直流电动机结构简单、运行可靠、功率密度大、调速性能好等特点。从技术优势来看，永磁同步电动机是目前主流电动车的首选电机类型。当励磁绕组和电枢绕组均处于定子上时，电机结构复杂且增加了定子的设计难度，此外绕组之间耦合大。而双定子励磁电机结构可以使电枢绕组和励磁绕组分离，从而简化结构设计、减少绕组之间的耦合的同时提高了电机的空间利用率。现有技术中，如中国专利CN114553083B公开了一种永磁/磁阻转子双定子电机三闭环矢量控制系统级方法，但是该专利公开的方法和系统仅适用于双定子绕组的电路串联时低速大转矩的输出时电磁转矩的精确控制。但是，该双定子励磁电机仅仅适用于内外定子电路上串联且低速大转矩的输出，不适用于电动汽车在起步、低速爬坡、高速加速行驶以及恒压输出较宽范围转速的不同行驶情景的转矩输出需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对上述缺陷，提供一种双定子励磁电机节能降耗矢量控制方法、系统及采用节能降耗矢量控制方法的双定子励磁电机。本专利技术提供一种能够以使总气隙磁通密度最小化的最优转子角度以及此时内外定子的输入电流矢量控制双定子励磁电机运转的方法及系统，该方法及系统可以有效降低双定子励磁电机发电所需要的输入电流能量，单位时间内的输入电流做功效率更高，有效地降低双定子励磁电机发电能耗。
[0006]本专利技术提供如下技术方案：双定子励磁电机节能降耗矢量控制方法，所述方法用于具有一端为并联磁路另一端为串联磁路的表贴式且同心设置的内定子、外定子和中间转
子嵌套的双定子励磁电机的节能降耗矢量控制，所述方法包括以下步骤：S1：实时监测电动汽车移动速度v(t)，构建所述双定子励磁电机的输出转矩T
m
(t)与电动汽车实时移动速度v(t)的关系模型；根据电动汽车移动期望实时速度v
e
(t)所处区间范围，计算得到所述双定子励磁电机的期望实时输出转矩T
em
(t)，并选择内定子绕组和外定子绕组的两相通电转换开关的启闭以及内定子绕组与外定子绕组中相应的每一相绕组电线的串联或并联；S2：实时采集内定子绕组的三相输入电流、外定子绕组的三相输入电流；进行克拉克变换以及帕克变换后，分别转换为转子磁通dq坐标系下的内定子输入电流和外定子输入电流；S3：计算所述双定子励磁电机的总气隙磁通密度最小化情况下的转子输出的实时总力矩T
e|Bm=Bm,min
；S4：采用自适应遗传神经算法优化所述S3步骤计算得到的实时总力矩T
e|Bm=Bm,min
，并计算优化得到的最优实时总力矩T
e,best
与所述S1步骤计算得到的所述双定子励磁电机的期望实时输出转矩T
em
(t)之间的误差值，判断误差值是否小于8%；若误差值小于8%，则输出此时的所述实时总力矩，否则重复所述步骤S2
‑
S4；S5：根据所述S4步骤得到的最优实时总力矩T
e,best
，计算所述双定子励磁电机做功效率η，判断其是否大于75%，若η大于75%，则以最优实时总力矩T
e,best
时刻的输入电流进行反帕克转换后，控制内外定子绕组的三相输入电流；否则重复所述步骤S1
‑
S5。
[0007]进一步地，所述S1步骤构建的所述双定子励磁电机的输出转矩T
m
(t)与电动汽车移动速度v(t)的关系模型：；其中，M为电动汽车的质量，γ为电动汽车爬坡时相对于水平面的角度，0
°
＜γ＜90
°
；c
r
为电动汽车与地面的摩擦系数，0.70＜c
r
＜0.80；c
d
为电动汽车的风阻系数，0.28＜c
d
＜0.40；A为汽车外部前半部分与空气接触面积；为重力加速度；为空气密度；根据电动汽车移动期望实时速度v
e
(t)所处区间，控制内定子绕组与外定子绕组每一路电路的串联或并联的策略如下：1）、当0km/h＜v
e
(t)≤15km/h，控制内定子绕组与外定子绕组中的相应的每一路电路均串联工作；2）、当15km/h＜v
e
(t)≤40km/h，控制内定子绕组单独通电工作或外定子绕组单独通电工作；3）、当40km/h＜v
e
(t)≤70km/h，控制内定子绕组与外定子绕组中的相应的每一路电路均串联工作；4）、当70km/h＜v
e
(t)≤120km/h，控制内定子绕组与外定子绕组中的相应的每一路电路并联工作。
[0008]进一步地，所述S3步骤包括以下步骤：S31、实时监测转子在内定子绕组通电的单独作用下的实时转速、转子在外定子绕组通电的单独作用下的实时旋转角速度；S32、构建第j个定子与转子在转子磁通坐标系内d轴的磁通量和q轴的磁通量
计算公式；S33、根据所述S32步骤的计算结果，计算双定子励磁电机内的定子通电使转子转动而输出的实时总力矩T
e
；S34：构建一个旋转周期内子周期的总气隙磁通密度最小化计算模型：；求取使总气隙磁通密度最小时的最优转子旋转角度，并记录此刻第j个定子绕组在转子磁通dq坐标系内d轴输入电流、q轴输入电流和转子旋转角速度，其中，j=1,2，当j=1时，第j个定子为内定子；当j=2时，第j个定子为外定子；为内定子与转子形成的磁通密度，为外定子与转子形成的磁通密度；其中，为一个旋转周期的子周期内转子的旋转角度，=15
°
；一个旋转周期的子周期为从t
n...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.双定子励磁电机节能降耗矢量控制方法，所述双定子励磁电机节能降耗矢量控制方法用于具有一端为并联磁路另一端为串联磁路的表贴式且同心设置的内定子、外定子和中间转子嵌套的双定子励磁电机的节能降耗矢量控制，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1：实时监测电动汽车移动速度 v(t)，构建所述双定子励磁电机的输出转矩T
m
(t)与电动汽车实时移动速度v(t)的关系模型；根据电动汽车移动期望实时速度v
e
(t)所处区间范围，计算得到所述双定子励磁电机的期望实时输出转矩T
em
(t)，并选择内定子绕组和外定子绕组的两相通电转换开关的启闭以及内定子绕组与外定子绕组中相应的每一相绕组电线的串联或并联；S2：实时采集内定子绕组的三相输入电流、外定子绕组的三相输入电流；进行克拉克变换以及帕克变换后，分别转换为转子磁通dq坐标系下的内定子输入电流和外定子输入电流；S3：计算所述双定子励磁电机的总气隙磁通密度最小化情况下的转子输出的实时总力矩T
e|Bm=Bm,min
；S4：采用自适应遗传神经算法优化所述S3步骤计算得到的实时总力矩T
e|Bm=Bm,min
，并计算优化得到的最优实时总力矩T
e,best
与所述S1步骤计算得到的所述双定子励磁电机的期望实时输出转矩T
em
(t)之间的误差值，判断所述误差值是否小于8%；若误差值小于8%，则输出此时的所述实时总力矩，否则重复所述步骤S2
‑
S4；S5：根据所述S4步骤得到的最优实时总力矩T
e,best
，计算所述双定子励磁电机做功效率η，判断其是否大于75%；若η大于75%，则以最优实时总力矩T
e,best
时刻的输入电流进行反帕克转换后，控制内外定子绕组的三相输入电流；否则重复所述步骤S1
‑
S5。2.根据权利要求1所述的双定子励磁电机节能降耗矢量控制方法，其特征在于，所述S1步骤构建的所述双定子励磁电机的输出转矩T
m
(t)与电动汽车移动速度v(t)的关系模型：；其中，M为电动汽车的质量，γ为电动汽车爬坡时相对于水平面的角度，0
°
＜γ＜90
°
；c
r
为电动汽车与地面的摩擦系数，0.70＜c
r
＜0.80；c
d
为电动汽车的风阻系数，0.28＜c
d
＜0.40；A为汽车外部前半部分与空气接触面积；为重力加速度；为空气密度；根据电动汽车移动期望实时速度v
e
(t)所处区间，控制内定子绕组与外定子绕组每一路电路的串联或并联的策略如下：1）、当0km/h＜v
e
(t)≤15km/h，控制内定子绕组与外定子绕组中的相应的每一路电路均串联工作；2）、当15km/h＜v
e
(t)≤40km/h，控制内定子绕组单独通电工作或外定子绕组单独通电工作；3）、当40km/h＜v
e
(t)≤70km/h，控制内定子绕组与外定子绕组中的相应的每一路电路均串联工作；4）、当70km/h＜v
e
(t)≤120km/h，控制内定子绕组与外定子绕组中的相应的每一路电路并联工作。3.根据权利要求1所述的双定子励磁电机节能降耗矢量控制方法，其特征在于，所述S3
步骤包括以下步骤：S31、实时监测转子在内定子绕组通电的单独作用下的实时转速、转子在外定子绕组通电的单独作用下的实时旋转角速度；S32、构建第j个定子与转子在转子磁通坐标系内d轴的磁通量和q轴的磁通量计算公式；S33、根据所述S32步骤的计算结果，计算双定子励磁电机内的定子通电使转子转动而输出的实时总力矩T
e
；S34：构建一个旋转周期内子周期的总气隙磁通密度最小化计算模型：；求取使总气隙磁通密度最小时的最优转子旋转角度，并记录此刻第j个定子绕组在转子磁通dq坐标系内d轴输入电流、q轴输入电流和转子旋转角速度，其中，j=1,2，当j=1时，第j个定子为内定子；当j=2时，第j个定子为外定子；为内定子与转子形成的磁通密度，为外定子与转子形成的磁通密度；其中，为一个旋转周期的子周期内转子的旋转角度，=15
°
；一个旋转周期的子周期为从t
n
时刻至t
n+1
时刻，n=1,2,3,4,5,6；θ
m
为总气隙磁通密度为时的转子旋转角度；θ
m1
为转子在内定子绕组通电的单独作用下的旋转角度，θ
m2
为转子在外定子绕组通电的单独作用下的旋转角度；p1为内定子的凸极的极对数量；S35：将所述S34步骤计算得到的使总气隙磁通密度最小时，第j个定子绕组在转子磁通dq坐标系内d轴输入电流、q轴输入电流代入至所述S32步骤构建的计算模型和S33步骤构建的计算模型，求得使总气隙磁通密度最小时的转子输出的实时总力矩T
e|Bm=Bm,min
，B
m,min
代表总气隙磁通密度的最小值。4.根据权利要求3所述的双定子励磁电机节能降耗矢量控制方法，其特征在于，所述S32步骤中构建的第j个定子与转子在转子磁通坐标系内d轴的磁通量和q轴的磁通量计算公式如下：，；其中，为第j个定子的凸极的极对数量，=3，=5；为所述S31步骤采用角速度传感器实时监测转子在第j个定子绕组通电的单独作用下的实时转速；为转子的实时转
速；为第j个定子与转子形成的磁通密度；为第j个定子绕组的形成线圈的横截面积；为转子在第j个定子绕组通电的单独作用下的旋转角度；当内定子绕组与外定子绕组均通电情况下，，此时，为第j个定子在转子磁通dq坐标系内的漏磁量，为第j个定子与转子之间的互感，为第j个定子的自感，为第j个定子绕组的电阻；当仅内定子绕组通电情况下，；当仅外定子绕组通电情况下，；所述S34步骤中第j个定子与转子形成的磁通密度计算公式如下：；其中，为第j个定子绕组上每个凸极上的单个绕组线圈缠绕数量，为第j个定子绕组通电电流，，为转子表面与第j个定子之间的缝隙宽度；为永磁体的自由空间磁导率，=4π
×
10
‑7。5.根据权利要求4所述的双定子励磁电机节能降耗矢量控制方法，其特征在于，所述第j个定子在转子磁通dq坐标系内的漏磁量的计算公式为：；其中，为内定子绕组与外定子绕组均通电时与转子形成的总体电感，为转子的自感，为转子的泄漏电感，为第j个定子的自感。6.根据权利要求4所述的双定子励磁电机节能降耗矢量控制方法，其特征在于，所述S33步骤中计算双定子励磁电机内的定子通电使转子转动而输出的实时总力矩T
e
的公式如下：当仅内定子绕组通电时：；当仅外定子绕组通电或内定子绕组和外定子绕组同时通电时：；其中，为第j个定子绕组的电阻率；p1为内定子的凸...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈泓，顾丹枫，
申请(专利权)人：无锡金阳电机有限公司，
类型：发明
国别省市：