基于高频信号注入的永磁体磁化状态估计方法文献综述

文献综述（或调研报告）：

永磁电机以永磁体建立气隙磁场进行机电能量转换，具有结构简单、运行可靠、性能优越等特点[1]。永磁电机随着永磁材料的发展而发展。永磁电机常用的永磁材料有铝镍钴、铁氧体、钐钴和钕铁硼等，其中钕铁硼是永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Machine, PMSM）的主要选择，而钐钴、铝镍钴或铁氧体常常同钕铁硼结合起来应用到变磁通电机（Variable Flux Machine, VFM）中[2]。

PMSM的运行状态和诸多性能与其中永磁体的磁化状态有着密切的联系，而VFM需要对永磁体的磁化状态进行在线调节。因此，永磁体磁化状态的测量估计成为永磁电机运行状态监控和性能评估的关键科学问题之一。很多情况下只需要对永磁体磁化状态进行粗略的估计，如传统表面式永磁同步电机（Surface PMSM, SPMSM）和内置式永磁同步电机（Interior PMSM, IPMSM）等；而部分特殊电机（如VFM等）则对永磁体磁化状态的估计精度有着较高的要求[3]。

文献[3]将永磁体磁化状态的测量估计方法分为直接测量法和间接估计法两类，但在PMSM正常运行时其磁化状态无法进行直接测量，所以一般利用永磁体磁场估计方法得到其磁化状态。文献[4]指出，永磁体磁化状态可以通过磁通观测器进行估计，但这种方法只适用于中高速范围，在零速和低速范围内精度变差。[5]提出了一种通过监测定子相电压零序电压分量估计永磁体磁化状态的方法，但零速和低速时零序电压分量也会减小，此时需要额外加装电压传感器。文献[6]-[8]对反电动势法进行了相关研究，指出该方法简单易行，较为常用。但如果缺少电机参数，在电机直轴或交轴电流不为零时就无法获得永磁体剩磁通[3]，为解决反电动势法的这一问题，文献[9]提出可使电机在标称值状态下运行，[10]指出可以测量电机的相关参数，[7]提出了注入其他信号的方法，但这三种方法均不能解决反电动势法在零速条件下不能使用的问题。因此，为了解决这个问题，基于高频信号注入的方法脱颖而出。它利用永磁体的磁电阻效应[3]或磁路饱和效应[11]，注入高频电压信号，通过测量外部磁场变化时永磁体电阻[12]或电感的变化[13]，对其磁化状态进行在线估计，可以实现全速范围内的磁化状态估计。

永磁体的电阻随着外加磁场和温度的变化而变化[3]。外加磁场越强，永磁体电阻越小；温度越高，永磁体电阻越大。永磁体的磁电阻效应是永磁体在磁场作用下电阻或电阻率的变化，是永磁体自身的一种性质[2]。此外，当永磁体表面存在防氧化保护层时，该保护层也可能影响永磁体的磁电阻效应，比如钕铁硼表面的镍铜镍保护层可以使其磁电阻效应增强[14]。永磁体的磁化状态与温度有关，通常永磁体的剩磁随着温度的升高而减弱[3]。

基于高频信号注入的永磁体磁化状态估计有一定的实验基础，其中最主要的是[2]中提出的永磁体磁电阻效应的研究实验。该实验采用一台简易的永磁体磁化实验装置，利用线圈中注入高频电压后的响应电流推导出其高频电阻，根据永磁体的磁电阻效应推出磁化状态指标。实验结果表明，磁感应强度越大，线圈反映永磁体高频电阻越小，且在改变磁通的直流电流注入的条件下永磁体高频电阻更小。

当前，基于高频信号注入的永磁体磁化状态估计仍处于定性实验阶段，高频信号的电压幅值、频率及波形等参数对磁化状态估计效果的影响还需进一步研究。本课题对注入高频信号的电压幅值、频率及波形对永磁体磁化状态估计效果的影响进行探究，从而提出能够提高估计精度的方案，有利于估计永磁体的磁化状态，在实现永磁电机运行监测和性能评估方面有着积极的意义。

参考文献

1. 唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 2015: 1-11.
2. D. Fernandez, D. Diaz, J. M. Guerrero, Z. Q. Zhu, and F. Briz, “Permanent-magnet magnetization state estimation using high-frequency signal injection,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 52, no. 4, pp. 2930-2940, Jul./Aug. 2016.
3. D. D. Reigosa, D. Fernandez, Z. Q. Zhu, and F. Briz, “PMSM magnetization state estimation based on stator-reflected PM resistance using high-frequency signal injection,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 51, no. 5, pp. 3800-3810, Sep. 2015.
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