新型外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的研制

1、中小型電機(jī)1996,23(4)新型外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的研制新型外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的研制上海大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院(200072)林亨澍干金云汪信堯摘要提出了新研制的三相、14極、1kW、840r min外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的方波永磁電機(jī),配有電子控制裝置,可用作電動(dòng)摩托車車輪的直接驅(qū)動(dòng),從而省去了摩托車的機(jī)械變速傳動(dòng)裝置,提高了驅(qū)動(dòng)效率,并減少廢氣污染,是一種極有發(fā)展前途的變速驅(qū)動(dòng)電機(jī)。刷直流電機(jī),它兼有異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及直流電機(jī)易于調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)。用多極結(jié)構(gòu),使磁路更趨合理,提高了技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。、實(shí)用的特點(diǎn),故具有很高的應(yīng)用價(jià)值。一、,特別是高矯頑力、高磁能積的釹鐵硼永磁材料的出現(xiàn),使中小容量永磁電機(jī)的研制和開

2、發(fā)成為電機(jī)行業(yè)的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。由于普通直流電機(jī)具有體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難等缺點(diǎn),用永磁無刷直流電機(jī)取代它將具有明顯的優(yōu)越性、完全能起到更新?lián)Q代的作用。由轉(zhuǎn)子為永磁式的多相多極方波電機(jī)及電子控制裝置所組成的永磁無刷直流電機(jī)是近年發(fā)展起來的一種新型電子換向電機(jī)。它兼有異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠與直流電機(jī)易于調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì),該電機(jī)采用了多極結(jié)構(gòu),使磁路更趨合理,且永磁材料得到了充分利用,因此,技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高,在保持傳統(tǒng)的直流電機(jī)優(yōu)良運(yùn)行性能下,配以利用直流調(diào)速技術(shù)所研制的,具有簡(jiǎn)單、可靠、合理、實(shí)用等特點(diǎn)的控制系統(tǒng),使整機(jī)性能達(dá)到相當(dāng)高的水平。新研制的三相、14極、1kW、840r

3、 min外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的方波永磁電機(jī)是廠校合作開發(fā)的,擬用作電動(dòng)摩托車車輪的直接驅(qū)動(dòng),從而省去了摩托車的機(jī)械變速裝置,提高了驅(qū)動(dòng)效率。該電機(jī)的槽數(shù)與極數(shù)配合獨(dú)特,其突出優(yōu)點(diǎn)如下:(1)采用了多極結(jié)構(gòu),縮短了磁路,不僅8提高了永磁材料的利用率且減少了磁軛高度,使整個(gè)電機(jī)體積縮小、重量減輕。(2)線圈的跨距就等于槽距。因此,繞組的端部大為縮短,使銅的利用率提高,銅耗降低。(3)由于采用了每極每相為分?jǐn)?shù)槽的設(shè)計(jì),使在任何旋轉(zhuǎn)位置上,其定、轉(zhuǎn)子間磁場(chǎng)作用力基本上都是相同的,從而消除了通常存在于永磁電機(jī)中由齒槽效應(yīng)引起的脈動(dòng)力矩?？偠灾?該電機(jī)及其控制裝置的優(yōu)良性能是電動(dòng)車輛變速驅(qū)動(dòng)裝置的理想選擇,值得推

4、廣。二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外轉(zhuǎn)子式方波永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)比普通交直流電機(jī)的更為簡(jiǎn)單,其勵(lì)磁由粘結(jié)在轉(zhuǎn)子表面的永磁體產(chǎn)生。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下幾點(diǎn):(1)外轉(zhuǎn)子的磁鋼用釹鐵硼,此材料脆而硬,故加工、裝配要有一套合符要求的工藝規(guī)范。(2)由于采用全封閉結(jié)構(gòu),為自然冷卻方式,且該電機(jī)極數(shù)多,鐵耗相對(duì)比較大,故電樞發(fā)熱和溫升問題應(yīng)予注意。(3)由于該電機(jī)運(yùn)行時(shí)定子各相繞組的通斷電狀態(tài)取決于轉(zhuǎn)子位置,因此需要位置傳感器。所安裝的霍耳元件既要避免電樞發(fā)新型外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的研制中小型電機(jī)1996,23(4)熱的影響,又要能準(zhǔn)確地檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。號(hào)與雙閉環(huán)控制信號(hào)組合后得到一個(gè)開關(guān)量SW,用來控制大功率晶體管的開關(guān)

5、。當(dāng)S1導(dǎo)三、運(yùn)行原理圖1是三相、14極外轉(zhuǎn)子電機(jī)的原理圖。該電機(jī)定子共有12個(gè)槽,每相第一組線圈的兩條邊置于相鄰兩槽(1和2)中;該相另一組線圈則置于相對(duì)兩槽(7和8)中。兩組線圈按要求聯(lián)接,其余各相采用類似的方法安置與聯(lián)接。該電機(jī)相鄰兩塊磁鋼構(gòu)成一對(duì)極,共7對(duì)極,故相鄰兩槽的槽距為7 6極距,即210°電角度,相鄰兩相的相距為3極距420°電角度,根據(jù)這樣的定子槽,電,一相斷電。在圖1所示的轉(zhuǎn)子位置,A相處于斷電狀態(tài);當(dāng)轉(zhuǎn)過30°電角度后,B相就處于斷電狀態(tài);依次類推。每相繞組在一個(gè)周期內(nèi),正向?qū)?20°,斷電60°,然后反向?qū)?20&

6、#176;,再斷電60°,各相繞組的相位依次相差60°,其通電狀態(tài)取決于轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號(hào)PV。該信號(hào)具有兩個(gè)功能:(1)作為轉(zhuǎn)子位置信號(hào)決定每相繞組的通斷狀態(tài)。(2)作為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。通,S2關(guān)斷時(shí),A相繞組的電流方向?yàn)榈?槽流入,第7槽流出;而當(dāng)S2導(dǎo)通,S1關(guān)斷時(shí),A相繞組的電流方向?yàn)榈?槽流入,第1槽流出;當(dāng)S1、S2同時(shí)關(guān)斷時(shí),A相繞組處于斷電狀態(tài)。,正如直流電機(jī)中調(diào)壓調(diào)速那樣;閉環(huán)控制時(shí)則靠速度調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。四、磁場(chǎng)分析本電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用了通用的2DFE有限元計(jì)算程序軟件包,它對(duì)磁場(chǎng)所作的分析和計(jì)算,能達(dá)到令人滿意的結(jié)果。其程序庫包括3部分:(1)前處理通過

7、輸入極少的原始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),建立二維場(chǎng)的計(jì)算模型并自動(dòng)生成有限元網(wǎng)絡(luò)。(2)數(shù)值計(jì)算執(zhí)行該程序后可得到矢量磁位、磁通密度、力密度等重要參數(shù)。(3)后處理以圖形方式直觀地顯示有限元計(jì)算結(jié)果。11數(shù)學(xué)模型的建立根據(jù)該電機(jī)結(jié)構(gòu)的半周期性條件,取半圓幾何結(jié)構(gòu)為求解區(qū)域的二維場(chǎng)計(jì)算模型,麥克斯韋二維穩(wěn)態(tài)場(chǎng)的微分方程如下:()+)=-Jz-+ x x y y x y(1)磁通密度B可由矢量磁位A求得:B=rotA圖1(2)由條件,磁密的X及Y分量分別可表示為:Bx轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)PV與電流反饋信號(hào) 是該電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的兩個(gè)反饋量,藉以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流。繞組導(dǎo)通或截止信=,By=- y x(3)9中小型電機(jī)

8、1996,23(4)新型外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的研制邊界條件為:A T1=A T2=0,A N1=-A N2(4)電磁力可按麥克斯韋張力法求得,在平行于X軸的張力線上各點(diǎn)的力為:fx從略)來看,其結(jié)果是令人滿意的,與實(shí)驗(yàn)值相符,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。在最大電流下,總的切向力為44712N,相應(yīng)的靜態(tài)轉(zhuǎn)距為3515N。由此可知,該電機(jī)具有2127×104N2m這樣較高的力密度。=22(Bx)(5)fy=-By020這些重要參數(shù)的獲得,為優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)提供了可靠的依據(jù),從而進(jìn)一步提高了電機(jī)性能。在平行于Y軸的張力線上各點(diǎn)的力為:fx=22(Bx),f-By20y=0(6)式中Mx,MyX方向和Y方向的極

9、化強(qiáng)度磁阻率J電樞電密zfx,fyY021,互。因此,計(jì)算電感時(shí)只需考慮自感。定子線圈在能量轉(zhuǎn)換中起著重要作用,考慮到換向和動(dòng)態(tài)特性,電感大,導(dǎo)致?lián)Q向時(shí)電流上升的時(shí)間增大,從而影響動(dòng)態(tài)性能。特別是對(duì)多極電機(jī)而言,極數(shù)越多,換向頻率就越高,此時(shí),電流上升時(shí)間就顯得尤為重要。故該電機(jī)的電感應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)得小一點(diǎn)。21空載電隙磁通和旋轉(zhuǎn)電勢(shì)通過有限元程序計(jì)算可得到空載時(shí)不同轉(zhuǎn)子位置是定子繞組中磁通變化值,由此可得d5 de,并算出旋轉(zhuǎn)電勢(shì)。圖3是表示旋轉(zhuǎn)電勢(shì)e與轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線,其中的實(shí)驗(yàn)值是通過使該電機(jī)運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速的空載發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)測(cè)得的。由此可見,計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值在用有限元法分析和求解電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)時(shí)

10、,為了獲得精確的結(jié)果,求解區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)必須足夠多,而且節(jié)點(diǎn)的分布和三角形單元的形狀必須合理。圖2很接近。當(dāng)材料性質(zhì)和邊界條件被定義后,該程序就可進(jìn)行計(jì)算,并得出求解區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的矢量磁位和所有單元的磁通密度以及電磁力。為了獲得不同轉(zhuǎn)子位置的磁密和電磁力,在保持定子區(qū)域的網(wǎng)格劃分不變下,將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)微小的角度并重新定義區(qū)域內(nèi)材料的分布,再進(jìn)行計(jì)算。空載時(shí)的磁場(chǎng)是對(duì)稱的;額定電流下的磁場(chǎng)分布如圖2所示。它顯示了磁通走向和分布,還可以觀察到鐵心中磁密的飽和程度。圖中的磁場(chǎng)畸變意味著電樞反應(yīng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響。從氣隙磁密與力密度的大小和分布(圖10圖331轉(zhuǎn)矩2轉(zhuǎn)角特性根據(jù)最大電流時(shí)不同轉(zhuǎn)子位

11、置的計(jì)算結(jié)新型外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的研制中小型電機(jī)1996,23(4)果可得到轉(zhuǎn)子切向力與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系曲線,從而獲得如圖4所示的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性。圖中的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值基本上吻合。當(dāng)二相繞組通以恒定的最大電流并使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過不同位置時(shí),保持繞組的通電狀態(tài)不變,便可測(cè)得其實(shí)驗(yàn)值。為內(nèi)環(huán),即電流環(huán)的給定值,該Iref值有限幅,以限制每相電流的最大值。當(dāng)相電流通過電流傳感器測(cè)量并經(jīng)電流反饋環(huán)節(jié)CF與給定值進(jìn)行比較,輸出差值信號(hào)作為電流調(diào)節(jié)器CR的輸入,電流調(diào)節(jié)器CR的輸出與位置傳感器的開關(guān)信號(hào)通過邏輯分配器LC進(jìn)行綜合,然后通過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)功率開關(guān),以實(shí)現(xiàn)對(duì)方波電動(dòng)機(jī)M的控制。獨(dú)立控制,節(jié),。圖。由此可得電機(jī)總的切

12、向力為1151×10-9N,幾乎為零,故該電機(jī)消除了一般永磁電機(jī)存在的磁阻力矩,提高了電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性,使該電機(jī)特別適合于低速大轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合下運(yùn)行。圖6七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖7是外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試線路。借此對(duì)該電機(jī)及控制裝置進(jìn)行性能測(cè)試。圖5六、控制系統(tǒng)外轉(zhuǎn)子式方波永磁電機(jī)原理上屬無刷直流電機(jī)的一種,故可采用直流電機(jī)的調(diào)速技術(shù),如電流和速度雙閉環(huán)控制,毋需像交流電機(jī)矢量控制那樣變換,控制方式比較簡(jiǎn)單,其控制系統(tǒng)方框圖如圖6所示。該系統(tǒng)的工作過程是這樣的:若速度指令Sref由0變到1,電機(jī)開始起動(dòng)。此時(shí)速度反饋信號(hào)也由零逐漸上升,兩者之間的差值通過速度調(diào)節(jié)器SR進(jìn)行放大并輸出Iref

13、作圖711速度開環(huán)實(shí)驗(yàn)該實(shí)驗(yàn)是在不同的外施電壓下進(jìn)行的帶電流單閉環(huán)的電機(jī)負(fù)載測(cè)試,得到不同負(fù)載情況下的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、輸出功率及效率等測(cè)試數(shù)據(jù),見下表。由此可見,該電機(jī)在不同的工作點(diǎn)上運(yùn)行都具有較高的效率。圖8是不同負(fù)載下電流波形。11中小型電機(jī)1996,23(4)新型外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的研制于采用了速度2電流雙閉環(huán)控制,在設(shè)定的轉(zhuǎn)速下,無論負(fù)載如何變化,其轉(zhuǎn)速都能達(dá)到不變,具有良好的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)性能八、結(jié)論根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的測(cè)試證明,由于外轉(zhuǎn)子方波永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子極和定子槽以及定子繞組采用了獨(dú)特結(jié)構(gòu),率密度、,既具有通常,又兼有通常異步電機(jī)運(yùn)行可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。將這種新型電機(jī)及其控制系統(tǒng)應(yīng)用于電動(dòng)

14、車輛,可將電機(jī)安裝在車輪上直接驅(qū)動(dòng)車輛,這樣既省去了機(jī)械變速傳動(dòng)裝置,又提高了驅(qū)動(dòng)效率,并避免了廢氣污染,故總體效果良好,是一種極有發(fā)展前途的新型永磁電機(jī)。參考文獻(xiàn)1Bose,B.PowerElectronicsAnemergingtechnology.412.IEEETrans.Ind.Electron,1989:36(3):4032LeonhardW.ControlofElectricalDrives(Book).NewYork,NY:Springerverlag,1985.3LipoT.RecentProgressintheDevelopmentofSolid2StateACMotorD

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