永磁无刷直流电机设计
发布时间：2024-09-25
大有用
《 2 0 0 2 2 9 (2 )中小型电机》,
弱磁用复合式转子永磁无刷直流电机设计
弱磁用复合式转子永磁无刷直流电机设计浙江大学 (杭州,
31002
) 7
严
岚
贺益康,
严伟灿
摘要
针对永磁无刷直流电机弱磁控制的要求采用永磁段+磁阻段的复,、。
合式转子结构实现基速以下恒转矩基速以上恒功率的运行方式理论上推导了永磁无刷直流电机弱磁的运行机理及电机模型技术上针对交轴磁通路障式,
严生,
岚199 5
19 77
年
2
月
转子交直轴磁路稠合严重导磁材料非线性等特点利用电磁场分析求解了交直轴电枢反应电感从而导出理论上弱磁运行的最高速,,。
、
、
,
、
年毕业于浙江,
最后对永磁无刷直流
,
大学电器工程学院电机电器及其控制专业工学学士学位现在浙江大学电气工程学院电机,
电机弱磁扩速范围对参数的依赖性进行了分析归纳了弱磁控制用永磁无刷直流电机设计的特点。
叙词
永磁电机
控制
转子
控制研究室攻读博士学位。
主要研究方向为永。
D
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磁电机及其控制
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R
o
1
引言近年来随着稀土永磁材料性价比的不断提,,、
转子结构被认为是一种行之有效的弱磁用永磁同〔〕[ j步电机方案[‘」,
2
3
。
另一方面永磁无刷直流电机作为一种自控式同步电机变频调速系统具有控制简单不会失步、、
高永磁电机以其功率密度高效率高的特点得到了越来越多的应用特别作为电动车辆车床主轴,、
,
具有直流电机那样良好的动静态调速特性同时避免了直流电机有刷结构的固有缺陷在工业生产家用电器航空航天等许多领域获得了越来越广泛的应用永磁无刷直流电机的恒功率弱磁控制也有了广泛的需求因此本文根据永磁电机弱磁控。。、
,
驱动动力需要基速下恒转矩基速上恒功率运行,。
、
,
,
这就要求电机实现弱磁控制但是永磁电机励磁不可调节给这类电机弱磁控制的实现带来了很多难,
、
点也引起了国内外学者的广泛研究
,
。
其中复合式
大有用
弱磁用复合式转子永磁无刷直流电机设计‘
《中小型
2 00 2电机》
,
2 9 (2 )
制的一般原则重点分析复合式转子结构应用于永磁无刷直流电动机的可行性建立了弱磁分析所需,,
图 2所示
。
永磁段转子为电机出力的主体部分磁、。
,
阻段用于控制电机直交轴电抗参数直轴各向异性转子冲片形式 (A
一般磁阻段、。
的电机模型确定最大弱磁扩速范围和相应运行参
,
部分采用交轴磁通路障转子结构或者轴向叠片交L A )闭图困
数
‘
同时针对永磁无刷直流电机的运行特点对弱,。
,
无论是
磁效果与参数的依赖关系进行了分析并归纳了这类电机的设计特点2
哪一种叠片形式磁阻段都是按获得尽可能大的直
轴电感
La d
来设计
。
永磁无刷直流电机弱磁原理,
水滋段
班妞段
由于永磁无刷直流电机的励磁恒定不变电机基速以下采用PW、
M调制实现调压调速此时电机,。
的反电势与转速气隙磁通成正比,
基速及以上运 护、 一、 广咬、气 )盗 、 洲防沙川拱犷卿翻愚交姗 a (班川泪幽涌挺火之叮两辉蠢曰畔 翅 三
七一笋勘路捌叫门转轴哪 鑫帕子
行时端电压已调节至最大随着转速升高电机反电
,瓤粼沪燃徽琳尹绷附
‘
势增大造成电枢电流减小,。
,
。
当反电势等于端电压,
时电枢电流将为零无法产生电磁转矩电机将停转为了在基速以上端电压不变条件下保持一定电枢电流以产生所需转矩必须设法使反电势不随转速上升而增大这就需要减少电机磁通即实现弱磁。
,
户 b、
,
,
结构
永磁电机弱磁无法通过调节励磁来实现只能,,
,
控制电枢反应使之产生一个反向的电枢磁场来抵消永磁磁场获得等效弱磁这需要从电机本体设
计及电机控制两个方面着手,,
。
(e )
A L人转子结构
从控制角度来说欲通过改变电枢反应去磁分量实现弱磁要求对电流超前角进行控制。
图
2
复合式转子结构
电流超,
3
前角1
7
是电枢电流基波分量。1,。
i,
超前电枢反电势基
电机模型和弱磁控制基本方,
波分量所示
之间的夹角以电流领先电势为正如图
程永磁无刷直流电机一般采用三相六状态运行开关元件 1 0 2。
导通型任何时刻均有两相导通川,
,
。
)I
设电机三相对称每相反电势为具有,,
12 0
。
宽平顶
! !
1 0方波三相电压型逆变部分的梯形波电流为 21 1洲> O沈
器供电时输出三相电压被钳位为矩形波、、
。
对上述反电势相电流相电压作傅利叶分解,
,
图
1,
电流
i
、
电势
。
相位图,
可得各自的基波幅值为E_,,
:
基速以下时为了获得平稳的电磁转矩要求电流与反电势同相即,
7一。;
基速以上时电流超,
2「=子}o冗,
,
、
.
,
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J
(x ) s i n.
x
d,
x
一 1 2158E2、,
_
.
(1 )
前反电势I己,
,
y>。
,
此时虽转矩脉动增大但直轴电流。
可产生出一个与永磁磁场反向的直轴电枢反应
I
1
一
盒{2
2「。,
,
、
.
‘( x
n x )‘ dx -
s
厅兰I二生贪了.
(“)
磁场抵消永磁磁场起了弱磁作用XJ己,
或者说电枢中式中E,p
、z/t 7
出现与反电势反相位的直轴电枢反应电抗压降
U一
二1’
~。
一
、
起消弱反电势的去磁作用,,
。
为了尽可能的增己
a如图 I
一1
万U一
,
,
p‘
一二二一匕兀
2
、/
尹
U二
、
三岁
2
(3 )
所示电
大电
枢反应的弱磁效果需要提高 X,
值
。
对于传J
统的永磁电机无论是表面贴装式还是内嵌式转子
结构由于直轴气隙大无法提供一个大的 X,。
值,
,
压—直流相母线电压—根据各基波分量关系可以作出永磁同步电机Uc d,
U
定子
为此必需从电机本体结构设计着手复合式转子由永磁段和磁阻段组成安放在同一定子铁心内如,
的空间矢量图进行弱磁过程的分析,
。
设 to,
o
时
刻定子 A相绕组轴线和转子,
d
轴重合图
3
为永
大有用
2 0 0 2, 2 9 (2 )《中小型电机》
弱磁用复合式转子永磁无刷直流电机设计。
磁无刷直流电机单位机械角速度下的矢量图图中d、
得无刷直流电机理论上的最大弱磁速度及其条件
。
q,
、
o
坐标系各量相对空间以叭角速度逆时针旋、
转电枢电流的 d
q
分量为了,了 s
一环 tl= I、
o n i日
o c o s
4 ) (
式中
I耐
一额
…田,
E
o二
一Ix
o Ns
in 6 0 XO
己
= 0
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一
U
,刀
(8 )o
Io
Neo s
60 X
。
定电流幅值
4
交轴磁通路障转子的设计,,。
从前面的分析可知为实现有效的弱磁扩速,
需使直轴电抗尽量大一般表面贴装的永磁无刷直流电机相当于隐极电机而且由于永磁体的存在增)导出了欲达大了气隙大大减小了电抗值由式 (8,。
到最大弱磁速度时所需的直轴电抗为Xd
E,一I
。,
N
s
in 6 o。
o
(9 )。
图
3
永磁无刷直流电机单位机械角速度下矢量图0
式中
—角或电流控制角一
电流综合矢量与,
q
轴的夹角称电流1
,
a还应使 X n此时为了提高“ r、,
尽量小
相当于图
中的电y
为了满足这些要求可以采用交轴磁通路障转子结构它是通过在交轴磁路设置空气隙以增大交。
流超前角,
y;
但
0
为空间角而
为时
间角两者关系对应端电压 d、
轴磁阻尽量减少直轴磁路气隙以减小直轴磁阻从而获得很大的凸极率。
,
,
q
轴分量为
p一X
洲X
。,
满足弱磁控制,
一丁 U~ UL、
U
U
, s
n占‘
(5,
的需要进一步可利用电磁场有限元分析求解出不同电枢电流不同电流超前角时的磁场分布准确,
, eo s
占q
式中
占
—为电压角或电压控制角d了、
三相电压综合矢量与q
轴的夹角称
,
地计算出这些状态下的电机交直轴电枢反应电感
。
、
图,
4
为一台
2
.
k w弱磁用复合式转子永磁无 Z“
由图可得电机的U。
轴电压方程为‘-
刷直流电机在电流超前角 y一 6 0时磁阻段的磁场
才一入 EU= (〔
分布从中可以求出一个周期内气隙磁密分布波(6 )
。。
一I X己
己
J )a
形经,
,
FFT
变换可得到基波幅值及相位以构成磁。、
,
式中
。
‘~
—f/t 27
电机的机械角速度P
密空间矢量如将其向交直轴投影可得其 d,
、
q、
轴
分量然后利用以下公式计算单位机械角速度单位长度直交轴电枢反应电感、、
La d,,,
P
x
— XJ、
电机的极对数
和 L a~
。:
。
—轴电抗,
单位机械角速度下电机的直交机械角速度下的反电势幅值,
缅
一
兀
2二不
,
l巩鲡Wr
(1 0 )
E、Eo m
单位—~/E。
为保持基频以上电机的恒磁通运行需与速度成正比地调节端电压;基频以上端电压恒定为额定
洲酬粼戴
值电机转速的继续升高只能由增大触发超前角 7,
来实现这就是弱磁运行方式弱磁运行时若始终维持电机的端电压为额定电流为额定则可以、
,
“
”
。
,
,
获得弱磁运行的最高转速条件u,
,
一
u寻
d Z
+ u
犷。,
一 li m
。
丫(:
一,己xy一,
,
2。Z )+, x
。2
(7 )
图
4
y一 6扩时
,
考虑到无刷直流电机当,
0 6
交轴磁通路障转子段磁场分布
。
时基波转矩存在过y镇 60,
:
、一
零点为了减少转矩脉动限定
以此可求
赤
WI‘ W
I
B
,
(1 1 )
大有用
弱磁用复合式转子永磁无刷直流电机设计,。
《 2 0 0 2 2 9 (2 )中小型电机》,
直交轴电感
、
L
、、
L
、
则为J
:
为六边形磁状态 6 0一跳变瞬时转矩波动,,
。
由于
L
己
一L
a
++
s艺L s艺L
转矩脉动的限制弱磁运行时电流超前角不能象同永磁同步电机那样可达,
L、一L a
。
90
,
即高速时电枢电流不。
能完全用作去磁电流因此理论上的最大弱磁速度不可能如同永磁同步电机那样达到无穷大、
式中,
乙几
同样可以求、
一得永磁
电机定子漏抗总和
从式、,
段单位机械角速度单位长度、
(8 )可以看出影响理论最高弱磁速度的因素是 X X。
直交轴电枢反应电感 L M ad贴装式则有几枷一 L a少 5。
L, M
。
对于永磁体表面
越小理论最高弱磁速度越高,
。
(2 )实际弱磁运行速度要低于理
论上的最大
最高弱磁速度的确定、、、
值磁阻段长度也小于理论最高运行速度所决定的长度它受 X,
己、
X
。
的综合影响己
。
由于交轴磁通路障因而以减小 X。
根据所求单位机械角速度单位长度永磁段,
转子设计决定了 X同时牺牲 X果并不好、。
数倍于 X
。,
的
磁阻段直交轴电感以及表达最大弱磁速度及其条件的式 (8 )可以求得理想弱磁条件下磁阻段长度L‘。
己
来达到理论最高弱磁速度的做法效,
R f E、/o
(3 )为了增大电机凸极率 p。阴刀了
应尽量减少永磁
j L e‘
左
一
厄/叫
2
尸
一L f Mo
L
M d(1 2 )
段在直交轴电感中所占比例这可以通过增大永
,
Ld R
磁体厚度的方法来控制
。
式中
L
M f e*
L
、
段—单位长单位机械角速度下永—磁段直度轴电感磁阻段直轴电Ld R、
永磁
长度
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此时的最大弱磁角速度为似,哑x
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单位长度单位机械角速度下、
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考虑到磁阻段长度的增加将导致高速下铁耗的迅速增大故而实际设计时并不依据理论最高速,
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度来决定磁阻段长度而是按实际扩速要求取某一合适的长度这时电机实际的最高角速度为,
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3
,
6
结论:
19 92、
从以上讨论可以归纳出弱磁扩速用永磁无刷直流电机的设计特点(1 )永磁无刷直流电机中定子磁链轨迹非圆而
严岚贺益康庞勇动机仿真.
、
.
基于场路结合的永磁无刷直流电2 0 0 1 (1 )
微电机
,
收稿日期
:
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又欠涟卫干 l J圣老厂卜食易.
永磁无刷直流电机设计.doc
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