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        全諧波永磁同步電機(jī)對(duì)比分析研究

        2017-10-14 13:16:16張文娟張志剛
        船電技術(shù) 2017年8期
        關(guān)鍵詞:正弦波同步電機(jī)永磁

        張文娟,張志剛

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        全諧波永磁同步電機(jī)對(duì)比分析研究

        張文娟,張志剛

        (長(zhǎng)沙學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410002)

        本文提出了全諧波轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)。在現(xiàn)有永磁電機(jī)材料和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過對(duì)電機(jī)定子繞組改進(jìn)和優(yōu)化控制,使其產(chǎn)生富含諧波的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),并與永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)實(shí)時(shí)保持正交的相位關(guān)系,在滿足電磁轉(zhuǎn)矩最大化基本條件下,充分利用永磁同步電機(jī)的諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩,從而達(dá)到提高轉(zhuǎn)矩密度的目的。通過與傳統(tǒng)永磁電機(jī)以及直流無刷電機(jī)進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證了全諧波永磁同步電機(jī)的優(yōu)越性。

        全諧波轉(zhuǎn)矩 高轉(zhuǎn)矩密度 方波磁場(chǎng) 永磁同步電機(jī)

        0 引言

        交流永磁電機(jī)具有高效、高功率密度等優(yōu)點(diǎn),在數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械手等工業(yè)產(chǎn)品和磁懸浮列車、電動(dòng)汽車、艦船電力推動(dòng)等大功率電氣傳動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。隨著產(chǎn)品升級(jí)和技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能提出了更高的要求。轉(zhuǎn)矩特性是交流永磁電機(jī)最重要的特性之一,在某些應(yīng)用領(lǐng)域,如工業(yè)機(jī)器人和電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)等迫切需要轉(zhuǎn)矩密度高、過載能力強(qiáng)的伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)

        目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度的理論和方法進(jìn)行了大量的研究,歸結(jié)起來可以分為以下三類:通過優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)參數(shù)提高轉(zhuǎn)矩密度、采用新型結(jié)構(gòu)電機(jī)提高轉(zhuǎn)矩密度和采用新材料和新工藝提高轉(zhuǎn)矩密度。其中,日本豐田公司的Pruis系列電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī),該公司Pruis00型驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)為“一”型,而Pruis05型驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼改為“V”型,使得電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩大幅提高,電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度隨之提高了9%。復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)是學(xué)者們研究的較多的一類高轉(zhuǎn)矩密度電機(jī),它是通過將電機(jī)定子(轉(zhuǎn)子)組合在一起,這樣可以充分利用電機(jī)的空間,從而達(dá)到提高轉(zhuǎn)矩密度的目的[3],目前研究比較多的有軸向磁通、橫向磁通電機(jī)。美國(guó)WaveCrest 實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的Adaptive 電機(jī)中定子具有非常復(fù)雜的3D拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),為便于加工并得到較高的尺寸精度,定子鐵心使用了新型軟磁復(fù)合材料SMC加工,而不是傳統(tǒng)的疊片。這類電機(jī)采用多磁路設(shè)計(jì)方法,創(chuàng)建一些可控的獨(dú)立參數(shù),在電機(jī)運(yùn)行中可對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行有效地控制,定子磁極采用模塊化設(shè)計(jì)有利于電機(jī)的生產(chǎn)組裝[5-7]。

        上述方法都是通過外部技術(shù)手段來提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。本項(xiàng)目從電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的物理本質(zhì)入手,分析了電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩最大化的基本條件,提出了全諧波轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)。電機(jī)通過充分利用定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)諧波來產(chǎn)生更大的電磁轉(zhuǎn)矩。與正弦波永磁同步電機(jī)相比,在定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)幅值相同的條件下,全諧波轉(zhuǎn)矩電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可得到大幅提高。

        1 全諧波轉(zhuǎn)矩電機(jī)原理分析

        1.1 電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理

        電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的物理本質(zhì)是定子磁場(chǎng)Bs和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)Br相互作用的結(jié)果,電機(jī)瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為:

        式中K為與電機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)。

        上式用標(biāo)量表示時(shí)有:

        式中s,r為定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)向量之間的夾角。

        當(dāng)考慮到定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)中所有的諧波時(shí)

        式中ε、k分別為定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的諧波次數(shù),ε=1,3,5,7……;k=1,3,5,7……。ωω分別為定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)基波角頻率,且ω=ω

        瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩可表示為:

        電機(jī)穩(wěn)態(tài)平均轉(zhuǎn)矩大小可由下式進(jìn)行計(jì)算

        可求得

        式中,B、B分別為定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)第h次諧波幅值,θ為第h次諧波向量之間的夾角。

        式(5)-(7)表明,只有次數(shù)相同的定、轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)相互作用才會(huì)產(chǎn)生恒定的平均電磁轉(zhuǎn)矩;次數(shù)不相同的定、轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)相互作用雖然也產(chǎn)生瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩,但它們的平均值為零。

        1.2最大電磁轉(zhuǎn)矩分析

        式(7)揭示了電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的物理本質(zhì),從本質(zhì)上來提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩需要充分利用定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)BB,電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩最大化的基本條件是:

        ①最大化定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的幅值。增加定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的幅值可以通過增加電機(jī)的電、磁負(fù)荷實(shí)現(xiàn),這是提高電磁轉(zhuǎn)矩密度最基本的條件。但定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的大小受到電機(jī)材料、飽和以及發(fā)熱等多個(gè)因素的限制,不可能任意增大。在條件允許下,盡量提高電機(jī)的電、磁負(fù)荷以增大電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是電磁設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則。

        ②充分利用各次諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,是電磁轉(zhuǎn)矩最大化的基本條件之一。式(7)表明,不僅基波磁場(chǎng)可以產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩,各次諧波磁場(chǎng)也可產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。

        ③最優(yōu)控制定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的夾角。式(7)表明,穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩不僅與定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)向量的幅值有關(guān),而且還與它們之間的角度有關(guān)。如果能過通過有效的手段,實(shí)時(shí)控制各次定、轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)矢量之間的夾角為最優(yōu)值,即定、轉(zhuǎn)子各次諧波磁場(chǎng)矢量保持正交(90°電角度),各次諧波磁場(chǎng)轉(zhuǎn)矩會(huì)達(dá)到最大值,這也是電磁轉(zhuǎn)矩最大化的基本條件之一。

        永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生,轉(zhuǎn)子氣隙磁密波形基本為一平頂波,其富含3、5、7次等諧波,這是永磁同步電機(jī)永磁勵(lì)磁磁場(chǎng)的基本特性,如圖1所示。

        目前應(yīng)用最廣的永磁同步電機(jī)分為正弦波永磁同步電機(jī)和方波永磁同步電機(jī)(無刷直流電機(jī))。正弦永磁同步電機(jī)定子通入多相對(duì)稱正弦電流,因此定子磁場(chǎng)近似為正弦旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。通過矢量控制,很容易實(shí)現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的同步和相位正交,正弦并且正交的定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,如圖2所示。

        圖1 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁密波形

        圖2 正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)

        方波永磁同步電機(jī)多采用兩相導(dǎo)電的運(yùn)行方式,即在一個(gè)60°電角度周期內(nèi)兩相繞組通入直流電,定子磁場(chǎng)近似為空間位置恒定的三角波,它富含了3、5、7等次諧波,當(dāng)轉(zhuǎn)子方波磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)60°電角度時(shí),三角波定子磁場(chǎng)與旋轉(zhuǎn)方波轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,如圖3所示。

        圖3 方波永磁同步電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)

        2 全諧波轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)

        通過上述分析可得正弦波永磁同步電機(jī)和方波永磁電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生有如下特點(diǎn):

        ①正弦波永磁同步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)均為正弦波,且相位始終保持正交,滿足電磁轉(zhuǎn)矩最大化基本條件③,但是轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)未被利用,不滿足電磁轉(zhuǎn)矩最大化基本條件②;

        ②方波永磁同步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)都富含各次諧波,諧波磁場(chǎng)被充分利用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,滿足電磁轉(zhuǎn)矩最大化基本條件②,但定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相位沒保持正交,不滿足電磁轉(zhuǎn)矩最大化基本條件③。

        綜上所述,正弦波永磁同步電機(jī)和方波永磁同步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)都未被充分利用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,不完全滿足電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩最大化的基本條件,因此轉(zhuǎn)矩密度還有提升空間。

        鑒于此,本文提出了全諧波轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī),它是在現(xiàn)有永磁電機(jī)材料和基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過對(duì)電機(jī)定子繞組改進(jìn)設(shè)計(jì)和電流優(yōu)化控制,使其產(chǎn)生富含諧波的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),如圖4所示,并與永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)實(shí)時(shí)保持正交的相位關(guān)系,同時(shí)滿足電磁轉(zhuǎn)矩最大化基本條件②和③,以充分利用永磁同步電機(jī)的諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩,從而達(dá)到提高轉(zhuǎn)矩密度的目的。

        圖4 全諧波轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)

        3 仿真和對(duì)比

        3.1電機(jī)建模

        圖5 全諧波永磁同步電機(jī)仿真模型

        圖6 全諧波永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁密波形

        為了進(jìn)一步研究全諧波永磁同步電機(jī)理論的正確性。本文使用Ansoft建立如圖5所示的系統(tǒng)仿真模型,對(duì)電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)的分析,圖5、圖6分別給出了仿真模型及相應(yīng)的仿真結(jié)果。系統(tǒng)仿真所用的電機(jī)的參數(shù)如表1所示。

        3.2對(duì)比分析

        為了驗(yàn)證全諧波永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)矩方面的優(yōu)越特性,本文對(duì)相同參數(shù)的正弦波永磁同步電機(jī)以及直流無刷電機(jī)的電流、磁鏈、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了仿真分析,最后將三種電機(jī)進(jìn)行對(duì)比。其中直流無刷電機(jī)的仿真結(jié)果如圖8(a)、(b)、(c)所示,正弦波永磁同步電機(jī)的仿真結(jié)果如圖9(a)、(b)、(c)所示。

        表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)表

        (a)電流

        (b)磁鏈

        (c)轉(zhuǎn)矩

        (a)電流

        (b)磁鏈

        從三種電機(jī)的仿真結(jié)果可以看出,在相同的參數(shù)下,正弦波永磁同步電機(jī)的定子電流為40.99 A,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為14.5 Nm,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為5.41%,轉(zhuǎn)矩系數(shù)為0.35 Nm/A;直流無刷電機(jī)的定子電流為42.5 A,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為15.2 Nm,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為9.25%,轉(zhuǎn)矩系數(shù)為0.36 Nm/A;全諧波永磁同步電機(jī)的定子電流為41 A,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為28.3Nm,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為10.2%,轉(zhuǎn)矩系數(shù)0.69 Nm/A。可以看出在相同條件下,全諧波永磁同步電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是同尺寸正弦波永磁同步電機(jī)、直流無刷電機(jī)的2倍,有良好的轉(zhuǎn)矩特性。

        4 結(jié)論

        本文從電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的本質(zhì)上尋求提高轉(zhuǎn)矩密度的理論和方法,通過充分利用永磁電機(jī)固有諧波磁場(chǎng)提高電磁轉(zhuǎn)矩,與其它高轉(zhuǎn)矩密度電機(jī)相比,全諧波轉(zhuǎn)矩電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩提升機(jī)理最直接,代價(jià)最低。與正弦波永磁同步電機(jī)相比,在定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)幅值相同的條件下,全諧波轉(zhuǎn)矩電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩可提高24%;提出了非正弦化電機(jī)設(shè)計(jì)思想,定子磁場(chǎng)為富含多次諧波的三角波,突破了傳統(tǒng)交流電機(jī)設(shè)計(jì)中磁場(chǎng)正弦原則,為“電機(jī)設(shè)計(jì)”這一傳統(tǒng)學(xué)科領(lǐng)域探索了新的道路。

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        Comparative Analysis of Full Harmonic Permanent Magnet Synchronous Motor

        Zhang Wenjuan, Zhang Zhigang

        (Electronic Information and Electrical Engineering College, Changsha University, Changsha 410002, China)

        TM315

        A

        1003-4862(2017)08-0001-05

        2017-04-14

        國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51507016);湖南省教育廳一般項(xiàng)目(15C0120);長(zhǎng)沙市科技計(jì)劃項(xiàng)目(ZD1601025)

        張文娟(1986-),女,博士,講師。研究方向:永磁同步電機(jī)及其控制技術(shù)。Email: 13971644018@163.com

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