双凸极永磁电机的发展及现状

第31卷第3期1999年6月　南　京　航　空　航　天　大　学　学　报Jou rnal of N an jing U n iversity of A eronau tics&A stronau tics　V o l.31N o.3　Jun.1999双凸极永磁电机的发展及现状Ξ孟小利 严仰光(南京航空航天大学自动控制系　南京,210016)摘要　双凸极变速永磁电机是90年代刚刚出现的一种新型的机电一体化可控交流调速系统。

目前,国际上对该电机参数计算、模型建立、分析方法、控制策略等基础理论方面还有待深入全面地研究和探讨。

本文首先简要地介绍该电机的基本工作原理和特点;然后系统地概述该电机的发展和研究现状;最后将该电机与其他电机在设计和运行性能等方面进行比较,进一步了解该电机的特点和应用前景。

关键词:双凸极电机;永磁电机;交流调速;永磁材料;开关磁阻电机中图分类号:TM351;TM345;V242.4引 言双凸极永磁电机(Doub ly salien t per m anen t m agnet m o to r,简称D SPM)是随着功率电子学和微电子学的飞速发展在90年代刚刚出现的一种新型的机电一体化可控交流调速系统[1～6]。

该系统由双凸极永磁电机、功率变换器、位置传感器和控制器四部分组成。

电机定转子结构外形与开关磁阻电机相似,呈双凸极结构,但它在转子(或定子)上放有永磁体,从而使运行原理和控制策略与开关磁阻电机有本质区别。

D SPM系统的主要优点是结构简单、控制灵活、动态响应快、调速性能好、转矩 电流比大,可实现各种特殊要求的转矩 转速特性,功率因数接近于1,效率高,是电工学科近年来继开关磁阻电机之后又一全新的研究方向。

D SPM电机作为一种应用前景看好的交流调速系统,是由美国著名电机专家T.A. L i po等人于1992年首先提出的,并进行了初步的理论和实验研究,此后欧美一些国家也相继开展了对D SPM电机及其控制系统的研制工作,目前国际上对D SPM电机的研究仅停留在初步理论和样机实验阶段。

关于D SPM电机仍有大量的基础理论问题,包括电机参数计算,模型建立,分析方法,控制策略等有待深入探讨,为了使人们了解该电机的特点,促进该新型电机在我国交流调速领域中的发展,本文对该电机的研究现状及发展作一综述。

Ξ收稿日期:1998209215;修改稿收到日期:1998211225第一作者　孟小利　男,讲师,1970年6月生。

1　基本结构和工作原理D SPM 电机的基本结构与开关磁阻电机类似,其定、转子均为凸极齿槽结构,定子和转子铁芯由硅钢片叠压而成,定子上装有集中绕组,空间相对的两个定子齿上的绕组串联构成一相,转子无绕组,按永磁体安放位置不同,可分为定子永磁型和转子永磁型。

图1为三相6 4极D SPM 电机截面图。

图1　D SP M 电机截面图定子极弧为定子齿距的1 2,即Π 6机械角,这样可以保证一个极下转子齿与定子齿的重叠角之和恒等于转子极弧,而与转子位置无关[1,8],从而使合成气隙磁导为一常数,磁铁工作点将不随转子位置角Η改变。

这不仅保证电机静止时无定位力矩,而且保证任一相定子绕组所交链的永磁磁链仅与该相磁导成正比。

要求转子极弧稍大于定子极弧以保证电流换向。

由于定子(或转子)嵌入了低磁导率的永磁体,对电枢反应磁通来讲永磁体形成了一个高磁阻路径,因此绕组电感在气隙磁导最大处(Η=45°时)达到一个较小值,这一方面使电流迅速换向成为可能,另一方面使磁场储能W f =1 2L i 2较小,电机的能量转换率高(接近于1)。

当相绕组中通入电流时,将在转子上产生一转矩T =12i 25L 5Η+i 5Ωm 5Η=T r +T m (1)式中L ,Ωm 分别为绕组电感和永磁磁链。

由于永磁转矩3m 远大于磁阻转矩T r ,因此可以在5Ωm 5Η<Η时通入负电流,在5Ωm 5Η>Η时通入正电流,电机在正负半拍均产生正转矩,这一特点使D SPM 电机的单位体积出力比开关磁阻电机成倍增加。

转矩T 的大小既可以通过控制电流大小或导通区间来实现,也可以采用单拍或双拍的运行方式来控制,改变电流的极性和导通顺序,即可改变转矩方向,因此D SPM 电机可以方便地实现四象限运行,控制十分灵活。

D SPM 电机在功率变换器件的选择上也非常灵活,既可以像磁阻电机一样选择单极性功率变换器件,也可以像一般永磁直流无刷电机一样选择双极性功率变换器件。

图2为三相6 4极D SPM 电机驱动原理图,图中采用双极性功率变换器,并带有一条中性线以便电流换向。

133第3期孟小利,等:双凸极永磁电机的发展及现状图2　D SP M 电机驱动原理图2　发展概况D SPM 电机是磁阻电机和永磁电机的有机结合体,是开关磁阻电机的创造性发展[8～14]。

开关磁阻电机的基本结构和原理的提出可以追溯到19世纪40年代。

早在1842年,英国的A berdeen 和V idson 用两个U 型电磁铁制造了由蓄电池供电的机车电动机,两个U 型电磁铁轮流通电以吸引嵌在木质转鼓圆周面上的铁条。

因电路断开时没有二极管续流,电机运行时,随电路的断开伴有周期性电火花,加之使用机械开关,控制精度不够,故电机运行性能很差,这就是为什么从这种电动机雏形诞生直到功率电子开关器件问世前的一百多年间,人们一直没有太大兴趣研究这类电机的重要原因。

本世纪60年代,大功率晶闸管投入使用,为开关磁阻电机的研究和发展奠定了重要的物质基础。

从1967年开始,英国L eeds 大学和N o ttingham 大学相继对开关磁阻电机进行深入研究[7,15～22],并合作研制了一些样机,其研究结果表明:电动机成本明显低于同容量的异步电动机,而其单位输出功率和效率都高于同类的异步电动机驱动装置。

这一结果与传统观念中的同步磁阻电机功率因数、效率均低于异步电动机相驳,关键是现代功率电子技术、微电子学和计算机的发展为开关磁阻电机的综合技术性能提供了有效的支持,同时也保证了其经济性。

1980年,L eeds 大学的L aw ren son 教授等人发表著名论文《变速开关型磁阻电动机》[7],标志着开关磁阻电机正式得到国际社会的承认。

目前,开关磁阻调速电动机以其调速性能好,结构简单,效率高,成本低等特点,已在迅猛发展的调速电动机领域争得一席之地,一扫长期以来双凸极磁阻电机效率低的传统观点,在许多场合得到广泛应用[15～31]。

然而,开关磁阻电机的双凸极结构也给其转矩输出带来一些问题,主要表现在:(1)由于主开关必须在电感较大处关断,电流换相较慢,从而降低了转矩输出;(2)为了增加饱和度以提高开关磁阻电机出力,定转子间气隙较小,因此将产生噪声和振动问题;(3)开关磁阻电机只能在半周内出力,即正半周电感增加时产生电动转矩,而负半周电感减小时产生制动转矩,材料利用率低。

为了解决这些问题,充分利用双凸极结构的特点,90年代初,人们将永磁材料嵌入转子(或定子)体内,形成所谓的双凸极永磁电机,当定子极弧满足一定条件时,磁铁工作点不随转子位置角而改变,绕组永磁磁链仅与该相磁导成正比;永磁转矩远大于磁阻转矩且与电流成正比,因此,在正、负半周分别通入正、负电流时,电机均产生正转矩,使该电机的单位体积出力比开关磁阻电机成倍增加。

同时,由于转子(或定子)内嵌入低磁导率的永磁材料,使绕阻电感小,这一方面使电流迅速换向成为可能,另一方面使磁场储能小,电机的能量转换率高。

由于D SPM 电机中电枢反应磁链远小于永磁磁琏,对合成磁链影响不大,而开关磁阻电机只有电枢反应磁链,它的大小主要由电流决定,故D SPM 电机的绕组电流可以远小于开关磁阻电机的绕组电流,因而D SPM 电机的发热和噪声远小于开关磁阻电机。

233南　京　航　空　航　天　大　学　学　报第31卷3　研究现状从T .A .L i po 教授的D SPM 电机与其他类型电机的性能对比结果可看出D SPM 电机具有许多优点。

此外英国、法国和德国等国也相继开展了对D SPM 电机及其控制系统的研制工作。

我国对D SPM 电机的研究刚刚起步,在小功率调速和伺服领域取得初步应用。

目前,对D SPM 电机的研究中,主要开展以下几方面的工作。

3.1　参数和静态特性的分析计算文[8]提出的线性分析方法及所得静态特性,对D SPM 电机的定性分析,控制策略的制定以及电机的初步设计等均有重要价值。

但由于电机的双凸极结构及永磁体的存在,整个系统为一强非线性系统,在准确分析电机性能、合理设计控制电路及计算静态特性时,必须考虑电机的非线性和电枢反应的影响。

目前主要的计算方法有以下几种[18,19,32～43]:(1)解析法　此方法假定铁芯磁导率Λ=∞,铁芯和气隙的分界面为等位面,定、转子槽无限深,然后利用保角变换法计算出定子极中心线分别与转子槽中心线和转子极中心线相重合时的气隙磁导和电感,即最小和最大电感。

这一方法的缺点是没有考虑电机铁芯饱和的影响,而且只能计算两个位置的电感,因此只能用来进行定性分析。

(2)简单磁路法　J .Co rda 和J .Stephen son 提出了一种双凸极电机最大电感和最小电感的近似计算方法。

此方法分别把最小和最大电感所对应的定转子位置的磁场划分为几个部分,由磁路法分别计算每部分的磁导,再迭加后求得,最后通过修正系数来考虑端部效应的影响,此方法较为简单实用,且有一定准确性,但同样只能计算两个典型转子位置的电感。

(3)变网络等效磁路法　此方法利用气隙比磁导法建立适于D SPM 电机的变网络等效磁路模型,它可以计算任意转子位置的电感参数及静态特性,能较为正确地考虑磁路饱和及非线性的影响,但其计算精度比有限元法较差一些。

(4)有限元法　对D SPM 电机的非线性磁场进行有限元分析,这时可以考虑到电机结构的几何形状和铁磁材料的非线性饱和特性。

有限元法可以准确地计算各个不同转子位置和不同绕组电流时绕组磁链和电感的大小。

目前主要应用的方法是有限元法。

因为该方法能充分考虑非线性和饱和的影响,计算精度高。

该方法根据D SPM 电机的特点,作了一些简化,从而将电机内部磁场等效为二维平面静磁场,这些简化必然给计算结果带来一定的误差,例如在最小电感及其相邻区域内,端部效应的影响较大,用二维有限元法或等效磁路法都不能计及其影响,因此在最小电感及其附近位置时的计算误差较大。

此时应考虑采用三维有限元法来计算。

3.2　永磁材料最佳用量在D SPM 电机中,永磁转矩起主要作用,故永磁材料的用量对电机的性能影响较大,增加永磁体,可提高电机的输出转矩,但使磁路过于饱和,损耗增加,机体发热,同时增加电机成本。

文[9]研究了永磁材料用量对电机静态特性的影响,得到一组曲线,有一定的参考价值。