无轴承开关磁阻电机的功率变换器研究

承开关磁阻电机的悬浮原理和系统构成 , 简要分析 了其控制策略。根据其控 制特点 , 设计了 主绕组和悬 浮绕组功率 电路拓扑结构 , 通过实验样机验证了功率电路的可 靠性。 关键词 : 无轴承 ; 开关磁阻电机 ; 功率变换器 中图分类号 : T M 352 文献标识码 : A 文章编号 : 1004- 7018( 2007) 05- 0010- 03
l r lg0
上述均为电机参数。 根据数学表达式, 可以看出悬浮力的大小与方
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设计分析 esign and analy sis
微特电机
2007年第 5期
3 . 3 驱动隔离电路设计 为了保证绕组功率的电路正常工作 , 根据功率 电路的要求正确选择和设计 MOSFET 管的驱 动电 路十分重要。驱动电路的基本功能有: 主电路与控 制电路的电隔离 ; 保证器件的开关性能; 较强的抗干 扰能力 ; 短的信号传输延迟时间 ; 可靠的保护功能。 根据尽量减少隔离、 驱动芯片的开通延迟时间、 开通上升时间、 关断下降时间等要求 , 选用驱动芯片 I XDD409P I 、 高速光耦 6N137组成驱动隔离电路, 如 图 5所示。
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无轴承开关磁阻电机的功率变换器研究
范 冬, 邓智泉, 杨 钢, 曹 鑫, 王晓琳
( 南京航空航天大学 , 江苏南京 210016) 摘 要 : 无轴承开关磁阻电机结构简单、 运行效率高、 容错 能力强 , 具有良 好的高温和 高速适应性 。介绍了无轴
1引ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
言
开关磁阻电机结构简单、 坚固, 具有成本低、 工 作可靠、 控制灵活、 运行效率高、 容错能力强等诸多 优点。在开关磁阻电机中应用无轴承技术, 既保持 了开关磁阻电机的优点, 又具有无轴承电机的高速 适应性。由于把磁轴承中的悬浮控制绕组叠绕在电 机定子中, 使两者磁场合成一体 , 轴向长度大幅度减 小, 轴承固有刚度大 , 可突破大功率和超高转速的限 制, 拓宽了开关磁阻电机的应用领域。 在无轴承开关磁阻电机的控制中 , 既要实现电 机的旋转, 又要实现电 机的稳定悬浮 , 需要两套 绕 组, 即主绕组和悬浮绕组来完成。基于其控制特点 ,
无 轴 承 开 关 磁 阻 电 机 的 功 率 变 换 器 研 究
( 1) ( 2)
e
4 ( 2r | e | + lg0 ) | e | 2 2 3 | lg0 + rlg0 ( + 2) | e | + 2lg0 ( 3) r( - 12 | e | ) | 2 12 lg0
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图 5 M OSFET 驱动隔离电路
5结
语
[ 2]
T akem oto M, Ch iba A, A kagi H, et a.l R ad ial force and torqu e of a bearing less sw itched reluctance m otor operating in a region of m agnetic satu ration [ J] . IEEE Trans . I ndus try A pp lication , 2004, 40 ( 1) : 104~ 112 张媛 , 邓 智泉 . 无轴 承开关 磁阻 电机 控制 系统的 设计 与实 现 [ J] . 航空学报 , 2006 , 27( 1 ): 77~ 81
图 3 主绕组功率电路
3 功率电路设计
分析无轴承开关磁阻电机的悬浮原理可知 , 电 机转子悬浮是通过给悬浮绕组通电改变主绕组产生 的磁场 , 使气隙的磁场 分布不均匀 , 从而产生悬 浮 力。主绕组一方面产生旋转转矩, 使电机旋转 ; 另一 方面提供产生悬浮力的偏置磁场 , 通过与悬浮绕组 产生的控制磁场相互作用产生麦克斯韦力, 使转轴 悬浮。无轴承开关磁阻电机系统中的功率电路是向 绕组提供能量的单元, 其要求与普通开关磁阻电机 功率变换器有相似之处也有不同的地方。下面分别 介绍主绕组和悬浮绕组功率电路。 3 . 1 主绕组功率电路设计 根据无轴承开关磁阻电机数学模型 , 可以推导 [ 3] 出径向悬浮力的数学表达式 : F = K f1 ( ) im a is a1 F = K f2 ( ) im a is a2 其中系数 K f1 ( ) 、 K f2 ( ) 分别为 : - 12 | e | K f1 ( ) N mN b 0 lr + 2 6lg0 r |
无 轴 承 开 关 磁 阻 电 机 的 功 率 变 换 器 研 究 图 1 径向悬浮力产生原理
联绕在相对的两个定子齿上 , N sa2结构类似于 N sa1, 只是在空间位置上相差 90 。当主绕组 Nm a通以图 示方向的电流后, 产生实线所示的四极磁通 , 在转子 不偏心的情况下, 气隙 1 处和气隙 2 处的磁通密度 相同 ; 当悬浮绕组 N sa1通以图示方向的电流后 , 产生 虚线所示的两极磁通, 气隙 2 处气隙磁密增强, 而气 隙 1 处磁密减弱 , 导致气隙 2 处的磁密大于气隙 1 处的磁密 , 转子受到向左的偏心磁拉力而向左运动。 当改变悬浮绕组 N sa1中的电流方向时 , 转子将受到 向右的偏心磁拉力而向右运动。 方向的力由主绕 组和悬浮绕组 N s a2中的电流共同作用来产生。 2 . 2 系统构成 无轴承开关磁阻电机系统硬件主要包括 : 无轴 承开关磁阻电机本体、 主绕组、 悬浮绕组功率电路及 驱动电路、 DSP 数字控制器、 CPLD 逻辑控制器、 P ID 调节单元、 信号调理电路、 过压过流保护电路、 传感 器和相关辅助电源。其系统框图如图 2 所示。
设计了无轴承开关磁阻电机的主、 悬浮绕组功率电 路。最后, 在实验样机上验证了功率电路。
2 无轴承开关磁阻电机原理与系统构成
2 . 1 悬浮原理 图 1为 12 /8 极结构的无轴承开关磁阻电机轴 向剖面图。绕组分 A、 B、 C 三相 , 每相四极。每相均 包含一套主绕组 , 两套悬浮绕组。 以 A 相为例说 明径向悬浮力的 产生机理。主 绕组 Nm a 由四段线圈串联绕在 A 相四个定子齿上 , 连接方式如图 1 所示。悬浮绕组 N s a1由两段线圈串
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收稿日期 : 2006 - 08- 23
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向, 一方面与主绕组电流大小和方向有关, 另一方面 还和悬浮绕组电流的大小和方向有关。从方便控制 电机的角度出发, 在保持主绕组电流方向不变的前 提下 , 通过调节悬浮绕组电流的大小和方向 , 控制主 绕组电流的大小来实现对悬浮力的大小和方向的控 制。因此, 主绕组电流大小变化 , 方向不变 , 与普通
图 2 无轴承开关磁 阻电机硬件系统框图
开关磁阻电机绕组中的电流特点相似。 选用普通开关磁阻电 机基本的功率变换器之 一: 不对称半桥变换器作为主绕组的功率变换器 , 如 图 3 所示。图 3 中 Am 、 Bm 、 Cm 分别代表无轴承开关 磁阻电机的三相 A、 B、 C 主绕组 , D1 ~ D6 是主 开关管关断后 , 用 来续 流的二 极管 , T1、 T2 是 A 相主 绕组的开关管 ,
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( 4) 式中: Nm Nb
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; 12 主绕组匝数; 悬浮绕组匝数; 磁导率; 定、 转子轴向叠片长度 ; 转子极弧半径 ; 气隙长度。
图 4 悬浮绕组功率逆变器电路
根据公式计算及电机的参 数设计, MOSFET 管 选用 APT 5014BFL, 其耐压 500 V, 最大允许电流 35 A。在标准测试条件下 , 开通延迟时间 11 ns , 关断 延迟时间 23 ns, 上升时间 6 ns , 下降时间 3 ns 。开 关管 MOSFET 并联的反向二极管选用 60CPF06 ,其 耐压 600 V, 最大允许平均电流 60 A。
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T 3、 T4 是 B 相主绕组的开关管 , T5、 T6 是 C 相主绕组 的开关管。此功率电路中, 各相独立控制。主绕组 电流方向固定 , 可以通过控制开关管的开通和关断, 来调节主绕组电流的大小。 根据设计要求 , 在主绕组功率变换器中 , 主开关 管选用 APT 5010LFLL。其耐压 500 V, 最大允许电 流 46 A。在标准测试条件下 , 开通延迟时间 11 ns , 关断延迟 时间 25 ns , 上 升时间 15 ns , 下 降时间 3 ns 。 快速软恢复整流二极 管选用 80EPF 06 , 其耐压 600 V, 最大允许平均电流 80 A。 3 . 2 悬浮绕组功率电路设计 当主绕组电流一定时 , 通过控制悬浮绕组电流 就可控制径向悬浮力。为实现稳定悬浮 , 悬浮绕组 功率逆变器必须能提供大小可调、 方向可变的电流。 综合考虑电路特点及悬浮绕组功率电路要求, 功率 电路拓扑采用三相四桥臂电路, 如图 4 所示。图 4 中 A s、 Bs、 C s 分别代表无轴承开关磁阻发电机的三 相悬浮绕组, D1 ~ D8 是开关管 MOSFET 反向并联的 二极管, T1、 T2 是公共桥臂的开关管, T3 ~ T8 是三相 桥臂的开关管。
4 功率电路实验
基于上述的无轴承开关磁阻电机主、 悬浮绕组 功率电路及驱动电路设计方案, 在原理样机上进行 了实验。图 6 为在给定转速 3 200 r /m in 空载情况 下, 、 正方向位移波形 ( 分别为通道 1 、 2 )。在此 转速下, 方向的径向位移小于 50 m, 方向的径 向位移小于 60 m。图 7 为主绕组 C、 B 两相 (分别 为通道 1 、 2 ) 的电流波形, 图 8 为悬浮绕组 和 的 A 相 (通道 1 和 2) 在此转速下的电流波形。 从实验结果来看, 主绕组和悬浮绕组功率逆变 器能够满足电机 控制的要求 , 径向位移跳 动较小。 在稳定悬浮时 , 电机转轴与辅助轴承脱离接触, 辅助 轴承静止不动。