（电力电子与电力传动专业论文）低速大转矩永磁同步电机及其控制系统.pdf

稳健设计的思想，采用信噪比方法分析了设计方案的稳健性，建立了评价和排序 非劣解的重要指标。同时基于灵敏度分析思想，揭示了电机各设计参数与优化目 标的内在关系，为电机生产和设计提供了理论指导。最后采用基于模糊专家系统 和博弈论的多目标粒子群算法对电梯用低速大转矩永磁同步电机进行了优化设 计，测试和应用结果表明，优化设计后，电机综合性能指标明显提高。 关键词：永磁同步电机矩阵变换器空间矢量脉宽调制法博弈论多目标粒子 群优化算法模糊专家系统 a b s t r a c t c e n t r e i n ga r o u n dt h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，t w op a a so f r e s e a r c h e so nt h em o t o ro p t i m i z a t i o nd e s i g na n dt h ed r i v ec o n t r o la r es y s t e m a t i c a l l y i n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n b a s e do nt h et h e o r yo fa x e st r a n s f o r m a t i o n ，t h em a t h e m a t i cm o d e l so fp m s mi n t h r e e p h a s es t a t i o n a r yc o o r d i n a t e s ，t w o p h a s es t a t i o n a r yc o o r d i n a t e sa n dt w o p h a s e r o t a t i n gc o o r d i n a t e sa r ea n a l y z e di nd e t a i l s s v p w mm e t h o di s i n t r o d u c e di nt h e s e c o n dc h a p t e r t h ea c a ct r a n s f c r m a t i o nc o n t r o la n dt h ed o u b l es v p w m s c h e m e o ft h em a t r i xc o n v e r t e ra r ed e d u c e df r o mt h ee q u i v a l e n ts t r u c t u r eo ft h ea c - d c a c c o n v e r s i o ni nt h et h i r dc h a p t e r - i no r d e rt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h es v p w ms t r a t e g yf o rp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm a c h i n eb a s e do nm a t r i xc o n v e r t e ra n dt h ec o r r e c t n e s so f t h em o d u l a t i o n m e t h o d ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo fv e c t o rc o n t r o ls p e e dr e g u l a t i n gs y s t e mf o ral o w e r - s p e e dh i g h - t o r q u ep m s m i sf i r s t l ye s t a b l i s h e db a s e do nm a t l a b t h e nt h ei n p u ta n d o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fm a t r i xc o n v e r t e r , t h es p e e d ，t o r q u ea n d l o a dc h a r a c t e r i s t i c so f t h ep m s ma r et h e na n a l y s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti tc a nr e a l i z et h e s e p a r a t em o d u l a t i o no ft h eo u t p u tv o l t a g ea m p l i t u d ea n df r e q u e n c y b e s i d e s ，t h e e x c e l l e n tw a v e f o r m so fi n p u tc u r r e n ta n do u t p u tv o l t a g e ，u n i tv a l u ep o w e rf a c t o r r e v e a lt h em a t r i xc o n v e r t e rs y s t e mh a st h ea b i l i t yo ff o u rg u a r d a n to p e r a t i o n s i th a s u n e x a m p l e dm e r i t so nc o n t r o l l a b l ei n p u tp o w e rf a c t o r , p o w e rr e g e n e r a t i o na n d l a c ko f b u l k ye n e r g ys t o r a g ec a p a c i t o r s a rs i m u l a t i o n ap m s mc o n t r o ls y s t e mb a s e do nm a t r i xc o n v e r t e ri s e x p e r i m e n t e d ，w h i c hu s e sd s pt m s 3 2 0 f 2 8 12a sm a i nc o n t r o l l e ra n df p g ae p1c 6 a sc o p r o c e s s o r d s pc a r r i e so u ts p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ，a n df p g ac a r r i e so u ts w i t c h f u n c t i o n ss y n t h e s i sa n df o u rs t e pc o m m u t a t i o n s t h e yt o g e t h e ra c c o m p l i s ht h e m o d u l a t i o no fs i n ew a v ei n p u tc u r r e n ta n do u t p u tv o l t a g e 1 1 1 ee x c e l l e n ts t a r t u p c h a r a c t e r i s t i c ，h i g hc o n t r o lp r e c i s i o n ，q u i c kd y n a m i cr e s p o n s ea n dg o o da d a p t a b i l i t y a r ee n s u r e dw h i c hc a nb es e e nf r o mt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s a l lt h ed a t ai n d i c a t ea g a i n 廿1 a tt h em e t h o di nt h i sd i s s e r t a t i o ni se f f e c t i v e o nt h es u b j e c to fh i g hn o n l i n e a re x i s t i n gi no p t i m i z a t i o nd e s i g n ，as o r to f m u l t i 。o b j e c t i v ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nf u z z ye x p e r ts y s t e m i sp r o p o s e di nt h ef o u r t hc h a p t e r t h em a ne x p e r te x p e r i e n c e so nd e s i g na r e i m p o r t e d i n t ot h ea r t i f i c i a lf u z z ye x p e r ts y s t e m ，a n dt h e nj o i ni nt h es p e e de q u a t i o n so ft h e p a r t i c l es w a r m t h u sl e a dt h ed o m i n a n ts u b s e t sm o v et ot h ed i r e c t i o n so fo p t i m a l s o l u t i o n f u z z ye x p e r ts y s t e mi m p r o v e st h eo p t i m i z a t i o np r o c e s so fm u l t i o b j e c t i v e p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，a n da d v a n c e st h ec o n v e r g e n tr a t ea n ds o l v i n g p r e c i s i o n t h eo t h e rn o v e lp o i n ti nt h i sd i s s e r t a t i o ni st h a tt h eo p t i m i z a t i o np r o b l e mi s t r a n s l a t e di n t og a m ep r o b l e m t h e o p t i m i z e dg o a l sa r er e g a r d e da st h eg a m e i n d i v i d u a l s ，a l lo p t i m i z a t i o n d e s i g nm e t h o d so fp m s mb a s e do ng a m et h e o r yi s p r o p o s e d s u r r o u n d i n gp a r e t oo p t i m u mu n d e rn a s he q u i l i b r i u m ，t h ec o n c e s s i o n n e g o t i a t i o ns t r a t e g yb e t w e e nt h eg a m ei n d i v i d u a l si sa p p l i e dt ot h eo p t i m i z e dg o a l si n o r d e rt og e tab e t t e rg l o b a ln e g o t i a t i o nr e s u l t t h em o t o r d e s i g nc y c l ei ss i m p l i f i e db y s e a r c h i n gt h eu n i t a r yo p t i m a lr e s u l tf r o mn o n - i n f e r i o rs o l u t i o ns e t f o rt h ee r r o rd u et o m a c h i n i n ga n da s s e m b l ya n dt h ed i s t u r b a n c e ，t h er o b u s t n e s sd e s i g ni d e ai si n t r o d u c e d i nm o t o rd e s i g n t h en o n - i n f e r i o rs o l u t i o n sa l ee v a l u a t e da n da r r a n g i n gb ys i g n a l n o i s er a t i o t h es e n s i t i v e n e s sa n a l y s i si d e ai sa l s oi n t r o d u c e di nm o t o rd e s i g nt o r e v e a lt h ei n t e r r e l a t i o nb e t w e e ne v e r yd e s i g np a r a m e t e ra n dt h eo p t i m i z e dg o a l s a t l a s t ，ap m s mi so p t i m i z e db ym u l t i - o b j e c t i v ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m b a s e do nf u z z ye x p e r ts y s t e m t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed e s i g nm e t h o dh a st h em e r i t o fh i g he f f i c i e n c y , a n dt h ei n t e g r a t e dc h a r a c t e r i s t i co ft h em o t o ra f t e ro p t i m i z a t i o n d e s i g ni si m p r o v e d k e y w o r d s ：p m s m ，m a t r i xc o n v e r t e r , s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) m e t h o d ，g a m e st h e o r y , m u l t i - o b j e c t i v ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m s ，f u z z ye x p e r ts y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤递盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：史岛唧签字日期： j 矽毋年朋月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文储签名：史砖唧 导师签名： 签字日期：泐孚年膳月，日 签字日期：钞留年f 7 月多日 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1 引言 第一章绪论 电动机在工农业生产、国防科技及社会生活等领域中作为主要的动力设备， 起着关键的驱动和伺服控制作用。据统计，发达国家中生产总电能的一半以上由 电机转化为机械能，我国各类电机年耗电量约占全国总发电量的6 5 。低速大转 矩伺服传动系统是一种常见的高耗能机电一体化设备，广泛应用于电梯、电动车 辆、重型机床、船舶、矿山机械、石油机械、建筑机械以及航空航天等领域，其 年耗电量约占工业总耗电量的1 0 。最大限度地降低伺服系统的耗电量对于节能 减排具有重要意义，包括我国在内的世界上许多国家对电机系统的节能均给予了 高度重视。以美国为例，其提出的电动机挑战计划，通过采用高效率电动机系列 ( 在美国称为实施e p a c t 指令) 和超高效率电动机系列( n e m a p r e m i u m ) 以 及采用电子调速装置，节省电能达1 5 。我国是人口众多的发展中国家，资源 相对不足；同时，我国的资源利用率较低，污染排放严重。目前我国各类电动机 总容量约4 2 亿千瓦，由于设计、选型及控制方式不合理，电机的实际运行效率 比国外低1 0 以上。为了缓解经济发展与资源、环境的矛盾，节能降耗迫在眉睫。 国家发改委也正式将“电机系统节能 列入“十一五一十大节能项目之一，并指 出要在“十一五高效节能风机、水泵、压缩机系统优化改造，推广变频调速、 自动化系统控制技术，使运行效率提高2 个百分点，年节电2 0 0 亿千瓦时。同时 还制定了电动机等主要耗能设备能效指标，2 0 1 0 年新增主要耗能设备能源效率 达到或接近国际先进水平，部分达到国际领先水平。 除了耗能指标外，为了适应不断提高的工业生产和物质生活要求，对低速大 转矩伺服传动系统的运行效率、控制精度、调速范围、转矩脉动、振动噪声、安 全性和可靠性等性能指标也提出了更高的要求。传统的直流驱动系统、交流伺服 传动系统已经不能适应市场的需求。 1 1 2 各类伺服系统的比较 伺服系统中常用的有交流感应电机、直流电机和永磁同步电机( 包括无刷直 流电机) 三大类，它们的综合特性比较如表1 1 所示。 第一章绪论 表1 - 1 三类电机综合特性比较 机械过载 可控平稳电磁 维护 噪声寿命体积效率成本 能力能力制 性 干扰 性 感应电机 软小难较差较大小 易 长大低低 直流电机软大易较好大严重难短较小高较高 永磁同步电机硬 大 易 好小 小易长小高较高 工农业生产中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度运行，例如风 机、泵、压缩机和普通机床等，对这类机械以往大多采用三相感应电机来驱动。 感应电机成本较低、结构简单、工作可靠、寿命长、保养和维修简便，很适合该 类机械的驱动。但是其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素较低， 轻载时尤为严重，这大大增加了线路和电网的损耗；其次，与直流电机相比，其 调速性能差，起动转矩小，过载能力差。长期以来，在不要求调速的场合，感应 电机占有主导地位，这类拖动系统使用范围广，故有大量的电能在使用中被浪费 了。 直流电机具有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均近似为平行的直 线，这是优越于各类交流电机的特性。此外，直流电机还具有起动转矩大、过载 能力大、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电机在七十年代 前的很长时间里，在需要调速和控制的场合几乎成了唯一的选择。但是，直流电 机的结构比较复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，功率较大的直流电机还常 常装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向 器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交 变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电机体积和重量的进一 步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电机的 故障多、可靠性低、寿命短、保养和维护工作量大。换向火花既造成了换向器的 电腐蚀，同时还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电 机的容量越大、转速越高，问题就越严重，限制了直流电机向高速度及大容量的 发展： 同步电机设计成过励磁状态时，能够工作于超前功率因数，提供的磁化电流 可以补偿其他感性负载的滞后功率因数，比感应电机具有更显著的综合节能效 果。但在以往的电力拖动中很少采用同步电机，其主要原因是同步电机不能在电 网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下平均转矩为零。变频电 源可解决同步电机的起动和调速问题，但在七十年代以前，变频电源是可想而不 2 第章绪论 可得的设备。随着电力电子技术和现代控制理论的发展，同步电机的起动和调速 性能不断提高，其节能优势使得世界各国在大功率系统中基本趋向于使用同步电 机，比如有色金属行业中的大功率提升机以及钢厂大容量轧钢机等均采用同步电 机驱动。永磁同步电机( p m s m ) 无需从电网吸取无功电流建立气隙磁场，采用 永磁材料代替电流激磁，因而无激磁损耗，可使电机效率提高4 - 8 个百分点。例 如，在纺织机械中采用永磁同步电机代替感应电机可以节电7 8 。另外，永磁 同步电机在可靠性、可维护性、电机尺寸、转动惯量、控制精度和弱磁比等方面 具有优势。因此，在电梯、电动汽车、数控机床、轧钢机、船舶推进、舰艇、雷 达和航天器等低速大转矩伺服系统中广泛采用永磁同步电机作为驱动，永磁同步 电机是电气传动领域颇具发展前途的驱动装置。 1 1 3 永磁同步电机的发展概况 同步电机诞生于1 8 6 9 年，比感应电机的发明几乎早了二十年。然而，二十 世纪初感应电机已经趋于成熟，因而在在工业上得到了广泛的应用，尽管同步电 机有其不可比拟的优点，但是在1 9 2 0 年前一直得不到认可。在二十世纪的前5 0 年中，作为感应电机的补充，科研工作者为同步电机起动能力的提高而不懈努力， 同步电机得到进一步的推广应该归功于其对功率因数修正的优点，而同步电机自 动控制的发展，才最终使其摆脱了起动困难的局限性，使之脱颖而出。 电机自动控制的发明家、同步电机发展的先驱c t h i b b a r d 是美国明尼阿波 尼斯市的一家电机制造公司的首席工程师，该公司1 9 1 2 年开始生产同步电机， 五年后c t h i b b a r d 构思了他的自动控制思想，此后一直致力于同步电机的发展 和改进【1 1 。 1 8 6 9 年英国的h w i l d e 在对交流发电机进行并联运行实验时发现，当有一 台交流发电机还未驱动时，它仍然会和另一台并联在一起且已被驱动的发电机一 起运转，后来人们把它命名为同步电动机。1 8 8 3 年英国电气工程师j h o p k i n s o n 在电气工程协会做工作报告，认为交流发电机理论上可以用作电动机来进行能量 的传递。 但是在电机未起动时，交变的电枢电流会引起转子转矩的交变，导致同步电 机无法产生有效起动转矩，因此，需要一个专门的、复杂的起动设备，才能把同 步电机带入同步速。这个先天的缺陷阻碍了同步电机的发展，直到同步电机自行 起动手段的最终实现，才使得同步电机得到了推广和应用。同步电机自行起动方 法最初是由感应电机的发明者n t e s l a 在1 9 8 8 年提出的，仿造感应电机的鼠笼 转子原理，在同步电机的凸极顶端放置阻尼绕组，起动时阻尼绕组中的感应电流 与磁场相互作用产生电磁力，起动完成后阻尼绕组不再起作用了。但是由于传统 第一章绪论 感应电机制造上的习惯优势，致使同步电机的制造一直不受关注。直到1 9 1 2 年， c t h i b b a r d 看到了在低速运转的压缩机上应用同步电机替代高速运转的感应电 机的潜力。制冰厂、冷库、食品加工处理厂、包装厂和酿酒厂的压缩机一般运行 在7 2 r m i n 的低速状态，而同步电机能够在较大范围的同步速度下运行，且具有 较大的能量转换效率，同步电机的定、转子气隙较大，机械加工方便，可以直接 把凸极转子装在压缩机的轴上，从而取消了轴承和调速轮。而感应电机由于气隙 小，低速时功率因数低，很不实用。同步电机得到大力推广的另一个重要因素是 电力部门对生产厂家功率因数的要求，当同步电机设计成过励磁状态时，能够工 作于超前功率因数，提供的磁化电流可以补偿其它负载的滞后功率因数。 永磁同步电机的发展与永磁材料工业的进步和发展密切相关。1 8 3 1 年发明 的世界上第一台电机其实就是永磁电机，但是，由于采用的天然磁铁的磁性能太 差，电机的磁能积不足而很快被电励磁电机所取代。二十世纪二十年代，美国 g e 公司利用铁氧体磁钢研制出一批微型永磁同步电机，但功率太小、不实用。 三十年代，美国贝尔实验室诞生了人工永磁材料，即铝镍钴合金，使永磁材料的 发展进入了一个全新的阶段，人们开始使用这种新型永磁材料制造实用的永磁电 机。五十年代出现的铁氧体永磁材料，到六十年代才在电机中得到大量应用。六 十年代又发明了高性能稀土永磁材料，特别是八十年代出现了钕铁硼( n d f e b ) 稀土永磁材料，极大地推动了永磁同步电机的研制和开发。德国s i e m e n s 公司经 过十几年的努力，研制成功了用于交流调速系统的i u a 3 系列永磁同步电机。在 同步电机中用永磁体取代传统的电励磁磁极，取消了转子滑环和电刷，从而缩小 了转子体积，同时由于省去了激磁直流电源，而消除了激磁损耗。 永磁同步电机得以迅速推广和应用的另一个原因是电力电子技术的发展，电 力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之间的桥 梁。自1 9 5 8 年世界上第一个功率半导体开关一晶闸管发明以来，电力电子元件 已经历了第一代半控式晶闸管、第二代有自关断能力的半导体器件、第三代复合 场控器件和第四代功率集成模块i p m 。半导体开关器件性能的不断提高和成本的 大大降低，促使功率控制电路日趋完美，七十年代出现了通用变频器的系列产品， 可将工频电源转变为频率连续可调的变频电源，这就为交流电机的变频调速创造 了条件。在频率设定后变频器具有软起动功能，频率会以一定速率从零上升至设 定频率，而且上升速率可以在很大的范围任意调整，这对同步电机而言就是解决 了起动问题。对于新型自同步永磁同步电机，高性能电力半导体开关组成的逆变 电路是其控制系统必不可少的功率环节 2 1 。 永磁同步电机的快速发展还应归功于现代控制理论的发展。1 9 7 1 年，德国 学者b l a s c h k e 和h a s s e 提出了交流电机的矢量控制理论，从理论上解决了交流电 4 第一章绪论 机转矩的高性能控制问题。矢量控制理论的基本思想是在普通的三相交流电机上 设法模拟直流电机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生 磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直且彼 此独立，以便于分别调节，目前矢量控制方法已成功地应用在交流伺服转矩控制 系统中【】。由于该方法采用了坐标变换，因此对控制器的运算速度、数据处理 能力，实时性和控制精度等提出了很高的要求。近年来各种集成化的数字信号处 理器( d s p ) 发展很快，性能不断改善，软件和开发工具越来越完善，出现了专 门用于电机控制的高性能、低价位的d s p 。规模集成电路和计算机技术的飞速发 展完全改观了现代永磁同步电动机的控制，促进了电机控制技术的发展与创新。 1 1 4 低速大转矩永磁同步电机的应用前景 低速大转矩伺服系统广泛应用于电梯、电动车辆、重型机床、船舶、冶金和 航空航天等领域，其中以永磁同步电机作为驱动设备的低速大转矩伺服系统具有 其他传动系统无法比拟的优越性能。 1 电梯曳引系统中的应用 随着电梯使用的普及，人们对电梯系统的要求越来越高，而电梯系统的性能 在很大程度上取决于电机性能及其采用的控制模式，所以选择理想的电机结构和 控制模式对于电梯的理想运行起到举足轻重的影响。对于乘坐者而言，要求电梯 能够具有乘坐安全、舒适、平层精度高、振荡小等特点；对于电梯使用单位而言， 还要求电梯能够具有节能效果好、成本低、效率高、维护方便以及空间占据体积 小等特点。永磁同步电机由于其结构和控制方法的优越性，不仅很好地满足了这 些要求，而且可以实现无齿轮低速传动，真正做到无机房操作，因此永磁同步电 机已经成为电梯市场新的热点和主流研究方向。 日本三菱公司首先在电梯曳引机上使用永磁同步电机，采取了有效措施抑 制高次谐波以降低转矩脉动，提高了运行性能。日本通力公司开发了永磁盘式无 齿轮曳引机，应用于小机房电梯。美国奥的斯公司推出的g e n 2 系统涵盖了曳引 轮直径仅1 0 0 m m 的永磁无齿轮曳引机及伺服变频控制技术。德国威特集团、德 国阿比特、意大利蒙特纳利集团均推出了各自的永磁同步曳引机，由紧凑的永磁 同步电机、制动器和曳引轮组成。东芝公司外旋转无齿轮永磁同步电机曳引机的 曳引轮与电机合为一体，实现了小型化、轻量化。德国巴伐利亚电梯设备公司的 h o u s e 2 0 0 0 型无机房电梯，采用无齿轮交流永磁同步外置转子结构，拖动方式为 变频控制。国内方面，宁波欣达公司、北京华滨自动控制技术公司、山东百斯特 电梯有限公司、常熟曳引机厂、北京名正维元公司及沈阳蓝光公司都在进行永磁 同步无齿轮曳引机的研制p j 。 第一章绪论 2 电动车辆中的应用 普通燃油汽车排放的尾气对人类健康和人们生活构成了严重威胁，具有零污 染排放的电动汽车逐渐被重视起来，各国都制定了相关的鼓励政策。虽然电动汽 车经历了漫长的发展岁月，但是从资源的角度和今后发展状况看，电动汽车颇具 生命力。随着社会的发展，氢燃料电池中氢的提取、储存和社会供应等技术难题 会逐渐解决，电动汽车将会成为二十一世纪的重要交通工具。各大公司都己建立 了电动汽车批量生产的总装配生产线。戴姆勒一克莱斯勒、通用、福特、丰田、 本田等公司的电动车路试工作已结束，2 0 0 2 年将投入商业化生产。预计到2 0 1 0 年，世界燃料电池汽车的年产量可达1 0 0 万辆，占世界汽车总产量的1 左右。 永磁同步电机由于体积小、重量轻、效率高、功率因数高、结构简单、可靠 性高等一系列优点，以及调速范围宽、起动转矩大、振动噪声低等优良性能已经 成为电动车辆首选驱动电机，日本已经将永磁同步电机应用于低地板电动车、独 立车轮式电动机和可变轨距电动车上，德国和法国也在高速动车组和低地板车上 采用永磁同步牵引电机睁8 1 。 早在八十年代我国就已提出并着手发展电动汽车。目前，中科院电工研究所、 哈尔滨工业大学、清华大学、华中理工大学、沈阳工业大学、香港大学等大专院 校与一汽、二汽以及上海、北京等地的一些生产厂家合作开发电动车辆，其中很 多电动车采用了永磁同步电机作为驱动电机。2 0 0 2 年，哈尔滨工业大学研制了额 定功率2 0 k w 的混合电动车驱动用永磁同步电机，一汽的红旗牌混合动力轿车采 用了哈工大研制的永磁同步电机作为驱动电机；二汽与中科院合作研究的混合动 力轿车也采用了永磁同步电机；郑州华联电动车辆研究所研制成功的四人座电动 轿车采用了额定功率为l o k w 的永磁同步电机，电机过载能力为4 倍。 3 数控机床伺服系统中的应用 在重型机床伺服系统中，由于加工所用刀具、被加工零件材质以及零件加工 要求的变化范围很广，要求进给速度能在很大的范围内变化，其位置伺服系统的 定位精度一般要求很高。响应快慢反映了系统跟踪精度的高低，且直接影响加工 精度的高低和加工表面质量的好坏。这就要求伺服系统跟踪指令信号的响应要 快，即过渡过程的前沿要陡，斜率要大。数控机床的进给系统常在相对较低的速 度下进行切削，故要求伺服系统低速时能够输出大的转矩，防止出现低速爬行现 象。另外，机床伺服系统要具有较强的抗干扰能力，以保证进给速度均匀、平稳。 系统的可靠性用平均无故障时间来衡量，时间越长可靠性越好。 永磁同步电机能够很好地满足调速范围宽、精度高、响应快、低速大转矩、 稳定性和可靠性好等要求。目前，直线电机已经商品化，沈阳工业大学、浙江大 学、广东工业大学、河南理工大学、华南理工大学以及清华大学等单位对直线电 6 第一章绪论 机进行了深入研究。1 9 9 6 年清华大学开始研究机床进给用平板式永磁同步直线 电机，并进行了电机的设计、控制、性能测试及电机应用等多方面的研列9 1 。 4 轧钢机中的应用 轧钢机中低速大转矩伺服系统作为执行机构，其精确度、控制特性直接影响 产品加工质量。由于交流变频调速不仅具有直流传动的调速性能，还具有单机容 量不受限制、体积小、重量轻、转动惯量小、动态响应好、维护简单和节约能源 等许多优于直流传动的特点，因此该技术一出现即受到国内外钢铁工业和电气 传动学术界的极大关注。哈尔滨电机有限责任公司早在1 9 8 5 年就成立了交流变 频调速电机科研小组，着手对这种新电机的电磁设计方法、控制原理和结构特点 等进行研究。经过三年努力，于1 9 9 3 年试制成功了我国首台大型轧钢用2 5 0 0 k w 交交变频调速同步电机l l 。 5 船舶推进系统中的应用 船舶推进系统采用低速大转矩伺服系统提供转矩，其性能和功率直接影响船 速和排水量。德国西门子公司于1 9 8 6 年完成了1 1 0 0 k w 、2 3 0 r m m 交流永磁同步 推进电机；另外，1 7 6 0 k w 永磁同步推进电机装于u 一2 1 2 潜艇试用，其长度和有 效体积与传统的直流推进电机相比减少4 0 ；目前研制的永磁同步电动机最大功 率为1 4 m w 、转速1 5 0 r m i n ，用于s s p 吊仓式电力推进系统中。瑞士b b c 公司 1 9 8 6 年为瑞典潜艇设计了1 5 0 0 k w 、1 8 0 r m i n 永磁同步推进电动机，公司已经建 造了超过3 0 0 艘的电力推进船舶，最大安装容量达到了2 1 9 m w ，其研制的 4 0 0 k w - 3m w 永磁同步电机用于“c o m p a c t a z i p o d ”吊仓式电力推进系统。美国 1 9 9 1 年制定了潜艇电力推进系统的专项开发计划，研制2 5 0 0 0 轴马力永磁同步 推进电机，作为该电机缩比样机的3 0 0 0 轴马力永磁同步推进电动机已完成全部 试验；同时开始综合电力系统全电力推进动力系统结构的全电力船的水面舰船研 究，在s c 2 1 舰上装有1 9 5 0 0 k w 高效永磁推进电机，1 9 9 6 年开始组装，1 9 9 8 年 取代原有电动机。英国1 9 9 6 年展出了“海航号轻型隐身护卫舰设计模型，该 舰装有两台2 1 0 0 0 k w 永磁电机在巡航或隐身时直接驱动螺旋桨。法国热蒙工业 公司1 9 8 7 年研制了4 0 0 k w 、5 0 0 r m i n 永磁同步电机样机，与直流电机相比，体 积减少了4 0 ；1 9 9 6 年，1 2 相、1 8 0 0 k w 、1 8 0 r m i n 永磁推进电机及控制装置已 完成研制及所有的实船试验1 1 1 1 。 目前，我国已生产电力推进船舶的厂家有：上海爱德华船厂和广东广船国际 股份有限公司，采用西门子的s s p 吊舱式电力推进系统；烟台船运公司选用了阿 尔斯通公司的m e r m a i d 推进系统；烟大线渡船采用a b b 公司的a z i p o d 推进器；中 国船舶工业总公司和中国水产科学研究院为北京颐和园管理处建造的太和号游 船采用交流变频推进方式。 7 第一章绪论 6 潜艇中的应用 潜艇中可采用低速大转矩伺服系统作为推进系统，其性能直接影响航道、静 音等关键指标。潜艇推进电机的发展趋势是大容量、高转矩、低噪声、宽平滑调 速区、体积小、重量轻、安全可靠和可维性好等特点。由于永磁同步电机体积小、 重量轻、噪声低、效率高，特别是在低速工况下，效率比常规直流电机高很多， 且结构简单、可靠性高、维护简便，应用于潜艇电力推进系统极具优势。同时， 现代电力电子技术在器件、电路及其控制技术方面，向着集成化、高频化、全控 化、数字化等方向发展，为永磁同步电机及其控制系统用于潜艇电力推进系统提 供了技术基础 1 2 - 1 3 j 。 1 9 8 6 年德国西门子公司研制成功采用衫钻永磁材料的6 相、1 1 0 0k w 、 2 5 0 r m i n 的永磁同步电机及其控制系统，对该推进系统作了对比航行试验。试验 表明，在保持电机的密度和高度不变的情况下，电机的总重量、有效体积减少 4 0 ；在额定功率和额定转速时，该型电机的损耗比直流电机低2 0 ；在2 0 额 定转速和1 0 额定功率时，永磁同步电机的损耗比直流电动机约低4 0 。德国今 后将首先采用永磁电机作为潜艇推进电机，并计划在新一代2 1 2 潜艇上使用，其 额定功率为6 5 m w 。1 9 8 6 年瑞士b b c 公司与德国一家电机公司一起为瑞典潜艇设 计了一台功率为1 5 0 0k w 的永磁同步电机及其控制系统，其运行电压范围为直流 2 8 5 6 5 0 v ，转速为1 8 0r m i n 。由逆变器、控制设备和开关组成的电力电子组件 布置在电机座内，这样，既可节省空间又减少电磁干扰，各电力电子组件完全独 立，电源由潜艇蓄电池经电机上的两条直流母线供给。定子绕组可以组合，在大 约2 0 正常航速时这些绕组串联连接，5 6 的逆变器断开，使电力电子组件的损耗 减到最小。这样，可使低速时效率接近正常转速时效率。试验表明，在整个速度 范围内的效率均高达9 0 左右。 7 雷达中的应用 二十世纪八十年代，伺服电机的结构及其永磁材料的研究有了突破性进展， 出现了无刷直流伺服电机和交流伺服电机等多种新型电机。其中，永磁同步电机 与其他电机相比，具有体积小、重量轻、输出转矩大、功率密度高、转动惯量小 以及抗恶劣环境能力强等优点。美 蚕a n t p q 2 7 精密跟踪雷达是一种单脉冲、精 密跟踪雷达，无人管理，其内部使用的角度伺服电机就采用永磁同步电机。 我国早已应用数字控制交流伺服装置，根据同步电机的运行机理，对雷达天 线进行控制，其中t y d 系列永磁同步电机为应用广泛的控制电机。武汉华中数 控股份有限公司的g k 6 、g k 7 系列交流永磁同步伺服电机成功应用于雷达领域。 2 0 0 4 年人民解放军某部队研制了炮瞄雷达远程导引数字伺服系统，其伺服机构 应用了s s - 4 0 5 永磁同步电机进行控制推进，具有结构简单，不易出现误动作， 第一章绪论 性能安全可靠，能够精确地对火控雷达和火炮进行远程导引等特点。 8 航天器中的应用 大多数航天任务要求空间发动机有多次起动能力，这是与大推力火箭发动机 的主要区别之一。多次起动的发动机与相同工作时间内连续工作的发动机相比， 可靠性要求更高，对空间环境的适应能力要强。为此，推力室的点火个关键问题， 如果采用自燃推进剂，就不需要点火装置。然而，在空间的低温环境中，推进剂 的自燃性会受到损害；在真空环境中，起动点火，可能发生推力室压力激烈的波 动，从而会给飞行制导系统造成严重的负担。另外，航天器常常要求空间发动机 具有在一定程度上的推力调节功能，即变推力功能，这是与大推力发动机的另一 个差别。例如：“阿波罗登月舱的降落发动机，需能连续地在4 7 0 千克- 4 7 0 0 k g 范围内改变推力，以便绕月飞行、选择降落地点和降落至月球表面。永磁同步电 机具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高、转矩重量比高、转 动惯量低、易于散热、易于保养和维修等优点，因而应用范围极为广泛，尤其是 在要求高控制精度和高可靠性要求的场合，可以应用于航空航天领域。 2 0 0 7 年，浙江大学设计了复式永磁电机，由中国航天科工集团制造，该电 机是航天科技与特种电机的完美结合。它是一台三维合力的复式永磁同步电机， 具有大扭矩、低转速、效率高、功率因数高、噪音小、温升低、寿命长等特点。 德莱普电机制造有限公司生产的y w - 3 系列交流永磁同步电机不仅具有结构简 单、运行可靠和发热小等优点，还具有体积小、重量轻、损耗小、效率高等显著 特点，可以实现传统电励磁电机所难以达到的高性能，已成为新一代航空、航天、 航海用各种电机的主要发展方向。 1 2 永磁同步电机分析设计技术的发展 1 9 5 4 年r m s a n d e r 提出把计算机用于辅助电机设计计算，1 9 5 6 年c q v e i n o t 将计算机实际应用到电机设计领域，从电机c a d 技术宣告产生至今已有五十年 的历史，它的发展总的来说可以分为三个阶段：设计分析阶段、综合设计阶段和 优化设计阶段。从电机c a d 技术产生至六十年代初期属于设计分析阶段，在该 阶段，主要用计算机代替计算尺进行高速计算，在给定电机尺寸后，逐项进行电 机的性能校核计算，然后根据校核结果人为调整设计参数，直到得到满意的结果。 随着计算机技术的发展，六十年代中期，出现了一些自动设计程序，此阶段的电 机c a d 程序不仅能完成设计校核计算功能，还能够自动按要求对设计参数进行 调整，重复计算，直至符合给定要求，这标志着电机c a d 由设计分析阶段向综 合设计和优化设计阶段的跨越。八十年代以后，计算机软硬件性能的不断提高， 9 第一章绪论 使得电机c a d 技术的应用范围不断扩大，由原来的电磁设计扩展到包括性能分 析、方案设计、优化设计以及计算机绘图的整个电机设计过程。 以最小的成本获取最大的效益，始终是人们追求的目标，同时考虑成本和效 益这两个优化目标，就构成了一个多目标的优化问题。电机的优化设计是借助计 算机，从预定的优化目标( 成本、效率、体积、功率、重量等) 出发，在满足规 定的性能要求的前提下，根据电机设计的数学模型，运用数学规划中的最优化理 论，寻求一个设计方案，使电机的优化目标达到综合最优化的电机设计技术。传 统电机优化设计方法基于设计变量可微的假设，通过数学建模用全局优化理论求 解最优设计，主要包括直接搜索法和随机搜索法两种寻优模式。虽然传统优化设 计策略在指导电机设计的实践中已经取得了一定成果，但是由于电机优化设计目 标函数和约束条件的高度非线性，仍然存在优化结果对初始解的选取依赖性强、 算法容易过