（电机与电器专业论文）三相永磁开关磁链电机的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 存在一定的齿槽转矩，在6 5 结构的电机中，有明显的径向力存在。齿槽转矩与 径向力的存在都是对电机的运行不利的，在减小电机反电动势不大的情况，本文 研究了用电机转子适当角度的斜极来减小或消除齿槽转矩与径向力。 最后试制了样机，并对样机进行静态和稳态运行实验，实验结果与有限元分 析结果基本一致，从而验证了用有限元分析来对永磁开关磁链电机这种新型特殊 结构的电机进行优化设计的可行性。实验同时还证实了6 5 结构电机的电磁性能 明显优于6 4 结构的电机，与有限元分析相吻合。 关键词：永磁双凸极电机，永磁开关磁链电机，有限元，齿槽转矩，径向力，反 电动势，转子斜极 鸣谢： 本项目受下列基金资助： 浙江省自然科学基金( y 1 0 4 4 4 2 ) ：超高速永磁无刷电机拓扑结构与控制策略研究 教育部留学回国人员科研启动基金：超高速永磁开关磁链电机的研究 留学人员科技活动项目择优资助经费：汽车用无刷开关磁链电机的研究与开发 i i 浙江大学硕士学位论文 n o v e lp md o u b l y - s a l i e n tm o t o r sd e v e l o p e df r o ms w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o rh a v eb e e ne x t e n s i v e l ys t u d i e ds i n c et h es w r c h e dr e l u c t a n c em o t o r w a si n v e n t e d t h e s ed o u b l y s a l i e n tm o t o r sh a v ec o i l sa n dm a g n e t si nt h e s t a t o r , b u tn o ti nt h er o t o r t h e r e f o r e ，t h em o t o rs t r u c t u r ei sv e r ys i m p l e ，a n d m a n u f a c t u r ec o s ti sl o w a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e mp o w e r e l e c t r o n i c st e c h n i q u e s ，c a da n dm i c r o c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n i q u e s ，t h e p r o b l e m so nt h et o p o l o g y , c o n t r o la n dd r i v ed e s i g no ft h ed o u b l y - s a l i e n t m o t o r sh a v eb e e ns o l v e de f f e c t i v e l y t h ep mf l u x s w i t c h i n gm a c h i n e ss t u d i e di nt h i st h e s i s ，w h i c hh a v ea m a g n e ti m b e d d e di ne a c hs t a t o rt o o t h ，c o m b i n et h em e r i t so f b o t hs w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o ra n dp mm o t o ls u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，r o b u s t n e s s ，f a u l t t o l e r a n c e ，h i g he f f i c i e n c y , e t c i na d d i t i o n ，t h ed i s a d v a n t a g e so f t h es w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r s ，s u c ha sc o m p l i c a t e dc o n t r o l ，a c o u s t i cn o i s ea n dv i b r a t i o n ， a r e e f f e c t i v e l y o v e r c o m e i nt h ep mf l u x - s w i t c h i n g m a c h i n e s ，t h e p m e x c i t e df l u xa l w a y se x i s t sa n dh a sac o n s t a n td i r e c t i o ni nt h em a g n e t h o w e v e r , t h ef l u xp a t hc h a n g e sw i t ht h er o t o rp o s i t i o n ，r e s u l t i n gi nv a r i a t i o n o fb o t ha m o u n ta n dd i r e c t i o no ff l u x - l i n k a g ei nt h e s t a t o rc o i l ，a n dt h u s i n d u c i n gb a c k e m f t h em a c h i n e sc a nb ed r i v e na sab l d co rb l a c m a c h i n e t h ep h a s eb a c ke m f , c o g g i n gt o r q u e r a d i a lf o r c eo ft h ep m f l u x - s w i t c h i n gm a c h i n e sa l ec o m p u t e dw i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e i nt h e o p t i m a ld e s i g n t h ef e ar e s u l t so ft h em a c h i n e sw i t hd i f f e r e n t g e o m e t r i cv a r i a b l e s s u c ha ss t a t o r p o l e a l ea n dr o t o rp o l ea r c a r e c o m p a r a t i v e l ys t u d i e d s o m et o p o l o g yg e o m e t r i cv a r i a b l e sa r eo p t i m i z e di n o r d e rt oe n h a n c et h em a c h i n ep e r f o r m a n e t h e r ea r et w od i f f e r e n ts t r u c t u r em a c h i n e ss t u d i e di nt h i st h e s i s ，v i z 。 1 1 1 浙江大学硕士学位论文 s t r u c t u r e6 4a n ds t r u c t u r e6 5 c o g g i n gt o r q u ee x i s t si nb o t hm a c h i n e s ，a n d u n b a l a n c e dr a d i a lf o r c ee x i s t si nt h e6 5m o t o r t h e s ea l eh a r m f u lt ot h e m a c h i n e sp e r f o r m a n c e ，s or o t o rs k e w i n gi su s e di no r d e rt or e d u c eo r e l i m i n a t et h ec o g g i n gt o r q u ea n dr a d i a lf o r c e f i n a l l y , t h em a c h i n e sa l ep r o t o t y p e d ，w i t has a m es t a t o ra n df o u r d i f f e r e n tr o t o r s ，t h es t a t i ca n ds t a b l eo p e r a t i o np e r f o r m a n c e so ft h e p r o t o t y p e s a r et e s t e d t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a g r e e w i t ht h e a b o v e m e n t i o n e df e ar e s u l t s i ti ss e e nb o t hi ne x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n d f e ar e s u l t st h a tt h e6 5m a c h i n eh a sam u c hh i g h e rb a c ke m fc o e f f i c i e n t a n df e w e re m fh a r m o n i c st h a nt h e6 4m a c h i n e ，i n d i c a t i n gas u p e r i o r t o r q u ec a p a b i l i t y k e yw o r d s ：p md o u b l ys a l i e n tm o t o r , p mf l u x - s w i t c h i n gm a c h i n e ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，c o g g i n gt o r q u e ，r a d i a lf o r c e ，b a c ke m f , r o t o r s k e w i n g 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 提要：本章介绍了课题的目的和意义；综述了双凸极电机的发展与研究状况； 最后介绍了本文的主要研究内容及章节安排。 1 1 课题的目的及意义 随着现代功率电子技术、计算机辅助设计及微机控制技术的发展，近年来科 研技术人员对具有结构简单、鲁棒性好、可靠性高等诸多优点的双凸极变磁阻电 机进行了深入广泛的研究。同时，永磁电机由于其高性能和高效率也受到越来越 多的关注。永磁开关磁链电机( p e r m a n e n tm a g n e tf l u x s w i t c h i n gm a c h i n e s ，简称 p m f s m ) 结合这两种电机的优点，它有效地消除了变磁阻电机控制复杂、噪音 振动大等缺点。永磁开关磁链电机的定、转子采用双凸极结构，由硅钢片叠压而 成，与传统电机不同之处是转子上没有任何形式的绕组、永磁体、滑环等，定子 上有内嵌于定子齿内的永磁体和简单的集中绕组，绕组端部较短。因此永磁开关 磁链电机结构与控制简单、坚固、能量密度高、运行时可靠性高、维护量小、效 率高，同时具有良好的弱磁扩速能力 h o a 9 7 ， n o a 0 0 。永磁开关磁链电机相对 于开关磁阻电机( s r m ) 还有一个非常突出的优点，就是，电机可以用普通的 无刷直流( b l d c ) 或无刷交流( b l a c ) 电机的驱动方法进行驱动，控制比较 简单，拥有很好的电磁性能。此外，永磁开关磁链电机各相互相独立，在缺相情 况下仍能可靠运行，容错能力强，同时它又克服了开关磁阻电机噪音振动大的缺 点，从而非常适合一些有特殊要求的场合，在汽车和航空航天工业中得到广泛应 用。 s e r a u c h 等人第一次提出了永磁开关磁链电机的概念 r a u 5 5 1 ，他们分别提 出了定子4 齿转子2 齿( 4 2 ) 和定子4 齿转子6 齿( 4 6 ) 两种结构的单相永磁开关 磁链发电机，如图1 1 ( a ) 和( b ) 所示。这种发电机被应用于航空领域使相关 设备小型化提高整体效能，尤其适合作为导弹制导系统的电源部分。e m m a n u e l h o a n g 等人提出了一种应用于飞机燃油呼吸器用的三相永磁开关磁链电动机 h o a 9 7 ，但是电机的极数较多，如图1 1 ( c ) 所示，仅适合较低速运行。本文提 浙江大学硕士学位论文 出了两种结构的永磁三相开关磁链电动机可用于中速或较高速运行。 本文的主要目的就是通过理论分析、有限元优化设计及样机试验，研究新型 永磁开关磁链电机的基本工作原理，分析电机的各种电磁特性及优化电机的设计 参数，并通过样机试验验证理论分柝与有限元优化设计的合理性。 ( a )( b )( c ) 图1 - 1 传统永磁开关磁链电机的截面图 ( a ) 4 2 结构单相反电机，( b ) 4 6 结构单相发电机，( c ) 低速三相电动机 1 2 双凸极电机的研究概况 现代社会中，随着电气化程度的全面普及，电能已经成为使用最广泛的能源 之一。电机作为一种机电能量的转换装置，在社会经济生活的各个领域占有相当 重要的地位。基于不同工作原理的电机形式有很多种，按照转矩产生的机理来划 分，可将电机分成两大类：( 1 ) 电磁式：( 2 ) 变磁阻式。电磁式电机是通过定转 子上绕组或永磁体产生的两组磁场的相互作用而产生电机转子运动的，目前广泛 使用的异步电机、同步电机等都是这种类型的电机；变磁阻式电机是根据磁阻最 小原理来工作的，当电机工作时，转子会根据磁阻最小原理来改变定转子之间的 气隙大小，从而达到转子转动的目的，变磁阻式电机由于希望有比较大的磁阻变 化率，所以大多以双凸极电机的形式出现。最典型的代表就是开关磁阻电机 ( s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e ，简称s r m ) ，其他双凸极且转子不含绕组或永磁 体的电机都是从s r m 的基础上改进和衍生出来。它们共同的特点是：结构简单； 绕组或永磁体只设置在定子上，转子上不设线圈或永磁体；转子直接由冲片叠压 浙江大学硕士学位论文 而成，制作工艺较简单，生产成本相对较低。当然存在一些缺点：换相操作相对 复杂；电机磁场存在严重的非线性：调速控制较为复杂。限于电机本身的一些特 点和先前的技术条件，双凸极变磁阻电机一直没有得到实质性的发展和推广应 用。一直到近期，随着现代功率电子技术、计算机辅助设计及微机控制技术的发 展，双凸极变磁阻电机的控制和功率驱动等技术难题才得到有效的解决，从而掀 起了一股双凸极变磁阻的研究热潮。双凸极变磁阻是一种很有发展前途的电机形 式，相信在不久的将来会有更多的突破。 1 2 1 开关磁阻电机及其改进 新型双凸极电机是随着功率电子学和微电子学的飞速发展在2 0 世纪8 0 年代 出现的一种崭新的机电一体化可控调速系统。该系统是由新型双凸极电机、功率 变换器、位置传感器、控制器四部分组成。英国l e e d s 大学p j l a w r e n s o n 等 人于2 0 世纪8 0 年代初共同提出并得到国际公认的开关磁阻电机，催生了近2 0 多年来全世界对新型双凸极电机研究的热潮。在短短的二十多年时间里，世界各 地的研究人员在原有的开关磁阻电机的基础上，进行了一系列的改进和创新，发 明了多种性能优良的新型电机，取得了丰硕的成果。开关磁阻电机是新型双凸极 电机中最简单，也是最早被研究的电机，现在已经在工农业生产中得到了实际的 应用，它具有很好的鲁棒性和很强的容错能力。开关磁阻电机结构简单，但驱动 电路和控制电路比较复杂。开关磁阻电机基本工作原理如下：根据设定的转速和 机械负载情况，控制器通过计算给出相应的控制电流，根据位置传感器提供的位 置信号适时地给出定子绕组的换相控制信号，使电机能够有序地稳定运行。调速 系统是一个闭环系统，实时地根据实际的转速进行电流大小的数值计算和调整， 以保证电机转速的稳定，图1 2 给出了典型的6 4 结构的开关磁阻电机截面图。 由于开关磁阻电机在导通角处给某项绕组通电后，电流不可能瞬间变成所需 恒定的值，就是说在给绕组通电后会有一个短暂的“充电”过程，同样的道理， 在关断绕组供电后电流也不可能瞬间变为零，而是存在一个短暂的“放电”过程， 因而开关磁阻电机拥有很大的转矩脉动和机械噪声。开关磁阻电机由于其结构影 响为一种单极性运行的电机，因而电机绕组的利用率比较低。对于开关磁阻电机 为了达到最好的产生转矩能力相电流的快速开通与关断显得很重要，由于在电感 浙江大学硕士学位论文 最大位置处，相电流会变得比较难关断，因而我们往往在电感最大位置之前的某 处关断相电流，因而更加降低了绕组的利用率。电机输入的总电磁能量并没有全 部转换为机械转矩输出，其中一部分能量通过续流二极管返回到了电源，与此同 时还伴随着负转矩的产生，大大影响开关磁阻电机的运行性能。 图卜2 三相6 4 结构的开关磁阻电机截面图 由于磁场能量不可能瞬间突变，如果能把通过续流二极管返回电源的能量保 留在电机内部并加以利用，就可以比较理想地解决上面提到的问题。f l i a n g 等人提出了一种带辅助换向绕组的变磁阻电机 l i a 9 4 ，这种电机在传统的三相 6 4 开关磁阻电机的基础上增加一个d 相绕组，如图卜3 所示。为了解决上面的 问题，d 相绕组满足如下要求：( 1 ) 为了在关断后能够快速的吸收存余的能量， d 相绕组必须和a 、b 、c 三个短距集中绕组有很好的耦合；( 2 ) 为了防止产生负 转矩的可能，d 相绕组的自感应该不随转子位置改变；( 3 ) d 相绕组应该有一种 把存余能量转换为机械能或传到下一相短距集中绕组的机理。 这种新型的带辅助换向绕组的开关磁阻电机相对于传统的开关磁阻电机在 继承了价格低廉、鲁棒性好、高扭矩惯量比等优点外，还具有在同等换流器条件 下具有更高的能量输出，在相同的线电压情况下具有更高的转矩输出，在相同的 能量输出时具有更高的效率等特点。当然也存在一些缺点：需要更多的绕组铜线； 具有更大的转矩脉动；由于强绕组耦合的存在电机的可靠性有所降低，容错能力 浙江大学硕士学位论文 下降。由于d 相绕组的存在，从而影响了整个电机的齿槽利用率，为了解决这 个问题s h l i 等人另外提出了一种双凸极双励磁的变磁阻电机【l i 9 5 a ，如图l - 4 所示。 图1 3 带辅助换向绕组的开关磁阻电机截面图 图1 - 4 双凸极双励磁的变磁阻电机截面图 电机中两整距绕组和两短距集中绕组两者有异曲同工之妙，此外此电机工 作过程和机制基本与带辅助换向绕组的开关磁阻电机相同。这种电机继承了带辅 浙江大学硕士学位论文 助换向绕组的开关磁阻电机优缺点，但是电机的齿槽利用率得到明显地提高。对 于整距绕组其转矩的产生机理是由绕组间的互感变化产生的，因为其自感为常 值。由互感变化产生的转矩方向跟绕组电流的方向有关系；而传统的开关磁阻电 机的由自感变化产生的转矩方向与绕组电流的方向无关。因而整距绕组可以提高 开关磁阻电机的绕组利用率，从而提高电机的性能。b c m e c r o w 等人提出了一 种新型绕组方式的开关磁阻电机 m e c 9 6 ，【m e c 0 1 ，各项绕组全部使用整距绕组， 如图1 5 所示。这种结构的电机不管绕组是通单向电流或双向电流都可用两两导 通的方式进行驱动，电机绕组的利用率相对于传统的开关磁阻电机有很大的提 高。由于绕组的利用率得到很大幅度的提高，所以在相同换流器条件下，电机的 功率输出明显增加；相同转矩输出的情况下，损耗明显降低。但是绕组铜线用量 增加，电机的容错性降低，转矩脉动明显增大，对于这种新型电机还有很多的研 究工作要做。 图1 5 整距绕组的开关磁阻电机截面图 1 2 2 带直流励磁开关磁阻电机 上节介绍的开关磁阻电机有一个共同的特点，就是电机的每一相只有一个绕 组，具体来说这个绕组同时分担了电机的励磁绕组和电枢绕组两个角色。鉴于以 上考虑，有一种新型的电机结构被提出，d w j p u l l e 提出了8 6 结构分离绕组开 浙江大学硕士学位论文 关磁阻电机( s p l i tc o i ls w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，简称s s w r ) 【p u l 8 8 】，图1 - 6 给 出了分离绕组的三相6 4 结构开关磁阻电机截面图。这种新型的分离绕组开关磁 阻电机把传统的开关磁阻电机的相绕组分成两个绕组，一个绕组通以恒定的直流 电作为励磁绕组，另一绕组则通以变化电流作为电枢绕组。这种电机可以有两种 不同的运行方式，电枢绕组通以单极性电流或双极性电流两种形式。由于此电机 的励磁绕组f 采用的是短距集中绕组，所以它对绕组铜线的浪费比较严重，图 1 - 6 电机的励磁绕组f 可以等效成为一个整节距绕组。yl i 等人提出了一种带直 流辅助励磁的开关磁阻电机( t h es rm o t o r 谢t l ld ca s s i s t e de x c i t a t i o n ，简称 s r d c ) l i 9 6 1 ，电机的截面图如图1 7 所示。图1 7 所示电机的励磁绕组为整距 绕组，根据电机的结构可知图1 7 电机和图1 - 6 电机等效，但是此电机大大的节 省了电机励磁绕组铜线的用量，减少了损耗。上述两种电机单极性电流产生的转 矩有两部分组成( 1 ) 绕组自感的变化产生的转矩( 2 ) 绕组互感的变化产生的转矩； 而双极性电流产生的转矩只有绕组互感的变化产生的转矩，因而在同单极性电流 时电机的可靠性更强。新型电机通单极性电流时为单相限运行，通双极性电流时 为两相限运行，相对于传统的开关磁阻电机其转化的输出能量明显提高，电机的 性能得到大幅提升。 图卜6 分离绕组的三相6 4 结构开关磁阻电机截面图 浙江大学硕士学位论文 图1 7 三相6 4 结构的s r i ) c 截面图 这种带有直流励磁绕组的开关磁阻电机是一种新型的电机，它继承了开关磁 阻电机的优点，同时又带来了功率密度高、运行性能好等优点，在小型高能量的 应用场合显得相当的受用。尤其是在电机高速运行时，电机的性能相对于传统的 电机有非常大的提高，与此同时，由于电机能够比较方便地得到代表转子位置的 电压值，这种电机做无位置传感运行控制比较方便。以上两种电机还有短距集中 绕组，因而绕组的利用率达不到1 0 0 ，那如果有不含短距绕组的带励磁绕组的 开关磁阻电机，它的利用率可能会达到1 0 0 。图1 5 所示电机的绕组电流双极 性运行其中绕组有3 3 3 时间里没有被利用，如果在绕组这段时间内通以相应的 电流就可以作为励磁绕组，这样整个电机运行过程中都将有励磁绕组，只不过这 里的励磁绕组由三个绕组在时间上平均分担的，而且励磁时绕组中的电流是正反 交替出现的。从结构上来讲这个电机并没有把开关磁阻电机的线圈分离为励磁和 电枢两个绕组，还是每相只有一个绕组的；但从运行机理上来讲这是一个带有励 磁绕组的开关磁阻电机，由于相绕组是整节距绕组的原因，固定不变的绕组不能 成为其励磁绕组，只是正好没有利用的相绕组充当了这个角色。此电机的这种运 行方式输出转矩比较大，但是有个明显的缺点就是转矩脉动明显加大了，在控制 要求比较高的场合不是很适用。 还有一种带有励磁绕组的开关磁阻电机开关磁链电机( f l u xs w i t c h i n g 浙江大学硕士学位论文 m o t o r ，简称f s m ) ，它可以看作是开关磁阻电机和感应电机的复合体。c p o l l o c k 等人提出了单相的开关磁链电机并对其进行了深入的研究 p 0 1 9 9 ，【p o l 0 3 a ， p o l 0 3 b ，【p o l 0 3 c ， c h a 0 2 。图l 一8 给出了一个简单的两相4 2 结构的开关磁链电机，其中励磁整距绕组f 通以单极性的直流电，电枢整距绕组 a 必须通以双极性的交流电。由于4 2 结构的单向电机实用性不是太强，因而 c p o l l o c k 等人提出了一种实用型的8 4 结构的开关磁链电机，图1 - 9 ，电机在转 子处于某些位置时不能自启动，为了能够使电机自启动，改变了转子的形状，但 是电机只能单方向旋转。这种电机的控制系统只要用两个半导体功率开关和一个 微控制器就可以实现，成本比较低，在汽车行业应用比较多。相对于传统的开关 磁阻电机除了上面提到的高功率输出、高效率等优点外，电机的噪声得到了有效 的降低。开关磁阻电机运行时的噪声主要是由于电机在转子旋转过程中转子受到 径向力及其变化所造成的，开关磁链电机由于其电机结构得到改进，开关磁链电 机无论从径向力的幅值与变化率上都要比传统的开关磁阻电机要小，运行时的噪 声也较小，实验结果也证明的这一点。 图1 8 单相4 2 结构的开关磁链电机截面图 浙江大学硕士学位论文 图1 - 9 单相8 4 结构的开关磁链电机截面图 1 2 3 带永磁励磁开关磁阻电机 这几十年来，随着铝镍钴永磁、铁氧体永磁，特别是稀土永磁的相继问世， 永磁体的磁性能得到了很大的提高，许多电励磁电机都纷纷改用永磁体来励磁。 与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行 可靠，体积小、质量轻，损耗小、效率高，电机形状和尺寸可以灵活多样等显著 优点，可以实现电励磁电机难以达到的高性能。在日常工业生产中得到了广泛的 应用。与此同时，随着计算机软硬件技术的发展，电磁场有限元数值计算、优化 设计和仿真技术等现代设计方法的不断完善，经过几代科学家和工程人员的努 力，在永磁电机的设计理论、计算方法、结构工艺和控制技术等方面取得了突破 性的进展，形成了以电磁场数值计算和等效磁路解析求解相结合的分析研究方法 和计算机辅助分析、设计软件。 电机是以磁场为媒介进行机电能量转换得电磁装置，为了在电机内建立进行 机电能量转换所需的气隙磁场，可以有两种方法，一种是电机绕组内通以电流来 产生的磁场；另一种是利用永磁体来产生磁场。上面提到的带励磁绕组的电机中， 其励磁绕组都可以用相应的永磁体来替代。第一个带永磁体的开关磁链电机，是 一个单相的发电机，于1 9 5 5 年由s e r a u c h 和l ij j o h n s o n 提出的，图l - 1 ( a ) 。 此电机可以看成是由图1 8 的电机用永磁体来替代励磁绕组得到的。由于此电机 浙江大学硕士学位论文 在转子旋转的时候永磁所在磁路的磁阻变化比较大，由于稀土永磁体是导电的， 这样如果这里使用的是稀土永磁的话由于磁路磁阻的变化会在永磁体内部产生 涡流，随着转速的增大涡流损耗也会明显提高，再加上散热不佳的话永磁体很容 易退磁，很显然高磁能积的稀土永磁不适合这个电机，只能使用不导电的铁氧体 永磁体，电机相应的功率密度相对比较小。为了解决这个问题，还提出了一种 4 6 结构的单相开关磁链发电机，图1 1 ( b ) ，由于永磁体磁路上的磁阻理想上 是不变的( 实际中变化也比较小) ，因而这种结构的电机适合使用稀土永磁体， 能够做到很高的功率密度。为了使电机能自启动，可以当电动机来使用，一般对 于单相电机都是采用了改变转子结构以改变其对称性，使电机能够自动启动，此 类电机只能沿一个方向旋转。 除了改变转子对称性来使电机有自启动功能之外，研究人员也通过适当调整 定子的结构来实现单相电机的自启动问题。x i a o g a n g l u o 等人提出了一种新型的 单相双凸极永磁电机 l u 0 9 6 ，电机是从图1 1 ( b ) 的结构发展而来的，其转子不变， 定子则由两个互差4 5 度的图1 - 1 ( b ) 电机定子纵向叠加而成，如图1 1 0 所示。电 机有效的消除了由于磁阻变化引起的转矩脉动，解决了自启动问题，具有永磁机 高转矩密度、高效率、低转矩脉动等优点，但是这个电机有个很大的缺点就是轴 向长度过长、绕组铜线用量过大、相对漏磁过高。b i a nd u n x i n 等人则提出了另 外一种能自启动的4 6 结构单相开关磁链电动机b i a 9 9 ，如图1 1 1 所示，在定 子齿上使用阶梯式的气隙来得到启动转矩。这个结构也给电机带来一个缺点，永 磁体磁路上的磁阻是变化的，这样应用高能量密度的稀土永磁时电机不适合高速 运行，因为这样永磁体的涡流损耗会非常严重，同时带来的转矩脉动相对比较大； 低能量密度的铁氧永磁体对这个电机不是很适用，因为它会同时增加电机的体积 和质量，使电机的性能下降。 浙江大学硕士学位论文 图1 - 1 04 6 结构的双定子的两相双凸极永磁电机的结构图 对于这种单相双凸极永磁电机，它具有很多双凸极电机的优点：结构简单、 鲁棒性好、可靠性强；同时也具有永磁电机的优点：能量密度高、效率高、控制 性能优良。但是单相电机有一个自启动的问题，所以一般适用于做发电机。对于 研究单相永磁开关磁链电机自启动转矩这一领域已经有很多科学家做了一些研 究，也提出了几种方案，更加详细深入的研究还需要进一步努力。 单相的双凸极永磁电机由于电机结构的影响存在着一个自启动的问题，而三 相电机一般都不存在自启动问题。y u e f e n g l i a o 等人提出了一种三相的双凸极永 磁电机 l i a 9 5 ，如图1 - 1 2 ( a ) 所示，可以看成图1 7 电机的永磁体励磁版。这种电 机拥有上面提到的含永磁体双凸极电机的多种优点外，还具有惯性低反应快，转 矩脉动小噪声小等优点；但是这种电机变磁阻电机一样是一种脉动转矩电机，使 电机不适用于对转矩要求比较高的场合。由于这种新型电机的优点，使其成为现 代伺服和工业用交流电机的潜在选择，特别是对尺寸和质量要求比较苛刻的应用 场合。基于这个电机的结构，l i nm i n g y a o 等人提出了一种带永磁体的双凸极三 相1 2 8 结构的电机 l i n 0 3 ，如图1 - 1 2 ( b ) 所示，其运行机理和图1 - 1 2 ( a ) 电机类似。 y u el i 等人则提出了一种带弱磁能力的双凸极永磁电机 l i 9 5 b ，如图1 - 1 3 ( a ) 所 示，其结构从本质上讲与图2 9 ( a ) 电机类似只是多了一个场绕组线圈，由c h a u 。k t 等人提出的图1 - 1 3 ( b ) 结构的电机 c h a 0 2 b ，和图1 - 1 3 ( a ) 等效。c h a u ，k t 等人对 浙江大学硕士学位论文 这种结构的电机做了很深入的研究 g a 0 0 4 ，【c h a 0 5 ，【c h e 0 0 ， c h e 0 1 a ，【c h e 0 1 b ， 【c h e 0 3 a ，【c h a 0 3 ，【c h e 0 3 b ，其中有单相的也有三相的，加快了此种类型的电机 的理论与实际应用的发展。 图1 1 14 6 结构单相开关磁阻电动机截面图 ( a )f b ) 图1 1 2 一种带永磁体的双凸极三相电机截面图 ( a ) 6 4 结构，( b ) 1 2 8 结构 上面的永磁电机有一个共同的特点就是电机的永磁体是放在电机定子的轭 部的，把永磁体放置的位置改成为定子的齿顶我们就得到了另外一种带永磁体的 浙江大学硕士学位论文 双凸极电机磁链反转电机( f l u xr e v e r s a lm a c h i n e ，简称f r m ) d e 0 9 7 1 ， k i m 0 4 ，【w a n 9 9 ，【w a n 0 1 ， k i m 0 4 a ， k i m 0 4 b 】， k i m 0 5 ，【b 0 1 0 2 。同样单相的磁 链反转电机是没有启动转矩的，不适用于做电动机，一般只用于发电机。d e o d h a r , r e 等人在 d e 0 9 7 提出了两种单相的磁链反转电机，如图1 1 4 所示。c w a n g 等 人在 w a n 9 9 提出的三相6 8 结构的磁链反转电机，如图1 1 5 所示。由于磁路中 总是有永磁体的存在，所以磁路的磁阻较大，从而这种电机的绕组电感比较小， 电机的时间系数比较小，反应比较快。上面提到的磁链反转电机( f r m ) 每个 定子齿部表面只有一对永磁体，电机的定子齿上永磁体多余一对，一般用在低速 电机上比较多，b o l d e a ，i 等人在f b o l 0 2 v d 提出了两种基于磁链反转的低速大转矩 的伺服电机，如图1 一1 6 所示。由于这种类型的电机永磁体场能量有变化，所以 有比较大的齿槽转矩存在，为了消除这种不利的转矩，一般采用斜极的方法把齿 槽转矩减小到一个合理的水平。 磁链反转电机绕组线圈中的磁链与电流都是双极性的，为一个四相限运行的 电机，相对于开关磁链( 包括带直流励磁开关磁阻) 电机有更高的能量密度。这 是磁链反转电机的一个显著的优点。这种类型的电机的深入研究工作还在继续， 磁链反转发电机在汽车和航天工业都有很好的应用前景。在经过优化设计之后， 磁链反转电机可以得到很正弦的反电动势波形，和很小的转矩脉动，这样矢量控 制和直接转矩控制等一些常用的电机控制方法能够在这种电机上得到很好的应 用。这种类型的电机还处于刚刚起步阶段，还有很多的研究和理论工作要做。 ， ( a )( b ) 图1 1 3 带场绕组和永磁体的双凸极三相6 4 结构电机截面图 浙江大学硕士学位论文 ( a ) 图l 一1 4 单相磁链反转电机截面图 ( a ) 2 3 结构，( b ) 4 6 结构 ( b ) 图1 1 5 三相6 8 结构的磁链反转电机截面图 浙江大学硕士学位论文 ( b ) 图1 1 6 三相低速磁链反转电极 ( a ) 永磁体面贴式1 2 2 8 结构，( b ) 永磁体直插式1 2 4 0 结构 类似传统的磁链反转电机的工作原理，一种定子齿内嵌入永磁体的新型开关 磁链电机在 h o a 9 7 被提出，如图1 1 7 所示。y ic h e n g 等通过对图1 - 9 电励磁式 的单相开关磁链电机进行了永磁励磁改造 v i 0 5 ，图1 1 8 所示，并对其进行了实 验分析，电机相对于传统的电励磁开关磁链电机有控制简单，效率高等优点，是 一种非常有优势的无刷直流电机的替代品。利用同样原理的三相永磁开关磁链电 机在 h o a 9 7 ， h o a 0 0 ，【a r e a 0 5 ，【z h u 0 5 ，【h u a 0 5 被提出并分析，电机结构如图 1 1 8 7 所示。本文研究的三相永磁开关磁链电机也是属于这一类型，但几何结构 有所不同，并且极数较少，适于中、高速运行。具体情况将在下几章中进行分析。 浙江大学硕士学位论文 图1 。1 7 三相1 2 1 0 结构的永磁开关磁链电机截面图 图1 1 8 单相8 4 结构的永磁开关磁链电机截面图 1 3 本文的主要内容和章节安排 本文研究对象为两种结构的新型永磁三相开关磁链电机，对其基本原理、数 学模型、有限元优化电磁设计等进行了深入的研究，制造样机并进行试验研究与 对比，全文内容安排如下： 浙江大学硕士学位论文 第1 章论述了课题的目的和意义，综述了双凸极电机的发展和研究状况，最 后介绍了本文的主要内容及章节安排。 第2 章对新型永磁开关磁链电机的基本工作原理进行了介绍，建立电机的数 学模型。 第3 章利用有限元对两种结构的新型永磁三相开关磁链电机进行电磁分析， 通过对电机反电动势、齿槽转矩、径向不平衡力等分析进行优化设计，并通过电 机转子斜极来消除一些不利因素。 第4 章对两种结构的新型永磁三相开关磁链电机的样机进行静态特性的测 量，并与有限元分析结果进行对比分析。 第5 章对样机进行基于m l 4 4 2 5 的无传感器控制运行试验，测试电机的稳态 性能。 第6 章进行全文总结。 浙江大学硕士学位论文 第二章三相永磁开关磁链电机的原理与理论分析 提要：本章首先介绍了新型开关磁链电机的基本工作原理，建立了电机的数 学模型方程，最后从电机模型中说明电机的弱磁能力表示 2 1 三相永磁开关磁链电机的基本工作原理与结构 新型永磁开关磁链电机的基本工作原理在 h o a 9 7 中被提出，工作机理为激 磁磁通始终存在且方向不变，但是随着转子位置的变化，激磁磁通切换 ( s w i t c h i n g ) 其路径，使得定子绕组内磁链的大小和方向均发生变化，如图2 1 所示，从而产生反电动势。 图2 1 永磁开关磁链电机的工作原理 若干个图2 - 1 的单元组成了相应的开关磁链电机，从电机的基本工作原理可 知电机的定子齿数肛和转子齿数m 应满足如下关系： n r 一( 2 m + n ) n s 2 m ( 2 1 ) 式中，四一电机的相数； 力一自然数( 一般比较小) ； 一般而言，1 7 越小永磁体的利用率就越高。由于这种电机的定子极数必须为偶数， 当1 1 为0 时，满足式( 2 1 ) 的电机都是单相电机。根据式( 2 1 ) ， h o a 9 7 提出了 一个1 2 1 0 结构的三相开关磁链电机，电机极数较多，仅适合较低速运行；由于 浙江大学硕士学位论文 这种电机的定子极数必须为偶数，本文设计的是三相电机，为适合中、高速运行， 定子齿数j 选择允许的最小值为6 。当转子齿数n r 选为4 ，得到典型的6 4 结 构的三相电机；若转子齿数 选为5 ，得到不常用的6 5 结构的三相电机。根 据文 h o a 9 7 提出的原始电机模型，定子齿宽岛、槽开口宽度易和转子齿宽岛满 足如下表达式 o r = 色= 必岛 ( 2 2 ) 其中定子齿上的永磁体宽度和两侧的硅钢宽度相等都为1 3 0 , ，符合式( 2 2 ) 的 6 4 、6 5 三相电机结构如图2 - 2 ( a ) 和( b ) 所示。 i o 图2 2 新型三相永磁开关磁链电机截面图 ( a ) 6 4 结构，( b ) 6 5 结构 2 2 新型三相永磁开关磁链电机的数学模型 电机的电周期频率和电机的旋转速度满足： = 2 n f = - q 式中，m 电机的电角速度： q 电机的机械角速度： 电周期频率。 ( 2 3 ) 浙江大学硕士学位论文 2 2 1 磁路及电路基本方程 一台3 相永磁开关磁链电机，假定各相绕组结构和参数相同或对称，且忽略 铁芯和永磁体损耗，忽略饱和，可以看成是有三个电端对的机电装置。从电端对 u = 尉+ q f 盟+ 盟 ( 2 4 ) d 8 d 81 式中，泸一相电压列向量，u = 【眈以r ； 肝一绕组电阻矩阵，r = d i a g r o 毛疋】； 卜- 相电流列向量，f = k r ； 1 i j 旷一永磁体磁链列向量，甲。= p 。甲6 甲m ，】7 ； v 广一电枢磁链列向量，掣。= 【、王，。甲。甲。1 7 甲i = 甲t ( 口) ，k = 口，b ，c ( 2 5 ) 而电枢磁链v 。既是相电流i 的函数，又是转子位置角。饿j , m 数，即 t 壬，。t = l 壬，i 以口) ，t = 口，6 ，f ( 2 6 ) 因此，电枢磁链v “必须通过相电流i 和转子位置角珙同表示，可表示为电 甲= l i ( 2 7 ) ll 。心。l 扛im ，a 6 厶cl ( 2 8 ) 巾d c m ”l cl 其中，对角线上的元素为各相绕组的自感，其它的为绕组之间的互感，自感 浙江大学硕士学位论文 丢i = i i i ( u _ r ，_ n ( a l ，+ - 7 - ：- i 口 当永磁开关磁链电机的三相绕组y 连接，三相电流有以下约束条件 乞+=o(2lo) 2 2 2 机械方程 机械运动方程为 乙= j 鲁+ k f 2 + 五 其中，。产一电机的转动惯量； k 厂一摩擦系数； 乃负载转矩； 2 2 3 机电联系方程 ( 2 1 1 ) 电路方程和机械方程通过电磁转矩耦合在一起，反映机电能量转换的转矩表 达式就是机电联系方程。 对于永磁开关磁链电机，通用的瞬时转矩求解方法为利用磁共能的虚位移方 法 乙= 等i q 1 2 其中，。嘲广一电机的磁共能； 当电机通以电流i 时，电机的场能量为 = + k = w e m + 去，l i ( 2 1 3 ) 其中， 厂电机永磁体内的场能量； 电机的总磁链为 甲= 甲+ l i ( 2 1 4 ) 电机的磁共能为 形w = f 7 甲一= ，甲+ 去，l i - w e u ( 2 1 5 ) 浙江大学硕士学位论文 将( 2 1 5 ) 代入( 2 1 2 ) 得 ，：皇坠型l1e g l 0 0 l 。一 ( 2 1 6 ) ：，生鳖+ 三，堕i 一d w p m d o2d od o = + 乙一。 其中，昂 广永磁体励磁产生的转矩，电磁转矩的主要组成部分； z 。电机电感变化产生的附加转矩； 死吲广永磁体内磁能随转子位置产生变化生成的齿槽转矩； 式( 2 1 6 ) 中的第一项为电磁转矩的主要成份，第二项是附加成分，如果电 流控制适当就会产生有效转矩，否则只产生转矩波动甚至产生负转矩。第三项在