（电机与电器专业论文）三相永磁开关磁链电机弱磁技术的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t i lt h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e r np o w e re l e c t r o n i c s ，c o m p u t e ra i d e ds y s t e ma n d m 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 ，p r o b l e m so nt h ed e s i g na n dc o n t r o lo fp e r m a n e n tm a g n e t m a c h i n e sw i t hd o u b l ys a l i e n ts t r u c t u r eh a v eb e e ns o l v e de f f e c t i v e l y 功em a c h i n e se x h i b i t a d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，g o o dr o b u s tc h a r a c t e r , h i g hp o w e rd e s i t ya n dh i g ho u t p u t t o r q u ec a p a b i l i t y a st h eo p t i m a ld e s i g nt e c h n i q u e sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e sa l ec o n t i n u o u s l y p r e s e n t e d ，t h em a r k e t i z a t i o no f t h e s em a c h i n e si se x p e c t e dt ob er e a l i z e da n de x t e n d e da m o n g t h o s ed o u b l ys a l i e n tm a c h i n e s t h ep 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 ( p m f s m ) s t u d i e di nt h i s p a p e ri s a9 0 0 dc a n d i d a t ew h i c hh a sg o o do p e r a t i o np e r f o r m a n c ea n d f l u x - w e a k e n i n gc a p a b i l i t y i nt h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ed o u b l ys a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e t ( d s p m ) m a c h i n e i sd i s c u s s e dt os h o wh o wp m f s mw a sd e v e l o p e d s p e e dr e g u l a t i n gs y s t e m sa n d f l u x w e a k e n i n gc o n t r o la p p l i c a t i o ns i t u a t i o n sa r et h e np r e s e n t e di nd e t a i l m e a n w h i l e , t h e a d v a n t a g eo fp m f s m i nt h ef i e l do ff l u x w e a k e n i n gi si l l u s t r a t e d t h e n ，t h eb a s i cp r i n c i p l e s o ff l u x - w e a k e n i n go ft 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 a c h i n e ( p m s m ) ，d s p mm a c h i n e a n dp m f s ma r es t u d i e d ，s h o w i n gt h a tt h et e c h n i q u e sf o r t h ep m s mi sc o m p a c t i b l et ot h e b l a co p e r a t i o n p a r a m e t e r ss u c ha sr o t o rp o l eh e i g h ta n dw i d t hw h i c hh a v ee 虢c t so nt h e o p e r a t i o np e r f o r m a n c ea n dd - a x i si n d u c t a n c e a sw e l la sf l u x - w e a k e n i n gc a p a b i l i t ya r e a n a l y s e dw i mb o t l lq u a l i t a t i v em a g n e t i cc i r c u i ta n a l y s i sa n dq u a n t i t a t i v ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ( f e a ) ，t h ed i r e c t i o nf o ro p t i m a ld e s i g nc o n s i d e r i n gf l u x w e a k e n i n ga p p l i c a t i o ni s a l s od e f i n e d a n d ，b a s e do nt h es t u d y , t h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c ea n df l u x - w e a k e n i n g c a p a b i l i t yo ft h et h r e e p h a s e6 4 ，6 5 ，1 2 1 0 - p o l ep m f s m sa l ec o m p a r e d mc o m p a r i s o n s h o w st h a tt h e6 5 一p o l ep m f s mh a sb e t t e ra d v a n t a g eo v e rt h eo t h e rt w ot y p e si ns p e e d e x t e n s i o n f u r t h e r m o r e ，t h em e a s u r e di n d u c t a n c e s ( b o t hs t a t i ca n di nf l u x - w e a k e n i n gm o d e ) a n da c t u a lf l u x - w e a k e n i n gc a p a b i l i t ya r ec o m p a r e d 晰t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，s h o w i n gg o o d a g r e e m e n t s i ti ss h o w n t h a tt h es p e e de x t e n s i o no ft h ep r o t o t y p ei su pt o11 6t i m e sw h i c hi s 细b e y o n dt h e t r a d i t i o n a lp e r m a n e n tm a g e n tm o t o r s a n dt h r o u g ht h ec o m p a r i s o no f s i m u l a t i n ga n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w h a tm u s tb ep a i de n o u g ha t t e n t i o ni st h a tt h es m a l l d e v i a t i o ni nd - a x i si n d u c t a n c ew i l lc a s t l eu n a c c e p t a b l ed e v i a t i o ni nc a l c u l a t i n gt h es p e e d e x t e n s i o n k e yw o r d s ：d o u b l ys a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e tm a c h i n e ；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 g m a c h i n e ；f l u x - w e a k e n i n gc a p a b i l i t y ；d - a x i si n d u c t a n c e ；f n i t ee l e m e n t ；s p e e de x t e n s i o n l i 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 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 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 逝鎏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 示谢意。 学砬论文作：力，毛文柳期：础年月夕日 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 摘要：本章简要介绍了双凸极永磁电机的研究及发展概况，讲述了永磁开关磁链电机 的由来及发展主要介绍了国内外主要的调速系统及弱磁控制方式的应用现状，其中包括 传统电励磁机、永磁电机和混合励磁电机的弱磁相关内容，并说明了永磁开关磁链电机在 弱磁扩速领域的优势。 1 1 课题的研究背景 能源紧缺是当今世界最重要的问题之一，在与能源息息相关的今天，全球工业的蓬勃 发展、人类生存和发展都离不开能源的支持，由此带来的高能源消耗量成为受关注的重点。 为了让能源的利用效率更高，对环境危害更少，环保节能技术的研究及相关产品的开发将 成为2 1 世纪工业发展的主题。目前各国都在积极开展节能技术的研究与应用。 电力能源是二次能源，作为电力消耗的最大对象一电机，高效节能是世界各国追求的 目标。在节能减排的大环境下，电动汽车和新兴航天航空工业的发展，对电机提出了新的 要求。我国政府极其重视电动汽车的研制和开发，并把大力发展电动汽车及代用燃料汽车 作为全国实施可持续发展战略的有机组成部分。传统的航空航天设备多为机械系统，新型 的航空航天设备已被机电系统替代，从而提高了设备的性能和使用寿命，同时减少了能源 的消耗改善了设备的效率。专家预言，这不仅为我国汽车和航天航空工业带来一次技术革 命和产业突破，迎来又一次发展浪潮，而且带动我国电子机械、精密加工、新材料等相关 产业实现一次飞跃和大发展，市场潜力巨大。高效节能及环保型产品开始逐渐成为市场关 注的重点产品。目前我国电力能源日趋紧张，应加快高效率电机系列产品的开发步伐，以 满足我国国民经济高速发展的需要。因此，高效能的永磁电机将是今后重点努力发展的对 象，特别是具有强励磁源的稀土永磁电机，不但功率密度高，而且十分环保节能，是一种 绿色高效能的电机，极具发展潜力。目前广泛应用于家电、计算机及外围设备、医疗器械、 汽车以及国防航天各个领域。 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，在稀土永磁电机家 族中，最近几年研究人员对具有结构简单、鲁棒性好、功率密度高等诸多优点的双凸极永 磁电机掀起了一股研究的热潮，针对此类型电机的本体优化和控制策略不断被提出，有望 使双凸极永磁电机的市场化推广和应用得到很好的支持和实现。 1 2 双凸极永磁电机的发展及研究概况 电机是以磁场为媒介进行机电能量转换得电磁动力装置，为了在电机内建立进行机电 能量转换所需的气隙磁场，到目前为止有三种普遍应用的方法：一种是电机绕组内通以电 流来产生励磁磁场( 包括独立的励磁电流和电枢电流兼作励磁电流) 一电励磁机；第二种是 1 浙江大学硕士学位论文 利用永磁体作为励磁源来产生励磁磁场一永磁电机，第三种是电励磁与永磁体混合产生励 磁磁场一混合励磁电机。 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替代电流励磁。从而使电机具有结构简 单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高等优势；由于永磁体嵌入部位的相对多 样导致磁路的多样化，电机形状和尺寸又可以灵活多样，同时实现电励磁电机难以达到的 高性能。而在永磁电机广泛应用的同时，永磁体的磁性能稳定性同样需要给予足够关注： 比如永磁体的充磁均匀度、随温度或机械冲击的不可逆退磁等，都会影响电机的稳定工作 点和成品率。 交流永磁电机主要有永磁同步电机( p 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 ，简称 p m s m ) 、永磁无刷直流电机( b l d c m ) 和双凸极永磁电机。前二者在目前永磁电机市场上 占有率最高，广泛应用于航空航天、汽车电机、以及精密电动等电气传动领域，而双凸极 永磁电机领域是目前国内外研究的热点之一。对于双凸极永磁电机，最早的设计思想源于 r a n c hs e 和j o h n s o nl j 对双凸极永磁发电机的研究【1 】。他们分别提出了4 2 、4 6 极两种 单相双凸极永磁发电机，如图1 1 、1 2 所示。这种发电机被应用于航空中以使相关设备 提高整体效能，尤其适合作为导弹制导系统的电源部分。从图1 1 可以看出，电机转子转 到垂直或水平位置时，永磁体磁链和电枢磁链所在磁路的磁阻很大，而在斜4 5 。位置较 小，磁阻变化很大，如果使用稀土永磁体则由于稀土永磁体导电的原因，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较小。 图1 - 1 单相4 2 极双凸极永磁发电机截面图 为了解决这个问题，还提出了一种4 6 结构的单相双凸极永磁发电机如图1 - 2 。由于 2 浙江大学硕士学位论文 永磁体磁路上的磁阻变化比较小，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 了改变转子或定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，如图1 3 ( 改变定子对称性) 【2 ，3 】。但由于永磁材料性能限制，上述原型电机的体积 较大，性能指标相对较低，之后很长一段时间内这种电机的研究很少。 图1 - 2 单相4 6 极双凸极永磁发电机截面图 图1 - 3 带自启动功能的单相4 6 极双凸极永磁电机截面图 随着永磁材料和计算机处理能力的突飞猛进，高磁能积和矫顽力的稀土永磁体可以容 许电机具有较大的气隙长度，同时保证了足够的气隙磁通密度，因而在永磁体的安放和磁 路结构设计上有很大灵活性，可以根据使用场合需要，制成与传统电机不同的结构形状和 尺寸。1 9 9 2 年，美国w i s c o n s i n 大学l i p 0 教授的科研小组重新对双凸极永磁电机进行了 研究，l i p o 教授和l i a o y u e f e n g 等学者提出了在定子轭部嵌入永磁体的新型双凸极永磁 ( d o u b l ys a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e t ，简称d s p m ) 电机结构，如图1 - 4 ，并深入进行了电机 浙江大学硕士学位论文 性能的分析研究( 运行原理如图1 4 ) 4 8 】，开拓了新型双凸极永磁电机研究的新领域，使 双凸极永磁电机成为当今电机领域研究的热点之- - 9 2 1 。随后d s p m 电机在国际上引起了 广泛的关注。国内研究d s p m 电机最早的是东南大学的程明教授，其领导的科研小组先后 提出了6 4 、8 6 、1 2 8 极等结构( 如图1 6 ) ，并进行了相关实验研究。开关磁阻电机( s w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r ，简称s r m ) r 有在绕组电感随转子位置角增大时给绕组通电才能够产生 正转矩，因而一个极距范围内可用来产生转矩的2 个区域只有其中一个得到利用，运行效 率和材料利用率相对较低；s r m 本质上是一种单边励磁电机，绕组电流中包含转矩分量 和励磁分量，由于通电的间断性，不仅增大了绕组和功率变换器的伏安容量，并产生很大 的转矩脉动，噪声很大；s r m 绕组电感较大，为避免绕组电流关断后延续到负转矩区， 必须将绕组提前关断，因此削弱了电机出力【1 9 】。相比于s r m ，由于d s p m 电机在定子 轭部内嵌高效励磁源一永磁体，并可以实现电流的双极性控制，而其功率密度相比于开关 磁阻电机增加了不少，从而提高了电机和功率变换器的利用效率，但是未经优化的d s p m 电机存在较大的定位转矩，会影响电机的性能，特别是低速运行时。文献【1 2 】提及针对6 4 极结构的d s p m 电机，使定子极弧为定子齿距的1 2 ，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，从而使合成磁导为一常数，磁铁工 作点将不随转子位置角改变，不仅保证理论上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，同时要求转子极弧稍大于定子极弧以保证 电流换向。这里需要强调一点，尽管d s p m 电机和p m s m 、b l d c m 一样可以实现绕组 电流的双极性控制，但是引起d s p m 电机气隙磁通变化的原因是磁路的磁导变化，铁心 中磁场极性没有发生变化，磁链是单极性的；而p m s m 、b l d c m 磁通是带永磁体的转子 旋转形成的，铁心磁场极性随转子磁极旋转而改变，磁链是双极性的，因此二者工作特性 会有差别【3 4 】。 图1 4 三相6 4 极d s p m 电机截面图 4 浙江大学硕士学位论文 j 一；嘲- 靠抽 _ _ i o 1 ，- - i - 铀 - ? 1 0 j i 兰 1 2 4 ， 一 0 己。己 1 2 4 l 0 f 五i 1 24 l | _l l1 o五 l f 1 2 i i r_ i- 图l 巧d s p m 电机一相永磁磁链、自感工、电流厶 永磁转矩、磁阻转矩乃随位置角的关系 ( a ) 8 6 极结构( b ) 1 2 8 极结构 图l - 6d s p m 电机截面图 自d s p m 电机结构被提出后，除了l i p o 教授等学者外，罗马尼亚的学者r a d u l e s c u m m 基于d s p m 电机具有的定位力矩，开发出了一种适合于家用电器的小型d s p m 电机， 其结构如图1 7 所示，其定子无永磁体，而在转子上放置了四块高性能的稀土永磁材料， 通过有限元分析计算和非线性分析，这种小电机效率高，输出功率大，动态性能好，一旦 绕组不通电，由于齿槽定位力矩的作用，不仅能迅速停转，并且位置稳定，具有抗外力扰 动的能力，满足了家用电器安全要求 3 9 ，4 0 】。 5 浙江大学硕士学位论文 转 图1 - 7 基于定位力矩的家用电器d s p m 电机 1 3 永磁开关磁链电机的发展 在参考了d s p m 电机的众多分析资料和设计方案后，针对定子嵌入永磁体式电机的 结构特色和磁路分析特点，h o a n ge 于1 9 9 7 年重新将目光投向基于磁链切换方式工作的 电机，提出一种定子齿部嵌入永磁体的新型永磁开关磁链电机( 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 ) 2 2 ，如图1 8 。就机械结构而言，p m f s m 采用双凸 极结构，定、转子由硅钢片叠压而成，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中央的永磁体和缠绕有端部较短的集中绕组，因此p m f s m 结构简 单、坚固；节省用铜量和减小了铜耗，端部效应小；电机冷却散热方便。但是由于永磁体 嵌于定子并将定子分隔，若采用此电机的原始结构则需要较高的生产工艺以保证公差匹 配，而且电机只能采用铝等非导磁材料作为机壳，运行时应尽量远离强磁源以防受到干扰。 a 3 图l 三相1 2 1 0 极p m f s m 截面图 6 4 p m f s m 的j 占水l 怍原川为：化j 。定了水碰体姗磁磁链始终存，h 凡斤向小变，但是随 着转了位冒的，蜓化，励磁磁链切换路径，使街电楸绕纽山碰链的大小和方阳均发生变化， 从而，”生反l 乜动势，如嘲1 9 所日；。需要指出的是，假设浚电机的转子仵机械上是n 个檄， f r j 山十转f 每鲐过一个定子齿磁通换向方m 反应盘【n 磁关系上却足n 对搬! 这是与普通 水磁i u 机 b 磁关系所不旧的。随历，p m f s m 扯阿际i 。引起了广泛的关注，再国学首针对 p m f s m 的醴计原则还提m 了打种不同定转了的搭配如6 抖，6 5 ，8 m 极以及概合励磁 结构等【2 3 3 3 】，如幽l - 1 0 。p m f s m 的研究工作在近渐地开联，正褂剑越来越多的天汁。 l 前天fp m f s m 的文献l 婪是针对r g a t 奉体的计2 2 33 ，商其控制策略方咖的研究_ i l _ j 比较少，基奉h l 越j l j 的是传统无剧直流或无刷受流的控制力式。从雕论h e 析。u 知引起 d s p m u 机气隙磁通变化的原吲足磁踏磁呼的变化，铁心。j - 磁场极比印没有发- 变化，吲 此绕组磁链足巾极性的p m f s mf hji 。作方式是融通切换式的，绕组内磁链的变化足以 极悱的，i f l h 柚比j d s p m 电机，兑内嵌水磁体的总体秘l u 更多，闪此后哲川埘h u 片 疆铂照油 转豫，输出能力，u | 聋管鹱巫商， ( a ) 6 4 极结构( b ) 6 5 概结构 m 学j 论女 f c l8 1 6 极结构 6 爹甄 1 ：一：fr i ： i 鬻痧 j t 矿e 二 曲混合励磁结构 图1 1 0 三相p m f s m 截面目 史献 2 2 1 t l 对同舰格的1 2 1 0 极p m f s m 和1 2 ，8 极的d s p m l 乜机进行了对比，证明了 结论的证确性：1 2 1 0 极p m f s m 电机由于具= f 聚磁效应( 如图l - 1 1 ( a ) ) ，气隙磁场僻度和 相反电势最大值是1 2 8 极d s p m 电机的近18 倍，但是也山于强聚磁效应导致来优化的 屯机磁路会根饱和，相电媾相对j 硐规格的d s p m 电1 j l 4 , 了不少，如图1 1 2 。不同结构 的p m f s m 的反电势不一，但是通过永磁体厚度、定转f 齿宽适匹配，- 口以分别设计出 其柏梯形波和j 1 弦波反电势的p m f s m ，分别适用于无刷直流( b l d c ) f i i 无刷交流( b l a c l 控制力式，使p m f s m 具备了很好的驱动控制兼容性。同时山十乜机本体结构的优势，永 碰碰链与电机磁链的非j e 伞串联关系，使得一周期内电枢磁链可以小全经过水磁体的高磁 阻磁路，相对丁一般水磁电机，具有较强的弱磁扩速能。此外，f j 三正困为i 一述原冈，对 水磁体影响相对普通永磁电机小，r 作j _ 相对更稳定，容错能力更强，同叫它又克服r s r m 噪音振动人的缺点，从非常适合一t b 彳特殊要求的场合，在汽车和航空航天工业 c l - 得到广泛应用。其稳定的电机奉体性能，和较高的弱磁扩速能力，使得其在r j 类水磁电 机中只有史广的发展潜力，为啦机高集成度广速运行系统提供很好的硬件条件。 恤1p m f s m( b ) d s p m m a c h i n e 幽1 1 11 2 1 1 0 极p m f s m 和1 2 8 极d s p m 电机空载f 磁链分布对比 浙江大学硕士学位论文 善 圣 ； 星 图1 1 21 2 1 0 极p m f s m 和1 2 8 极d s p m 电机反电势和电感的对比 1 4 国内外主要的调速系统及弱磁控制方式的研究 对于直流电机调速系统，主要有以下三种调速方式：( 1 ) 改变电枢回路电阻r ，该方 法的优点是系统结构简单，调速便捷；缺点是耗能、效率低，仅适用于小功率直流电机、 开环控制且仅能有级调速。( 2 ) 调节电枢电压，直接实现对转矩的控制，进行平滑调速， 具有良好的动态性能，是直流电机调速的主要途径。( 3 ) 减小励磁，该方法的优点是控制 方便，能够实现平滑调速；缺点是调速范围小而且通常是配合调压调速在基速以上作小范 围的升速，现已很少单独使用，通常以非独立控制励磁的方式出现。但是，直流电机的绝 对效率比较低，而且由于存在电刷与机械换向器，不仅限制了电机的过载能力与速度的进 一步提高，而且长期运行时，碳刷和换向器的维护量大。另外，由于损耗主要在于转子上， 使得散热困难，温升增高，限制了电机转矩重量比的进一步提高，很多场合已被交流电机 所取代。 对于交流调速系统，按电机的种类划分，主要可以分为异步机调速系统和同步机调速 系统。前者包含：( 1 ) 变压调速；( 2 ) 转差离合器调速；( 3 ) 转子回路串电阻调速；( 4 ) 绕线式 异步电动机串级调速；( 5 ) 变极调速；( 6 ) 变压变频调速；而由于同步电动机无转差、转子 极对数固定，所以后者只能靠变压变频调速。在同步机变压变频调速方法中，从频率控制 方式来看，又可分为他控式和自控式，前者由独立的变压变频装置控制实现速度环开环调 速，后者利用自反馈的转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相调速( 转子位置 的确定可以采用传统霍尔传感器或无位置传感器控制技术) 【3 5 】。 异步电动机的优点是电机本体造价低，结构简单、坚固、运行可靠，低转矩脉动和噪 声，不需要位置传感器，转速极限高。异步电动机的各种调速技术都已经很成熟，特别是 能够媲美于直流调速系统控制性能的矢量控制和直接转矩控制调速技术，使得其较早地被 应用于电气传动的各个领域。但由于异步机的参数变化对其控制效果具有较大影响，控制 变量多，驱动电路复杂导致现行主要控制的变频器价格较高，相对于永磁电机，异步电机 9 浙江大学硕士学位论文 效率和功率密度都偏低，在某些场合己被其它新型无刷永磁电机驱动系统所逐步取代。异 步电动机的弱磁控制方法是令转子磁通反比于转速，进行去磁电流分量的控制。由于励磁 电流本身是电枢电流的一部分，所以限制了其扩速的上限，在整个高速范围内驱动系统不 能充分利用电机的最大转矩性能，非理想磁场定向条件下转矩和转速性能亦不能保持。 p m s m ( 或b l d c m ) - - 般采用高磁能积的稀土永磁体，可得到较高的气隙磁通密度， 而且转子没有铜耗、集电环和电刷等摩擦损耗，从而具有较高的功率密度和效率。由于矢 量控制和直接转矩控制的引入，使得p m s m 能取得很好的运行性能和相对较宽的调速范 围，已在国内外多种电动车辆中获得应用。p m s m 通常采用跟踪电流的滞环控制方式， 转速采样要求用分辨率较高的光电编码器或旋转变压器，调速性能较好，多用于伺服系统 和高性能调速系统；而b l d c m 通常采用三相六状态的变频控制方式，由于各相电流都 是方波，逆变器的电压只须按直流p w m 的方法进行控制，比交流p w m 控制方式简单得 多，价格较低，但是存在转矩脉动，调速性能不如p m s m 3 5 。p m s m ( 或b l d c m ) 根据 永磁体装配位置的不同，可分为面贴式( s u r f a c e p e r m a n e n t m a g n e t ，简称s p m ) 、内置式( i n s e t p e r m a n e n tm a g n e t ，简称i p m ) 和爪极式：( 1 ) 面贴式p m s m ( 或b l d c m ) 又可分为凸出式( 永 磁体间为空气) 和插入式( 永磁体间填充软磁材料) 。由于永磁体的磁导率与空气相当，所以 凸出式转子结构在电磁性能上相当于隐极机，而插入式转子结构在电磁性能上相当于凸极 机，其中后者在直轴磁导与前者相近的情况下，交轴电感较大，同样转速下具有较大的转 矩提供能力，而且由于凸极性提供了磁阻转矩，较前者调速能力强。( 2 ) 内置式结构的直 轴电感相差不大，但不同结构交轴电感相差较大，其在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩 ( 最大能占到总电磁转矩比重约4 0 呦，磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率 密度，而且易于弱磁调速，扩大恒功率范围运行( 需要隔磁) 【3 5 ，3 6 。相对面贴式结构而言， 内置式的直轴电感更大，弱磁调速范围更广，功率密度能做得更高，适合用作电动汽车高 效、高密度、宽调速牵引驱动。p m s m 驱动系统低速时通常采用最大转矩电流比的矢量 控制，突破基速的扩速运行时将采用电流超前触发的弱磁控制。1 9 9 0 年奥地利w e m e r m u l e g g e r 等学者首次提出在永磁同步电动机转子上加一段不对称的磁阻铁芯构成复合式 转子结构，使得直轴电枢反映明显增强，速度控制范围变宽。其结论是该磁阻段的长度占 整个转子长度的2 0 时，就可以将p m s m 的速度范围拓宽近一倍【3 9 】。1 9 9 7 年日本学者 s h i g e om o r i m o t o 已经用复合式转子结构实现超过了4 倍的恒功率弱磁扩速 4 0 1 。然而，复 合式转子结构弱磁效果的获得是以低转矩密度、高铁耗、容易失磁为代价的：永磁磁链和 电枢磁链各自磁路相对独立一永磁磁链基本集中在永磁段的磁路上流通，电枢磁链只在磁 阻段的磁路上流通。而在弱磁时则表现为一种合成的等效弱磁效果，永磁段气隙磁场和定 子内磁场并未得到真正的削弱。因此，由于低速运行时磁阻段部分基本上不产生转矩，电 机的转矩密度偏低；而高速弱磁运行时，永磁段的永磁磁链基本不变，磁阻段的电枢磁链 则随去磁电流的而增大，从而导致铁磁损耗随速度几何级数地增大 4 1 1 。2 0 0 4 年浙江大学 l o ”岚设山了均五比值夫j 二l 的复合式转r 结构，实现b l d c m 恒功，年j l 量大打速倍数 28 倍4 2 1 ；毕南理工大学j ”f 杰锋迁纠】研究过p m s m 水磁段k 度的汁算，酬究表l 州 p m s m 复台转r l 口以埔人直轴f n 抗，从而增大弱磁扩速倍数，仉也使水碰n 1 步电动机 的转矩密度降低，高速时铁啦损耗增人4 纠：川州p 1 仁杰等人j 丕提出r 丛丁漏磁蹄的弱磁 方案f 4 4 1 ，提供r 条较独特的弱磁路径；1 9 9 3 f 咒俄亥饿州市人学晌叶1 | i l ：】学者徐隆 提出在转了l 加装馈片米0j 导电枢磁链帕新结m 蛐刚11 j ，削中带驯影部分的删为加裟 的铁块，铁块川柯空l _ l | 嗡以隔磁：黑色填克部分为小磁体) ，开通过仿f l 得到了5 倍的 刺磁护速能力4 5 1 ：2 0 0 5 ：是l 日w i s c o n s i n 人的a y m a n me l r e t a i e 苜学肯往前几研究 丛础j 优化引m 分数槽牲距的而贴式3 6 槽4 2 极p m s m ，史z ，称扩述倍数达l o 以1 二 4 6 1 。 化j 。t l l k j l 的极对数很多，会导致此电机的电频半诎岛，- 岛谜远行时1 频率成l5 次方天 系铁；| e 将会很大 _ ! ；j 此h 适合1 i 中低述的扩述运行。2 0 0 1 年斯渐_ _ ：! = 尼、皿学者b o j a n s t u m b e r g e r 和a n t o n i i a m l e r 捉山将传统 p m s m 转r 磁钢分段阳hl 一】4 1 ，利用铁心材料 j 正当拜蹄7 k 磁休的弱碰结构4 7 1 。扛此堆础h2 0 0 6 年澳人利、暖新南威尔【人学学名d u t t a 和r u k m i 继续深入研究爿徊胙了样机，实现rl o 倍的弱磁打谜4 8 1 。f l 卅i 对y - 小分段的 i p m s m l 町，此种结构缺。_ 是漏磁相埘较毫，水磁体利用牢较低，l u 机功率崔度小尚。 幽1 一1 3 加装铁h 虬引导电枢磁链的新型p m s m 弱磁结构 圈1 1 4 木磁体分段式转r 铁心 浙江大学硕士学位论文 在控制方面，美国o a kb r i d g e 国家实验室的l a w l e rj s 等人通过对b l d c m 的电流超 前触发( c p a ) 弱磁法进行m a t l a b 仿真发现，在超前导通时b l d c m 的电感需要大于一定的 门槛值以维持电机的额定功率下的高速运行，超前导通后的电流可以按功能可分为电动分 量和回馈分量，回馈分量抵消了电动分量很大一部分能量，使得电机扩速范围有限。因此， 提出了一种适用于普通面贴式b l d c m 的双模新型逆变拓扑结构( 称为d u a l m o d ei n v e r t e r c o n t r o l ，简称d m i c ，如图1 1 5 ) ，通过在逆变器中加入双向反并联晶闸管来抑制续流二 极管的开通造成的能量回馈，称可以提高恒功率扩速范围至8 倍 4 9 】。浙江大学熊志学利 用d m i c 逆变器结构实现b l d c m 扩速2 4 倍【5 0 】。美国w i s c o n s i n 大学j a c k s o nw a i 等设 计了一套基于电流饱和的自启动弱磁控制系统，通过仿真得到内置式p m s m ( i s g 电机) 已 有1 0 倍扩速效果，遗憾的是实验设备未能及时完成以给与验证【5 l 】。 图1 1 5d m i c 电路示意图 以磁阻电机为代表的新一代电机及其调速系统包扩：( 1 ) s r m 调速系统：s r m 的结构 紧凑牢固；不存在互感的影响，容错性高。但是由于s r m 是通过定、转子的凸极效应产 生电磁转矩的，其转矩方向取决于电感随转子位置变化率的正负，而与电流方向无关，即 电感增加时产生正向转拒，电感下降时将产生制动转矩，因此只有一半的转矩得到利用， 系统效率和材料有效利用率较低；转矩脉动和噪声也很大。从运行状态上看，s r m 调速 系统和b l d c m ( 或p m s m ) 调速系统中电机均运行在自同步状态，但b l d c m ( 或p m s m ) 的 转子有永磁体励磁，定子多相绕组由逆变器提供交流电源；s r m 的转子则为反应式，无 须励磁，定子绕组由直流脉冲电源供电，仅由简单的开关切换即能实现快速换相，合成相 应的空间磁势，从而实现脉动式调速。s r m 虽然额定运行转速可达较高，但由于s r m 磁 链和电流是单极性脉冲式的，电流利用率较低，而且电枢电流承担着去磁和产生电磁转矩 的双重作用，所以较大地限制了电机的扩速上限。针对方波型电机，文献【3 7 】给出了一种 等效的弱磁方案。基于和直流电机的对比，h u m i s t o nh 做过s r m 实现2 倍弱磁扩速的实验， 发现要维持扩速时电机电流有效值不变，母线电流需要增大，运行在非恒功率区 5 2 1 。 1 2 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) d s p m 电机调速系统：d s p m 电机既可以单拍运行，也可以双拍运行，电枢电流 既可以通过调节正负开通关断角，也可以通过斩波来调节其上下限，只要改变绕组电流的 方向或绕组通电顺序，就可以方便实现四象限运行。d s p m 电机绕组的功率变换电路互相 独立，由于永磁体的存在，d s p m 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 s p m 电机的发热也远小于s i 泓，但同时也使得电枢磁链被迫走相邻极，因此d s p m 电机的互感相对于s r m 要大。从控制模式来看，d s p m 原型机采用的是三状态换流模式， 即每相采用1 2 0 0 电角度导通的模式，在功率变换器供电方式方面，目前一般采用带中性 点的三相半桥逆变器。采用这种供电方式的优点是各相绕组可以单独控制，控制模式多样 灵活，但是这种功率变换器需要两组独立电源供电，电源要求较高；为减少供电电源的数 目，可以通过电容裂相得到电源的中性点，但是由于d s p m 电机的电感、反电势等随转 子位置的不同而变化较大，易导致正、反向绕组电流不一致，造成中性点电位的漂移，影 响系统的性能。而且提供的双极性电源若控制不当，开关管将因直通而毁坏。目前已有文 献采用三相六状态换流的全桥模式控制，但反向电流的换流是在电感和感应电压最大处切 换的，因此存在换流时间较长、转矩脉动大、控制复杂等缺点 5 3 】。d s p m 电机的永磁磁 链是单极性的，所以去磁时双极性的电流只能在半个周期内实现去磁，而且电枢磁链会经 过包含永磁体的高磁阻磁路( 一般d s p m 电机轭部永磁体较厚) ，导致弱磁效果不显著。值 得注意的是，从图1 5 可以看到，d s p m 电机的磁阻转矩在一个电周期内平均值为0 ，意 味着对弱磁扩速有利的磁阻转矩在d s p m 电机中得不到应用。 ( 3 ) p m f s m 调速系统：由于不同结构的p m f s m 反电势可以分别设计成方波和正弦 波，所以p m f s m 可以兼容无刷直流和无刷交流的控制方式，其调速系统可以分别借鉴 b l d c m 和p m s m 调速系统。对于p m f s m ，由于永磁体嵌于定子齿部，相对于d s p m 电机可以放置更多的永磁体用于励磁，功率密度更高。p m f s m 永磁磁链和电枢磁链都是 双极性的，一个电周期内可实现全周期去磁。相对于d s p m 电机其永磁体厚度得到减小， 永磁磁链与电枢磁链的非完全串联( 取决于具体的结构) ，使得一周期内只有部分电枢磁链 经过高磁阻磁路，而且电机气隙较小，所以直轴电感会相对更大，相对于一般永磁电机， 从本体上就具备了更强的弱磁扩速能力。但同时由于永磁体的水平排列，使得个别定子齿 在去磁电流作用时左右两半的状态并非完全一致，这会在一定程度上影响磁路的均匀性。 另外还有一些新型的调速电机处于研究状态，如t 带独立励磁绕组的双馈p m s m 、 d s p m 电机和p m f s m 结构，混合式励磁结构的双凸极永磁电励磁电机( h y b r i de x c i t a t i o n d o u b l ys a l i e n tm a c h i n e ，简称h e d s m ) 等，如图1 1 6 ，1 1 7 和1 1 8 1 3 3 ，3 4 ，5 4 】。双馈式电机 都具有专用的励磁绕组，可以方便在恒转矩曲域实现最大转矩电流比控制，在恒功率区域 实现独立去磁磁场弱磁( 使电压极限椭圆右移) ，但由此也会造成电机本体设计和控制变得 复杂，而且成本也高不少。混合式结构的双凸极永磁电励磁概念电机较具特色( 如图1 1 8 ) ， 它由两个部分组成，左边为d s p m 电机，右边为双凸极电励磁电机( d s e m ) ，永磁部分与 1 3 电励碰部分的定子和转子均为凸极撕槽结f f ! ，州部分f u 机的定f j i 州嬖t u 拟绕组。、水m 1 _ i 【f 分与电肭磁部分抖j 气隙瞒jf 段口l ，离，减少水磁磁链与电枢磁链沿着轴向的耦合，使通 过各自的磁蹄闭合。通过控制励磁绕绡电流的人小删片向可以渊节成7 、荆鹾场，从i f l i ( 1 i 电动运行时，可去碰拓宽其恒功率运行范闭，而发电时可打大调压范围，f 【l 其实陌、k 【 土 足“合成”的等效局音_ ；剥磁，i f i 小是真i r n 勺气隙磁场整体的埘磁。基十离心力弱鼬的新 水碰同步电机的提 r l ，提供了条个新的埘磁设l l 思路4 1 1 ，然而作为戍川的j , t 础r f ：研究， 此新世水融i l j i _ j i 的装配维护，阳磁厅，运行的川拈阽以及i u 磁力1 ，离心力轴刳磁水磁体 之问距离的变化姚律等题都t 虹待肼决。， 2 早铁s 图1 1 7 定f 烈镄p m f s m 机壳 厂 厂 8 焉、。1 llll转辅、l 嘲1 一1 8 混合式励磁取凸极电机不意图 “框绕* 瓤骖弩拳嚣 0 j 74i 浙江大学硕士学位论文 1 5 课题主要的研究内容和论文的结构 本课题研究的主要内容是三相永磁开关磁链电机的弱磁技术及电机基于弱磁扩速的 优化设计。在掌握电机弱磁控制机理的基础上，通过深入地分析和研究，建立了永磁开关 磁链电机在砌坐标系下的数学模型，对比了6 4 、6 5 、1 2 1 0 极三种结构永磁开关磁链电 机的运行性能和弱磁能力，并在此基础上基于弱磁扩速能力优化设计了一台三相6 5 极永 磁开关磁链电机样机，最后通过实际样机的实测参数和弱磁扩速实验验证仿真优化设计的 正确性。全文内容安排如下： 第一章：绪论一从双凸极永磁电机的发展历程说明永磁开