（电力电子与电力传动专业论文）新型双凸极记忆电机的研究.pdf

上海大学博士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：日期：纱j 肜 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：蛆导师签名：赴日期：p l 。j f l 二f 上海大学工学博士学位论文 新型双凸极记忆电机的研究 姓名：龚宇 导 师：江建中教授 学科专业：电力电子与电力传动 上海大学机电工程与自动化学院 2 0 1 0 年5 月 上海大学博士学位论文 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a iu n i v e r s i t yf o r t h ed e g r e eo f d o c t o ri ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho fn o v e l d o u b l y sa l i e n t m e m o r y m o t o r s c a n d i d a t e ：g o n gy u s u p e r v i s o r ：p r o f j i a n gj i a n z h o n g m a j o r ：p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a lt r a n s m i s s i o n m e c h a t r o n i c sa n da u t o m a t i o n c o l l e g e ，s h a n g h a iu n i v e r s i t y m a y , 2 0 1 0 i v 上海大学博士学位论文 本课题受到上海市自然科学基金( 0 9 z r l 4 1 1 5 0 0 ) 与香港研究发 展资助局香港大学专项基金( h k u 71 0 5 0 7 e ) 的资助，特此致谢! v 上海大学博士学位论文 摘要 记忆电机利用写极式电机通过充磁绕组在线写极的特点，采用高剩磁，低矫顽 力的铝镍钴永磁体，通过巧妙的电机转子结构设计，在由直轴电流脉冲改变磁化状 态的同时又能避免交轴电流对永磁体的影响，从而实现了真正意义上的永磁电机磁 通可调。但是目前对记忆电机的研究无论是电机结构设计还是磁场数值计算，均处 于初始研究阶段。本论文正是在这一背景下对记忆电机进行了深入拓展研究，提出 了三个主要创新点：设计了一种新型拓扑结构的定子永磁型记忆电机双凸极记 忆电机；把考虑磁滞效应的数学模型耦合到有限元时步法中进行记忆电机的数值计 算；提出了换位设计方法从根本上解决了双凸极记忆电机及混合励磁双凸极永磁电 机各相磁路不对称的问题。围绕这三个创新点，本文进行了一系列卓有成效的工 作，主要内容概括如下： 第一、提出了一种新型定子永磁型电机双凸极记忆电机。把记忆电机的 设计思想应用到传统混合励磁双凸极永磁电机中，既可以通过直流脉冲灵活改变 磁钢磁化状态，又保留了定子永磁型电机的一些优点。 第二、记忆电机原型机采用的磁路法在分析最大去磁磁动势时误差较大，为 了准确计算记忆电机的磁场，同时简化数值实现难度，提出了考虑铝镍钴永磁体 磁滞效应的平行四边形磁滞模型，并与考虑中点电位的场路耦合有限元时步法相 结合，编制了程序，准确地计算了记忆电机达到不同磁化状态时所需的调磁磁动 势、空载感应电势及瞬态起动特性。 第三、为了验证所提出的平行四边形磁滞模型的准确性，采用基于函数转换 的p r e i s a c h 磁滞模型与有限元时步法相结合对记忆电机进行了验算，计算与实验结 果都验证了所提平行四边形磁滞模型的有效性。 第四、在传统结构双凸极记忆电机的设计基础上，提出了一种三相绕组 d s m 电机新的换位设计方法，从电机本体设计出发，根本解决了双凸极记忆电机 ( 也包括双凸极永磁电机) 各相磁路不对称的问题，设计分析了一台定转子齿数 比为2 4 2 8 的双凸极记忆电机。 第五、目前记忆电机的实验研究主要是有关空载感应电势波形的研究，由于 采用电枢绕组充电，在线控制难度较大，因此充去磁也在静态情况下进行。本文 v i 上海大学博士学位论文 所提的双凸极记忆电机降低了在线控制难度，分别为常规结构的3 0 2 4 和换位设计 的2 4 2 8 两台双凸极记忆电机构建了驱动控制线路，对两台样机进行了瞬态充去磁 实验、自然特性实验、以及几个应用实验的研究， 最后，记忆电机作为一种全新的磁通可控永磁电机，在永磁电机的发展史上 具有非常重要的地位，目前有关其研究进展较为缓慢，本文取得的各项成果为今 后记忆电机的拓展设计、数值分析及实验调试提供了有力的参考。 关键词：记忆电机磁滞模型双凸极换位设计有限元时步法永磁电机 v i i a b s t r a c t m e m o r ym o t o r st a k eg o o da d v a n t a g eo ft h ew r i t t e n - p o l e t mm o t o rt od e v e l o pan e w c l a s so fc o n t r o l l a b l ef l u xp e r m a n e n tm a g n e t ( p m ) m o t o r s t h ea l n i c op m s a r eu s e dd u e t ot h eh i g hr e m a n e n c ea n dl o wc o e r c i v ef o r ea n dau n i q u es a n d w i c hr o t o rs h u c t i l r ei s s m a r t l yd e s i g n e ds ot h a tt h em a g n e t i z a t i o ns t a t e so fa i n i c op m sc a nb e e a s i l yc h a l l g e d b ys e v e r a ld ea n dr e m a g n e t i n gc u r r e n tp u l s e sw h i l ei m m u n ef r o mt h eq - a x i sc u r r e n t h o w e v e r , a san o v dk i n do fp mm o t o r s ，t h er e s e a r c h p r o g r e s s e si n c l u d i n gm o t o r t o p o l o g yd e s i g na n dn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d sa r es l o wa n de x p e r i m e n t a lr e s u i t sa r e a l s ol i m i t e di nn ol o a dp e r f o r m a n c e s a g a i n s tt h i sb a c k g r o u n d ，a d e e pa n dc o m p r e h e l l s i v e s t u d yh a sb e e nd o n ef o rt h ed e v e l o p m e n to fm e m o r ym o t o r s t h r e ec r e a t i v ec o n t r i b u t i o n s n a v eb e e np r o p o s e d ：t h ec o n c e p to fd o u b l ys a l i e n t m e m o r y ( d s m ) m o t o r sh a sb e e l l f i r s t l yp r o p o s e d ；at i m es t e p p i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o dc o u p l e dw i t hh y s t e r e s i sm o d e lh a s b e e nb u i l t ；t h et r a n s p o s i t i o nd e s i g nm e t h o dh a v eb e n nf i r s t l y p 1 o p o s e dt os 0 1 v et h e p r o b l e mo fa s y m m e t r i ca m o n gp h a s e so fd s mm o t o r s f i r s t l y , an o v e lm e m o r ym o t o r , d s mm o t o r , w h i c hc o m b i n e st h e c o n c e p to fp mf l u x c o n t r o l l a b i l i t ya n dm e r i t so f d o u b l ys a l i e n tp m ( d s p m ) i l l o t o ri sp r e s e n t e d s e c o n d l y ,c o m p a r e d w i t h e x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，t h e c a l c u l a t e d t o t a l l v d e m a g n e t i z a t i o nm a g n e t i cm o t i v ef o r c e ( m m f ) o ft h ep r o t o t y p eo ft h em e m o r ym o t o r u s i n gm a g n e t i cc i r c u i tm e t h o di so o v e r e s t i m a t e dm u c h t oe n s u r et h ea c c u r a c y ，af i e l d a r c u i tt i m es t e p p i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o dc o u p l e dw i t ht h ep a r a l l e l o g r a mh y s t e r e s i s m o d e li se m p l o y e da n db o t hn ol o a da n dl o a dc h a r a c t e r i s t i c sa le s i i i l u l a t e di na i la o c l 】r a t e w a 弘 t h i r d l y , t ov e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e dp a r a l l e l o g r a mh y s t e r e s i sm o d e l t h e p r e i s a c hh y s t e r e s i sm o d e lw h o s ea c c u r a c yi ns i m u l a t i n gt h eh y s t e r e s i se f r e c th a sb e e n a c c e p t e di sa p p l i e dt oa n a l y z et h ed s mm o t o r s t h ea d o p t i v ep r e i s a c hh y s t e r e s i sm o d e l i sd e d u c t e dt h r o u g hs m a r t l yf u n c t i o n st r a n s f o r m a t i o na n dd o e sl l o tn e e d sc o n s i d e 删l b l e s t a t i s t i c a lt e s td a t aw h i c ha r e n e c e s s a r yi ng e n e r a lp r e i s a c hh y s t e r e s i sm o d e l f o u r t h l y , o n en e wm e t h o dw h i c hi sc a l l e dt r a n s p o s i t i o nd e s i g nm e t h o di sp r o p o s e d t or a d i c a l l ys o l v et h ea s y m m e t r i cp r o b l e ma m o n g p h a s e si nd s ma n dh y b r i df i e l dd s p m m o t o rw i t ht r a d i t i o n a ls t r u c t u r e s at h r e ep h a s e ，2 4 2 8 d s mm o t o ri s d e s i g n e da n d a n a l y z e di nd e t a i l f i f t h l y , s of a rt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha b o u tm e m o r ym o t o r sa r ea 1 1c o n c 咖r a t e d 上海大学博士学位论文 o nt h es t a t i cn ol o a df l u xa d j u s t m e n t i nt h i st h e s i s ，t w os e to fg e n e r a ld r i v ea n dc o n t r o l c i r c u i t sh a r d w a r ea r ed e s i g n e da n db u i l tf o rt h e5p h a s e3 0 2 4a n d3p h a s e2 4 2 8d s m m o t o r s t 1 1 et r a n s i e n tn ol o a da n dn a t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sa r em e a s u r e da n ds e v e r a l a p p l i c a t i o nt e s ta r ea l s op r e l i m i n a r i l ye x e c u t e d f i n a l l y , a sat r u ef l u xc o n t r o l l a b l ep mm o t o r , t h e r ei s1 1 0d o u b tt h a tt h em e m o r y m o t o ro c c u p i e sav e r yi m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ed e v e l o p m e n to fp mm o t o r s h o w e v e r , t h e p r o g r e s so ft h i sk i n do fm o t o r si ss l o wd u ot oi t su n i q u ed e s i g np r i n c i p l e sa n dd i f f i c u l t a n a l y s i sm e t h o d s i nt h i st h e s i s ，as e r i e so fr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sp r o v i d eap o w e r f u l r e f e r e n c et o o lf o rt h ef u t u r ed e s i g na n da n a l y s i si nt o p o l o g y , e x p e r i m e n t sa n dn u m e r i c a l r e a l j z a t 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 o t o r , h y s t e r e s i sm o d e l ，m e m o r ym o t o r , t i m es t e p p i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t r a n s p o s i t i o nd e s i g n i x 上海大学博士学位论文 目录 d o c t o r a ld i s s e r t a t i o n i 摘要 a b s t r a c t v i i i 目 录x 第一章绪论1 1 1 课题背景与研究意义1 1 2 记忆电机的提出4 1 2 1 永磁电机弱磁结构设计现状4 1 2 2 写极式电机l o 1 3 记忆电机研究现状1 1 1 3 1 电机结构1 1 1 3 2 数值计算1 2 1 3 3 驱动控制1 4 1 4 课题的提出1 5 1 5 课题主要研究内容及各章安排l6 参考文献1 7 第二章双凸极记忆电机运行原理与稳态计算2 3 2 1 d s m 电机的基本结构与运行原理2 3 2 2 d s m 电机的稳态计算。2 8 2 ，2 1 磁链与感应电势2 8 2 2 2自感与互感2 9 2 2 3 齿槽转矩3l 2 3 在线调磁实验3 5 2 4 需要进一步解决的问题3 7 2 5 本章小结3 7 参考文献3 8 第三章考虑磁滞效应的记忆电机场路耦合有限元时步法计算3 9 3 1 考虑中点电位的场路耦合有限元时步法4 0 3 1 1 场路耦合总体离散化矩阵方程4 0 3 1 2 时间离散化4 5 3 1 3 线性化处理4 5 x 上海大学博士学位论文 3 2 磁滞模型概述4 8 3 2 1 磁滞曲线定义4 8 3 2 2记忆电机充去磁时工作点轨迹4 8 3 2 3 j i l e s - a t h e r t o n 磁滞模型5 0 3 2 4 s t o n e r - w o h l f a r t h 磁滞模型5 2 3 2 5 经典p r e i s a c h 磁滞模型5 4 3 3 基于函数转换的p r e i s a c h 磁滞模型5 6 3 3 1 模型描述5 6 3 3 2 磁滞曲线计算结果5 8 3 4 平行四边形磁滞模型6 0 3 5 与有限元时步法的耦合6 1 3 5 1 p r e i s a c h 模型6 l 3 5 2平行四边形模型6 3 3 6 空载充去磁计算实验6 5 3 6 1 工作点验算6 5 3 6 2 充去磁计算结果6 6 3 7 考虑磁滞效应的有限元时步法瞬态起动计算6 8 3 7 1 转矩转速双闭环控制策略的加载6 8 3 7 25 相3 0 2 4 d s m 电机瞬态起动计算6 9 3 8本章小结7 1 参考文献7 1 第四章电枢绕组采用换位设计的双凸极记忆电机7 3 4 1 3 相2 4 2 8 转矩脉动最小化d s m 电机7 4 4 1 1基本结构与运行原理7 4 4 1 2 空载磁场、磁链及感应电势7 7 4 1 3 电感特性7 8 4 1 4 静态转矩8 0 4 1 5 双闭环控制下起动特性8 0 4 2 一般化换位设计原理8l 4 3 常规设计与换位设计d s m 电机比较8 2 4 ，3 1 空载感应电势比较8 3 4 3 2自感比较8 3 4 3 3转矩比较8 4 4 4本章小结8 7 x i 上海大学博士学位论文 参考文献8 7 第五章d s m 电机驱动控制与应用试验研究8 9 5 1 5 2 5 3 5 4 5 4 1 5 相3 0 2 4 d s m 电机一9 4 5 4 2 3 相2 4 2 8 d s m 电机一9 5 5 5应用实验9 7 5 5 1 恒功率弱磁扩速9 7 5 5 2 变速恒压发电9 8 5 5 - 3多模式运行9 9 5 6 本章小结1 0 0 参考文献1 0 1 第六章总结与展望1 0 2 6 1总结1 0 2 6 2 展望1 0 3 附录ad s m 电机驱动控制电路1 0 4 久1 原理图1 0 4 a 2制版图1 0 7 攻读博士期间完成的主要工作11 4 发表的论文1 1 4 申请的专利11 6 参与的项目。1 1 6 获得的奖项11 6 j l j 谢11 7 x l l 9 0 1 4 8 9 9 9 一 一 一 一 ： 一 ” = ： 一 一 一 ： 一 一 一 一 片 一 一 一照 物 验 实 试一及统性图系特台构制然平结控自验机动机实样驱电 卜海大学博上学位论文 第一章绪论 本章主要介绍课题背景和选题意义。首先介绍了永磁材料及稀土永磁电机的发 展历程，针对几种主要的用于宽调速场合的永磁电机的结构特点，分析了永磁电机 扩大磁场调节能力的研究现状，在此基础上引出一种能够真正实现在线调磁的永磁 电机一一记忆电机，指出其在永磁电机设计中的作用，最后针对记忆电机当前的研 究现状及存在的若干问题，提出了本文的研究内容。 1 1 课题背景与研究意义 世界上第一台电机就是永磁电机【，早在十九世纪二十年代就己出现，但是早 期的永磁电机所用的永磁材料为天然磁铁矿石( f e 3 0 4 ) ，磁能密度很低，制造的 电机体积庞大而容量很小，不久就被电励磁电机替代。一直到本世纪三十年代铝镍 钴( a l u m i n u mn i c k e lc o b a l t ，a l n i c o ) 永磁体的出现，永磁电机才开始真正得到 应用。a l n i c o 永磁体具有很高的剩磁( 最高达1 3 5 t ) ，但是由于矫顽力较低 ( 3 6 1 6 0 k a m ) ，磁能积一般不超过8 5 k j m 3 ，而且磁化曲线具有很强的非线性， 回复线与退磁曲线并不重合，因此a l n i c o 永磁电机在设计时必须进行最大去磁效 应核算，人为决定回复线的起始位置，并保证在运行时该起始点不再下降。此外， a l n i c o 永磁电机在装卸过程中与铁磁材料接触，很容易发生大幅度退磁现象，为 了克服这一缺点，通常在电机极靴上另放置一套充磁绕组，以在发生退磁后再次充 磁。在a l n i c o 之后，本世纪五十年代，铁氧体永磁材料出现，它的磁能积要小于 a 1 n i c o ( 一般不超过4 0 k j m 3 ) ，但是由于它的矫顽力较高( 1 2 8 3 2 0 k a m ) ，回复 线基本与占退磁曲线大部分的直线段重合，不需要进行稳磁处理，且不含稀土元素 和贵金属，加工工艺简单，价格低廉，因此很快超过a l n i c o 成为永磁电机的首选 材料。永磁材料进入一个崭新的历史时期是从六十年代发明稀土钴和八十年代发明 钕铁硼( n e o d y m i u mi r o nb o r o n ，n d f e b ) 开始的，这两种材料的共同特点是磁能 积、剩磁、矫顽力都很高，其中尤以n d f e b 稀土永磁为优，它由日本住友特殊金 属( 现为n e o m a x 公司) 和美国通用汽车公司( 现为m a g n e q u e n c h 公司) 分别采 用烧结和粘结形式研制成功，并于2 0 0 1 年陆续由国内企业买下专利进行大规模生 产【2 j 。目前n e o m a x 实验室测试的烧结n d f e b 的最大剩磁已经达到了1 5 5 5 t ， 上海人学博上学位论文 磁能积达到4 7 4 k j m 3 【3 1 。毫无疑问，这类永磁材料可以在提供高磁通的同时保证电 机在运行过程中不被退磁，而这正是永磁电机从诞生的一开始就要求达到的目标。 伴随着第三代稀土永磁材料的发明，稀土永磁电机重新开始取代大部分电励磁 电机。首先发展起来的是转子装有辅助绕组( 鼠笼条) 的自起动永磁交流( 1 i n e s t a r tp e r m a n e n tm a g n e t ，l s p m ) 电机和随着直流斩波器的成熟发展起来的永磁直流 ( p e r m a n e n tm a g n e td i r e c tc u r r e n t ，p m d c ) 电机。从7 0 年代开始，伴随着半导体 功率器件、电子计算机及各种控制技术的迅猛发展，不带鼠笼绕组，依靠逆变器驱 动的( p e r m a n e n tm a g n e ta l t e r n a t ec u r r e n t ，p m a c ) 电机以其优良的调速性能迅速发 展起来。由于没有鼠笼绕组，转子惯量比白起动l s p m 电机小，又不需要p m d c 电机的电刷，因此在各种工业伺服驱动中得到了广泛的应用。这类永磁电机是现代 材料科学、电力电子科学及现代控制理论相结合的产物，体现着当今应用科学的许 多最新成果，逐渐成为现代电机的发展趋势。 永磁电机为了运行可靠，必须保证正常运行时永磁体不被退磁，除了采用高矫 顽力的永磁材料外，在电机设计上最直接的就是要保证永磁体沿磁化方向具有一定 的厚度，足够抵抗电枢反应的影响，更为可靠的设计还要保证在短路故障、高温 ( 钕铁硼等) 、低温( 铁氧体等) 以及机械振动等极端情况下的抗去磁能力。但是 永磁电机稳定的磁性能也造成了气隙磁通的难以调节，增加了在一些场合应用的难 度，最为典型的就是弱磁扩速。弱磁扩速是指当电机到达一定的转速后，由于供电 电压、逆变器容量及自身设计功率的限制，如果需要进一步提高转速，只能采用减 弱励磁的方法。而目前永磁电机的弱磁主要通过施加持续的去磁电流对抗永磁磁动 势，利用直轴电抗电压或混合励磁绕组产生的去磁电压抵消部分感应电势来实现 的，但无论哪种方式，无疑均增加了额外损耗。 直到2 0 0 1 年，克罗地亚裔德国著名电机专家o s t o v i c 在i a s ( i e e ei n d u s t r y a p p l i c a t i o ns o c i e t y ) 年会上年首次提出了记忆电机的概念【4 1 。最大特点是利用 a l n i c o 高剩磁、低矫顽力的特点，通过电枢绕组产生的直轴电流脉冲实现在线调 磁。原型机采用的a l n i c o 永磁体型号为o e r s t i t 5 0 0 s 5 1 ，其磁化曲线如图2 1 ( a ) 所示，可以看到其剩磁在1 2 t 左右，矫顽力在6 0 k a m 左右。图2 1 ( b ) 是 o e r s t i t 5 0 0 s 在不同温度下的磁化曲线【5 】，相比n d f e b ，其温度系数较低。 记忆电机的设计关键是转子铁心、非导磁材料、永磁体沿圆周方向依次叠压呈 “三明治”结构，从而避免交轴电流对永磁体的影响。之所以称为记忆电机是因为 2 上海大学博十学位论文 通过电流脉冲增磁或去磁后，如果再施加一定程度的反向电流脉冲，总可恢复到原 来的磁化状态，相当于具有记忆历史的功能。由于该电机的调磁是直接改变永磁体 的磁化状态，而不是利用外加磁动势来抵消，因此可以说是一种真正意义上的永磁 磁通可控电机。 p g 殳 、- 屯 h ( k a m ) ”行；。 ，j 三，? 吣i ；| ! t j | | 强 ，觞 ，劳 m dh - 4 8 f 菇 矿， 7 z * ，。 ( a ) 不同型号a l n i c o 磁化特性( b ) o e r s t i t 5 0 0 s 温度特性 图1 1a l n i c o 磁化特性5 】 f i g 1 1m a g n e t i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f a i n i c om a g n e t s 随着记忆电机概念的提出，国内外学者对此进行了研究，较为突出的是学者陈 益广提出的混合磁钢汜忆电机【6 】，目的是利用n d f e b 与a l n i c o 组成的混合磁钢提 高了记忆电机的气隙磁通。但是混合磁钢之间的相互作用较为复杂，如何准确地计 算磁场是一个难点。国外对记忆电机的研究成果以韩国学者h b l i m 最为突出【7 1 ， 率先把p r e i s a c h 磁滞模型与有限元计算结合，从而准确地计算了原型机不同充磁磁 动势下的磁场分布，但是文章需要大量的统计试验以确定p r e i s a c h 模型的分布函 数，数值实现较为复杂。应该看到，记忆电机从提出到现在只有短短几年时间，无 论在结构设计还是驱动控制等方面，都有其特殊性，它的进一步发展仍然面临着许 多挑战。首先原型机的转子结构存在加工工艺上的复杂性；其次，目前记忆电机均 局限于永磁同步电机( 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 ，p m s m ) 结构，采用 电枢绕组充去磁，要求准确的转子位置判断，在线调磁的控制难度较高，至今没有 关于记忆电机控制方面的文献发表；从目前检索到的国内外文献看，除了上述两位 学者的研究，一般以介绍记忆电机基本原理为主【8 1 。因此，如何在深刻理解记忆电 机设计思想的基础上拓展其研究内容，建立针对记忆电机行之有效的计算方法，构 建控制系统进行试验研究是当前亟待解决的重要问题。 本论文在对混合励磁双凸极永磁( 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 ，d s p m ) 电 机的研究基础上，创新地引入记忆电机的设计思想，提出了双凸极记忆( d o u b l y 上海人学博上学位论文 s a l i e n tm e m o r y ，d s m ) 电机的概念，在上海市自然科学基金“新型记忆永磁双凸 极起动发电机系统研究 ( 0 9 z r l 4 1 1 5 0 0 ) 和香港研究资助局香港大学专项基金 ( h k u 7 1 0 5 0 7 e ) 的资助下进行深入系统的研究，旨在提出思想新颖，结构优 化，计算准确的新型d s m 电机，并构建d s m 电机的驱动控制系统平台，综合评 估d s m 电机的各项性能，既丰富记忆电机设计思想的应用范围，又进一步促进 d s p m 电机的发展，为d s m 电机的应用提供理论与实验基础。 1 2 记忆电机的提出 1 2 1 永磁电机弱磁结构设计现状 永磁电机的弱磁控制思想来源于他励直流电机：在一定负载条件下，他励直流 电机的转速随着端电压提高而增加，当端电压达到最大值时，如果要进一步提高转 速，就必须减小励磁电流。这时由于端电压保持不变，如果忽略电枢压降，感应电 势也不变，则转速上升。把这一思想移植到p m a c 电机中，就会发现其弱磁的本 质是一致的：当p m a c 电机运行到基速时，也就是运行点位于电压极限( 椭) 圆 和电流极限圆的交点，转速如果继续升高，感应电势将超过逆变器的最大电压，这 时如果依然保持恒转矩的控制方式，电流矢量将不再跟随控制指令，转矩功率将迅 速下降，因此必须采取措施减小永磁磁动势，以降低感应电势。这通常有两种方 法，一种是增加一套励磁绕组，直接产生额外的直轴去磁电流，用于对抗永磁磁动 势；另一种是利用p a r k 变换，采用电流矢量控制方法增加反向的直轴电流分量， 用直轴电抗压降徊厶历抵消部分感应电势。由此可知p m a c 电机弱磁方法就是增 大直轴电流历和直轴电感厶，但受逆变器和电机容量所限，增加直轴电流势必要 减小交轴电流，因此不能任意增加，且过大的去磁磁势还会带来永磁体不可逆退磁 的风险，因此，更多的重点放在了如何提高直轴电感上。但是对于在直轴磁路上存 在永磁体的电机，厶增加也比较有限。文献 9 1 3 对表面式和嵌入式两类永磁电机 的弱磁性能作了从理论到实验的开拓性的研究，指出了在提高直轴电感的同时也需 注意交轴电感厶和空载电势岛，只有三者达到合理的匹配才能获得最大的恒功率 转速范围。为了进一步扩大永磁电机的弱磁能力，许多学者通过改进常规永磁电机 的拓扑结构，从电机本体设计的角度出发，提出了提高永磁电机弱磁扩速能力的方 法。 4 卜海大学博上学位论文 为了在增加电机弱磁能力的同时降低损耗及避免不可逆去磁的风险，美国俄亥 俄州立大学的许龙亚教授于1 9 9 5 年提出了一种如图1 1 所示的永磁电机【1 4 】，主要 有两个特点：第一，去磁电流白并不直接对抗永磁体，而是用来改变永磁磁通路 径，使得部分磁通不经过气隙，直接通过铁心与隔磁桥形成回路，既减小了去磁电 流，又避免了不可逆去磁风险；第二，由于永磁体径向上方布有铁心，相比传统表 贴式电机，增加了直轴电感和弱磁能力。这种电机的设计关键是隔磁桥尺寸的确 定，过大将影响弱磁效果，过小则会降低正常运行时的气隙磁通。 图1 1 辅助铁心永磁电机1 1 4 1图1 2 顺极混合励磁永磁电机”1 f i g 1 1p m a cm o t o r w i t ha u x i l i a r yi r o nc o r e f i g 1 2p m a cm o t o rw i t hc o n s e q u e n tp o i e s 图1 2 是美国威斯康星大学的l i p o 教授及其学生j a t a p i a 在2 0 0 1 年设计的混 合励磁顺极永磁( c o n s e q u e n tp o l ep e r m a n e n tm a g n e t ，c p p m ) 电机【1 5 】，定转子均分 为两段，其中定子中间沿圆周方向嵌入直流励磁绕组，转子两段分别为永磁体和铁 心，依次交错排列，每一段的永磁体均同极性排列。与图1 1 所示的辅助铁心 p m s m 一样，c p p m 电机的优点同样在于直流励磁产生的去磁磁势几乎不经过永磁 体，而是通过铁心极来调磁，因此去磁能力更强，调磁范围更宽，也不容易对永磁 体产生不可逆去磁，而且混合励磁形式降低了控制难度，但铁心极内存在交变磁 通，增加了铁损耗，同时也增加了电机体积，励磁绕组下的气隙并不参加能量转 换，三维磁路也导致漏磁增加。需要指出的是这种结构实际上是对1 9 8 9 年英国学 者提出的原型机的改进【l6 】，国内学者唐任远院士也改进了该结构并应用在混合励 磁发电机上【1 7 】，美国学者m a y a d i n 把顺极设计用在了混合励磁盘式电机上【1 8 - 1 9 1 。 图1 3 是英国学者b j c h a l m e r s 提出的一种轴向两段式并列同步电机【2 0 1 ，实际 上是由一台表贴式电机和一台转子轴向叠片各向异性的同步磁阻电机组成，定子共 用。目标是通过两台电机的合理设计获得期望的厶圮口。这种电机调速原理简单， 但是加工工艺稍显复杂。 5 上海大学博上学位论文 图1 3 轴向并励式p m s m 2 0 f i g 1 3p m s m w i t ha x i a lp a r a l l e ls t r u c t u r e 转子轴向分段的另一种形式如图1 4 所示，转子第一段固定不动，第二段根据 弱磁程度旋转一定角度，该结构先后以永磁体表贴式和嵌入式的形式于1 9 9 8 年和 2 0 0 2 年申请了美国专利【2 1 。2 2 】，但是这种结构需要额外的装置来调节第二段转子的 偏移角度，无疑增加了体积和组装工艺。利用辅助装置进行弱磁的还有通过抽拉转 轴等效减小轴长矧和盘式电机中改变气隙长度【2 4 】