（电机与电器专业论文）新型半导体换流低速磁阻电动机的研究.pdf

晰江土学博士学位论文抽喜 a b s t r a e t t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t s a t y p e o fl o w s p e e d a n d h i g ht o r q u e m o t o r - s e m i c o n d u c t o rc o n v e r t i n gl o w s p e e d r e l u c t a n c em o t o r ( s c l r m ) w i t hn o v e ls t r u c t u r e a n dp r i n c i p l ef o rt h ef i r s tt i m e i ns t e a do fa n yg e a r b o x ，s c l r mc o n s i s t so fa t r a d i t i o n a lv rl o ws p e e d s y n c h r o n o u s m o t o rc o m b i n e dw i t has t a t i cc o n v e r t e r c o m p o s e do n l y o fs i xd i o d e s f o rt h i s r e a s o n ，s c l r mn o to n l y i n h e r i t st h e a d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r ea n dt e c h n i q u e sf r o mt h et r a d i t i o n a lv r l o ws p e e d s y n c h r o n o u sm o t o r ，b u t a l s oo v e r c o m e si t sl i m i t a t i o no fl o w e rt o r q u e c a p a b i l i t y , w h i c hb r e a k san e w a p p r o a c h t ot h er e s e a r c ho fl o w s p e e da n dh i g ht o r q u em o t o r sf o r d i r e c td r i v e a p p l i c a t i o n s i n t h i s d i s s e r t a t i o n ，s y s t e m a t i c t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t a ls t u d y a r ec a r r i e do u to nt h e o p e r a t i o np r i n c i p l e ，d e s i g nf e a t u r e s ， m a g n e t i c f i e l d d i s t r i b u t i o n ，s t e a d y s t a t ep e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c sa n d s p e e d a d j u s t a b l ec o n t r o l l i n gs y s t e m ，l a y i n gs o l i df o u n d m i o n o fb o t h t h e o r ya n dp r a c t i c ef o r t h i st y p eo f m o t o r o nt h eb a s i so fi n t r o d u c i n gt h em o t o rs t r u c t u r e ，t h e s e l f - e x c i t i n gc o n v e r t i n g p r i n c i p l eo fs c l r mu n d e rt h r e e p h a s ea cs u p p l y i s d e s c r i b e d b ya n a l y z i n gt h e p e r m e a n c ea n dm a g n e t i cf i e l di nt h ea i rg a po fs c l r m ，t h ec o n d i t i o n sf o rc o n s t a n t t o r q u et om a i n t a i nw h e no p e r a t e da ts y n c h r o n o u sl o ws p e e di sd e d u c e d ，f r o mw h i c h t h ew o r k a b l em a t c h i n gn u m b e ro fs t a t o rt e e t hw i t hr o t o rt e e t hi s d e t e r m i n e d i n a d d i t i o n ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l so fs c l r mb o t hi n m u l t i p h a s e f r a m ea n di n c o m p l e x v e c t o rf r a n l ea r ee s t a b l i s h e d ，a sw e l la st h el i n e a rm a g n e t i cn e t w o r km o d e l f r o mw h i c ht h ec a l c u l a t i o no ft h ei n d u c t a n c eo ft h e p h a s ew i n d i n gi sd e r i v e d b e s i d e s t h i s ，t h ec a l c u l a t i o no fm a g n e t i ce n e r g ya n de l e c t r o m a g n e t i ct o r q u eo fs c l r mi s d e d u c e d b y v i r t u a l d i s p l a c e m e n tp r i n c i p l e ，a n d t h e p h y s i c a l e s s e n c eo ft h e e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ei sa l s oa n a l y z e di nd e t a i l t h e d e s i g nf e a t u r e so fs c l r m a r ea n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e l y ，b a s e do nw h i c h t h e e n g i n e e r i n g c a l c u l a t i o nm e t h o d so ft h e p e r f o r m a n c e a r e p r o p o s e d t h e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ec a l c 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 so ft h es a m p l em a c h i n e s h o w st h a tt h ee n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o nm e t h o d sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o nm e e tt h e a c c u r a c yd e m a n d so f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n i l 晰江太骨博士学性论文批要 t h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o na n dt h ed i s t r i b u t i o no f a i r g a pf l u xd e n s i t yu n d e r o n es t a t o rp o l eo fs c l r ma td i f f e r e n tr o t o rp o s i t i o n sa r ec a l c u l a t e di nd e t a i lb yt w o d i m e n s i o n a lf e m t h ep r o p e r t ya n dt h ed i s t r i b u t i o nf e a t u r e so ft h em a g n e t i cf i e l do f t h en o v e lm o t o ra r e a n a l y z e d ，a n d t h ei n d u c t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s a m p l e m a c h i n ea ef u r t h e rc a l c u l a t e d a c c o r d i n g t ot h e p a r t i c u l a rw i n d i n gc o n n e c t i o n o fs c l r m ，a no p e n l o o p v a r i a b l ef r e q u e n c ya d j u s t a b l es p e e ds y s t e mw i t l lan o v e li n v e r t e rd i f f e r e n tf r o mt h e t y p i c a lv s i i sd e v e l o p e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h es a m p l em a c h i n es h o w st h a t t h e r ee x i s t sa na p p r o x i m a t e l yc o n s t a n t p o w e rs p e e da d j u s t a b l e c h a r a c t e r i s t i ci n s c l r m i na d d i t i o n ，ap r o j e c to fs p e e dc o n t r o ls y s t e mw i t hf e e d b a c ki sp u tf o r w a r d i nt h i st h e s i s t h e s y s t e m s i m u l a t i o nm o d e li s i m p l e m e n t e d i np s p l c e t h es t e a d y s t a t e s i m u l a t i o np e r f o r m a n c eo fs c l r mi nb o t hs e l f - e x c i t i n go p e r a t i o nm o d ea n di n v e r t e r f e e d i n g m o d ea r es t u d i e d ，a n dt h ee f f e c to nt h es t e a d y s t a t ep e r f o r m a n c eb yt h em o t o r p a r a m e t e r sa n dt h ed r i v i n gm o d ea r e a l s os i m u l a t e d ，v e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s f u r t h e rm o r e ，t h em a i nr e a s o no ft h et o r q u er i p p l ei sa n a l y z e db ys i m u l a t i o ni n t h e v i e w p o i n to fe n e r g y t h e s i m u l a t i o na n dt h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r ew e l l c o i n c i d e d ，w h i c h a c c o u n t sf o rt h es u f f i c i e n t a c c u r a c y o ft h es i m u l a t i o nm o d e l p r o p o s e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n k e y w o r d s s e m i c o n d u c t o r c o n v e r t i n g l o w s p e e d r e l u c t a n c e h i g ht o r q u e d i r e c td r i v ef e mv a r i a b l ef r e q u e n c ya d j u s t a b l es p e e d s i m u l a t i o n 嘶讧太学博士学隹静文 摹一幸 第一章绪论 摘要：本章阐述了本课题的背景及选题的意义：作为文献综述介绍了低速电动机国内 外的研究概况及两种典型的磁阻电机分析理论的发展概况：提出了本文研究的半导体换流 低速磁阻电动机( s c l r m ) ，最后介绍本文后续各章的主要内容。 1 1 课题的背景及选题的意义 传统交流电动机的转速一般在7 5 0 3 0 0 0 r m i n 这一中高速范围内，随着现 代科学技术的发展，这种转速很难满足各种工业设备运行的需要。在许多场合， 大到工业传送系统、原料搅拌系统、机床进给系统，小到传真通讯、录音复制、 钟表机构等，都要求电动机转速仅为每分钟几十转甚至几转，个别场合甚至要 求电机转速为几小时、几天一转，因而往往要求降低电动机的转速和增大输出 转矩。 从原理上说，对于传统的同步或异步电动机，只需增加它们的极对数就能 达到降低转速的目的。但是，电机极对数的增加受到结构和工艺因素的限制， 且会使电机的体积和重量增加，降低了电机的利用率，因而在实用上，这种方 法只能用于一定的转速范围。因此，为了得到低速大力矩约9 0 的电动机必 须与庞大的齿轮减速机构配套使用。电机采用齿轮传动后，不仅使整个系统的 体积和重量增加噪声增大，效率降低，而且使传动精度降低快速反应性变 差。另外，齿轮的磨损还会带来系统寿命和可靠性的隐患。许多年来国内外 都非常重视低速电动机的研究，即要求电动机在保持一定输出转矩的情况下， 毋须减速机构直接输出低转速，可以直接驱动机械设各从而使传动系统大为 简化，噪声降低，既能节约能源，降低成本，又提高了整个装置的精度和可靠 性，这一技术代表着电机发展的一个方向，各国都在竞相开发研制各种低速电 动机。 随着空间技术的发展，低速电机在宇航、卫星、火箭等尖端技术领域应运 而生，如太阳天线阵列驱动、顷性基准元件的扭转、展开机构及节流闷控制等 都需要高效高可靠性的低速电机的直接驱动。之后，低速电机的需求领域迅速 从军事和高精尖部门普及到工农业生产。据不完全统计，我国每年需生产近6 0 0 万台各类减速机与普通电机配套使用，若采用低速电机，市场前景十分乐观。 晰讧土学博士学位静文摹一幸 以医用x 光机的床身翻转系统为例，仅这种x 光机在我国每年大约生产4 0 0 0 台7 1 ，如改用低速电机直接驱动，就省掉了原先齿轮、蜗轮、蜗杆、丝杆构成 的庞大的减速系统，不仅提高了产品的综合性能，而且节省了能源和大量的原 辅材料，其社会效益也十分可观。 本课题正是基于工农业生产实际希望电机直接输出低速大力矩的背景提 出了一种新型结构的半导体换流低速磁阻电动机，针对现有低速电机中存在的 不足之处，同时借鉴现有磁阻电机的分析方法和控制方式，对该种新型低速电 机的运行机理、磁场分布、设计特点、运行特性及驱动系统作系统、全面的探 索性研究为该种电机的进一步开发和应用提供理论基础，这在理论上和实践 中都具有重要意义。 1 2 低速电动机国内外研究概况 低速电动机到目前为止还没有确切的定义，概括起来大致可以分为两类， 一类即般所说的低速电动机，是那些利用特殊原理和结构制成的低速运行的 电动机在工频5 0 赫兹的情况下它们的转速范围往往在每分钟一百转以下1 1 1 ； 另外一类是对现有的某些电机采用特殊的控制方法实现低速运行。 从二十世纪六十年代起，人们就开始努力研究不同原理、不同结构的低速 电动机归纳起来主要有以下几种： ( 1 ) 谐波传动电动机1 1 ，2 “。1 9 6 3 年美国联合制鞋机械公司( u s m ) 首先发 明了伺服低速电机并成功应用于航天领域，之后日本、德国引进美国全套技 术并依此原理制成了谐波传动电动机( r e s p o n s y n ) 。它是利用电机中产生的 电磁力和谐波减速器原理结合起来得到低速的，定子为一般结构嵌有两相或 三相励磁绕组，转子由柔性材料制成，运转中转子作波形运动，即由椭圆变形 产生的摆线运动，从而直接获得低速，减速比可达1 1 0 0 1 2 0 0 。谐波传动电动 机具有直接输出低速、反应快、起动和停止灵敏、起动电流小、堵转力矩较大 的优点，因此在定位伺服系统中可作伺服电动机和力矩电动机使用。这种电机 转子部分需要承受反复变形和接触磨擦，因而它的材料和加工是保证性能的关 键。由于材料及制造工艺等原因谐波传动电动机没有得到广泛应用。 ( 2 ) 滚切式电动机。滚切式电动机在原理上是把电机中产生的电磁力和 2 一 嘶讧土孽博士学位论文尊一幸 机械上的行星减速原理结合起来的一种低惯量、低转速的交流电动机，利用气 隙磁场产生单边磁拉力把转子吸向定子一边，并使其跟随气隙中的单边旋转磁 场沿定子内圆作滚切运动，从而利用定、转子的偏心距输出低转速。但在实际 结构中，这种滚切运动的是不能直接实现的，必须采取措施防止磨损：另外由 于定、转子的偏心会引起轴的摆动，因而这种电机应用也很少。 ( 3 ) v 型绕组电动机口”。为了适应某些伺服系统的需要，如机床加工中刀 具的行进过程，由日本安川电机制造所设计的定位伺服电动机，即v k 电动机。 这种电机的结构特点是在普通的单相或三相异步电动机中采用高阻抗的鼠笼转 子或实心转子，一般为两级变速，高速时与普通异步电机相同，低速时利用控 制开关将电机绕组接成v 型接法并与整流器和电阻相联结，如图( 1 - 1 ) 所示， 由于绕组电流不对称并产生直流分量，引起输出的合成转矩减小，从而达到减 d ( a ) 高速( b ) 低速d 。 ， 图( 1 1 ) v 形绕组电机的接线方式 速目的。这种电机的优点是可以通过调节电阻的方法调节低速时的转速、起动 和制动转矩另外由于这是一种异步电机结构，所以可靠性好，成本低；但 这种电机实质上是通过改变转差实现低速，其同步速并没有改变因而低速时 发热严重且减速范围不大，最大减速比仅为1 1 0 ，一般作位置伺服元件用。 ( 4 ) 电磁减速式低速同步电动机。这类电动机是七十年代末发展起来的 低速大力矩同步电动机，最早是由美国西屋公司工程师l w c h u b b tt r w a t t 研 究成功的，之后在美、日、德、俄等国均发展了许多品种，主要有三种结构型 式：定子绕组激磁的反应式低速同步电动机图( i - 2 a ) 、直流电轴向激磁的电励 磁式低速同步电动机图( 1 2 b ) 、永久磁钢轴向澈磁的永磁式低速同步电动机图 一1 一 兰兰圭! ! ! 竺坚 ! 二! _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - ，一 ( 1 - 2 c ) a 电磁减速式低速同步电动机都是根据定转子开口槽引起气隙磁导变化原理 ( a ) 反应式 ( b ) 直流电轴向励磁式 滞割漱隰圣藏熊 辩鹾斜谍 浏删h “j 卅国陡 ( c ) 永久磁钢轴向励磁式 圈( i - 2 ) 电磁减速式低速电动机 工作- 利用被称之为基波旋转磁导波的( z 2 一z 。) 次低次气隙旋转磁导波( 其中z 为定子齿数z ：为转予齿数) 的转速与转子转速之间存在的减速倍数 足s2 i i ，从而获得低速输出的。低速同步的条件是：当空间两个旋转磁 场的次数相同且彼此相对静止时，相互作用就能产生同步转矩。为此电磁减 速式低速同步电动机的定转子齿数与定子绕组极对数p 之间应满足以下关系： z 2 一z 1 = 2 p ( 反应式) ( 1 - 1 ) z 2 一z l = p ( 轴向激磁式) ( 1 - 2 ) 晰扛土学博士学怔论文舞一幸 在电网频率一定时，转子转速仅取决于转子齿数： 一詈( 蛳n ) ( 反蝴 忙詈( n ) ( 轴向激励式) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 文献 1 6 】中提供了三种结构的电磁减速式低速同步电动机性能比较见表 ( 1 - 1 ) 表( 1 - 1 ) 三种低速同步电动机性能比较 结构型式 参数符号 永磁式电激磁式反应式 电源电压 u ( v ) 2 2 02 2 01 7 6 相电流i ( a ) o 3 607 2 0 2 5 相数 22 2 极对数p 222 转子齿数z 2 5 05 0 5 2 定子齿数z 】 4 84 8 5 2 电源频率f ( h z ) 5 05 0 5 0 转速 n ( d m i n ) 6 06 01 1 5 力 矩t ( n m 1 4 o4 70 7 5 ，功率p ( w ) 2 52 9 6 9 0 6 效率 n ( ) 3 2 52 3 52 4 功率因数c o s 巾 0 4 8 50 3 3 0 4 3 铁心尺寸d h c r n )1 0 2 7 21 0 61 0 2 7 2 由表可知，反应式结构虽较另外两种简单，但输出转矩很小，即使增加输 入电流，其输出转矩也不会超过另外两种。电激磁式由于激磁可调，输出力矩 可以做得大一些，但结构复杂，且力能指标较差。因而这两种低速同步电动机 应用不多。相比较而言永磁式低速同步电动机的研究较为成熟，特别是随着 永磁技术的发展和永磁材料性能的不断改进，已经走向多样化，主要体现为四 个方面： 1 ) 定转子齿距关系的变化，有等齿距结构和游标结构； 5 一 嘶弘土学博士_ 孽佳静文 辜一章 2 ) 电机齿形的变化，如矩形齿和梯形齿； 3 ) 永磁材料的变化，早期主要使用铁氧体和铝镍钴，目前稀土永磁如钕铁 硼也应用于该种电机中。 4 ) 永磁励磁方式的变化，有轴向励磁和径向励磁。 1 9 9 4 年，日本东京大学石崎彰教授等人研究开发出了一种新型结构的永磁 低速同步电动机【l ”，其铁心断面如图( 1 3 ) 所示。该电机主要结构为三相八极 定子4 8 槽，转子5 2 槽，槽中嵌有磁条，定子侧磁条对气隙显n 极，转子磁条 对气隙显s 极。这种电机可视为径向励磁低速同步电动机，磁压降较小，因此 i 笙i ( 1 - 3 ) 铁心断面( 一对极y ”1 节省永磁材料，铁心利用率高，效率和功率因数都得到提高。 七十年代末发展起来的混合式步进电机从电机本体结构上来说也是一种感 应子式永磁低速同步电动机。“混合式”这个名称的由来是因为这种电机是在永 磁和变磁阻原理共同作用下运行的嘲。这种电机崴初是作为种低速驱动用的 两相同步电动机而设计的，后来发现如果各相绕组通以直流脉冲电流时，也可 以作步进增量运动 i 9 1 。由此看来，混合式步进电动机和轴向励磁式永磁低速同 步电动机实质上是同一种电机。只是由于运行方式不同而各自得名。文献 2 0 1 就是把一台原五相混合式步进电动机绕组中的l 、2 两相反相串联成a 相。3 、 4 、5 三相反相串联成b 相，从而改作一台两相低速同步电动机1 2 “。 电磁减速式低速同步电动机的主要优点有：瞬时转速稳定度高：电气机械 常数小。能瞬时起停及反转，以某6 0 转分的电机为例其启停时间常数仅为5 毫秒；负载从空载到满载变化时电流变化很小：电源简单，恒速运转可直接用 工频电源：若配置变频电源，可实现无级调速。但是电磁减速式同步电动机是 基于磁阻作用的电动机，以至存在些固有缺陷：气隙长度小。加工难度大； 一6 一 浙江大学博士学位论文第一童 力能指标低。这种电动机一般为输出转矩为几牛米以下的微型电机，主要用于 传真通讯、钟表机构、计测装置等方面或作为各种电动执行机构，难以满足实 际工业生产中大功率、大转矩的要求。 ( 5 ) 脉振磁场永磁低速同步电动机。针对电磁减速式同步电动机无法做到 大功率的局限，哈尔滨工业大学于1 9 9 8 年提出了一种新型结构原理的脉振磁场 永磁低速同步电动机i ，其结构特点为转子多极表面磁钢结构，定子为等齿距 图( 1 - 4 ) 脉振磁场低速永磁同步电动结构 分数槽结构，每极槽数接近1 ，绕组节距为1 个槽，三相绕组不象普通永磁同 步电机那样相间放置，而是分别集中放置于定子一段圆弧内，如图( 1 - 4 ) 所示。 脉振磁场永磁低速同步电动机正是利用绕组的特殊布置使得定子三相绕组的相 轴在空间不是互差1 2 0 。电角而是基本同相，在通三相交流电时产生脉振磁场。 该种电机的主要优点是可以实现自起动，依靠起动转矩中的脉振转矩直接牵入 同步，而无须象普通永磁同步电机那样依靠鼠笼异步转矩起动后牵入同步。但 是这种电机本质上说还是通过多极实现低速，一定的电枢直径下，极数的增加 会受到磁钢粘贴或充磁工艺的限制，加剧磁钢的端部扩散效应，因而转速难以 做到很低。 此外还有一些其它型式的低速电动机，如英国能量转换系统公司( e n e r c o n ) 研究开发的脉动低速电动机2 ”，它用一般的交流电源使动件产生振动，通过 套单向转动的离合器产生输出轴的单向低速转动，空载转速可做到每分钟二十 转以下多应用于计算器、印刷设备及遥控定位系统的伺服控制。随着工业生 产的发展，人们也在为特殊需要而设计低速电动机，如为了液体灌装生产中防 止因晃动而使玻璃瓶倾倒而设计的双中心电动机就是其中的一种，其结构上 与普通的三相或单相异步电动机的区别在于定、转子之间还存在一个笼型可自 晰讧土学博士学位论文 第一幸 由转动的薄壁圆筒，即外转子，工作时从内、外两个转子上分别得到不同速度 的低速和高速输出，但是这种电机内、外转子之间在电性能和转速方面的相互 影响还有待进一步研究。另外有一些工作是尝试在原有基础上提出改进结构， 如俄罗斯利用其杯形转子的技术特长提出的一种杯形转子电磁减速式低速电动 机”1 ，其特点是具有同轴结构的内、外定子和一个铁磁材料制成的无绕组的杯 形转子，杯形转子上铣有穿通的窗形槽，其作用与实心转子开口槽一样，使气 隙磁导分布发生变化，从而产生磁阻转矩。由于转子为一空心圆筒，所以转动 惯量较小，改善了起动性能，提高了灵敏度。基于这种思路，八十年代初，美 国r o s sw e l b u r n 设计出一种直接驱动机器人技术的双定子超高转矩电动机( 2 ”， 图( 1 - 5 ) 双定子超高转矩电动机结构示意 如图( 1 5 ) 所示。该电机是一个无永磁体的三相变磁阻装置，采用逆变器供电。 电机的转子为薄壁环形结构，放在两个同心定子之间，通过对磁极依次通电产 生磁阻转矩。这种电机实际上相当于细分的步进电机，由于内外定子同时与转 子相互作用，使单位铁心质量的转矩增大了几倍，从而满足机器手低速高转矩 的要求，并具有高的角位置精度和角分辨率。且转子磁路很短，磁阻很低，这 样电机每安匝具有高磁通，电机具有高的转矩功率比。但是这种电机工艺难度 很大，成本较高。 另外，现有的某些电机也可以作低速运行，如前面所提到的混合式步进电 机，就是一种感应子式永磁低速同步电机，可作步进式低速运行，但一般为微 型电机，难以做成大功率，适用于伺服系统；开关磁阻电机通过斩波限流控制 方式1 也可实现低速运行，文献 2 4 中就提出了单脉冲调角方式、双脉冲调角 方式、脉宽调制方式和调幅方式四种低速运行的控制方式，前两种方式控制线 路简单，但出力较小，转矩脉动大，后两种方式转矩脉动相对较小但线路复 一8 一 浙江太学博士学位论文舞一幸 杂。且不适合重载运行。 综上所述，尽管目前已有种类繁多的低速电动机，但是大多是输出转矩仅 在几牛米以下的小功率或微型电动机，应用于军工或民用各种伺服系统难以 满足生产机械大力矩直接驱动场合的需求，少数可以做到数十牛米或上百牛米， 但结构工艺及控制线路复杂成本较高。 本课题研究的半导体换流低速磁阻电动机( s c l r m ) 电机本体借鉴了反应式 低速同步电动机的简单结构( 也类似于单段反应式步进电动机) ，旨在利用特殊 的绕组结构和控制方式实现大功率和大转矩。虽然在作用机理上与典型的磁阻 电机( 反应式低速同步电机、步进电机、开关磁阻电机) 十分相似，但是它们之 间在电机设计特点、驱动控制方法、运行特性及应用场合等方面有着很大区别， 几种磁阻电机的比较见表( 1 2 ) 。 表( 1 2 )几种磁阻电机的比较 v r 低速同步电机 v r 步进电机 s r m s c l r m 定转子为双开槽细齿结构定转子为双开槽细齿结构定转子为双凸极大齿结构定转子为双开槽细齿结构 定子绕组为多相分布绕组定子绕组为多相集中绕组定子绕组为多相集中绕组定子绕组为多相集中绕组 工作于多相交流电源励工作于开环状态，无转子利用转子位置信号运行于既可以工作于多相交流电 磁电流是多相对称正弦波位置反馈。励磁电流是按自同步状态，相绕组导通源，也可以由逆变器供电， 电流一定次序施加在备相绕组时刻与转子位置有严格对 励磁电流均足接一定次序 上的脉冲电流，绕组中电 应关系励磁电流是按一施加枉各相绕组l 的单向 流是单向的定次j 芋施加在各相绕组上 电琉 的咏冲电流，绕 i 【中电流 是单向的 一般不作控制一般通过调节逆变桥的开既可调节主开关管的开通一般通过调节逆变桥的开 关频率米调节转速角和关斯角，也可采用调 关频率来调节转速 压或煨流斩波控制来调节 转速 低速运行功率等级低，步进工作方式，多用于伺功率等级较高，多用于功低速运行功率等级较高 多用于伺服控制系统。服控制系统，对步距精度 率驱动系统一般为高速用于功率驱动系统。 要求报高，也可低速运行运行特殊控制方式下可 但功率等级低一般不作 实现低速运行但转矩脉 驱动用 动大 一9 浙c 土太香博士学位论文 摹一幸 1 3 两种典型的磁阻电机分析理论的发展概况 磁阻电动机在实际应用中主要包括步进电机和开关磁阻电机国内外的文 献报导中有关磁阻电机的研究基本都是针对这两种电机开展的。步进电机属细 齿结构，开关磁阻电机属大齿结构，尽管两者结构、驱动方式及应用场合均有 所不同，但工作机理相同，都是基于定转子的齿槽效应，遵循磁通总要沿着磁 导最大的路径闭合的原则产生磁拉力从而产生电磁转矩。 本文所研究的s c l r m 也是一种磁阻电机。在分析理论上与两种典型的磁 阻电机有一定的联系，也借鉴了它们的一些分析方法，因而有必要对两种典型 磁阻电机的分析理论作一个回顾。 1 3 1 步进电机分析理论的发展 步进电机从二十世纪四十年代末发展至今已有近六十年，对步进电机理论 的研究主要是在建立步进电机磁系统的精确数学模型基础上，分析计算步进电 机的基本特性、参数及运行性能，以及根据指标要求进行优化设计。 步进电机的数学模型在七十年代以前基本上采用线性模型。线性分析方法 不考虑磁滞涡流效应，认为气隙磁导随转子位置角作周期变化，仅考虑其恒定 分量和基波分量。一些文献介绍的线性分析方法主要有：( 1 ) 解析法分析气隙 磁场 2 5 , 2 6 1 ；( 2 ) 直线圆弧法近似计算气隙磁场2 埘，2 唧】：( 3 ) 气隙比磁导法 2 , 3 0 1 ： 线性分析方法将定转子表面视为等磁位面，并认为齿部磁密均匀分布，事实上 步进电机气隙非常小，定转子的槽宽一般大于齿宽，正常运行时齿部磁场高度 饱和，齿内磁密分布很不均匀，因而线性模型的精确程度不高。 七十年代后期，数值计算方法开始被引入步进电机的计算。由于步迸电机 整个磁系统的关键部分是定转子齿部及气隙，因而齿层部分磁场的分析计算首 先引起了人们的注意。1 9 7 9 年和1 9 8 0 年，h b e r t a n 首次采用有限差分法预测 多段反应式步进电机的矩角特性 3 1 3 2 1 并于1 9 8 1 年给出多段反应式步进电机的“重 复单元法”( r e p e t i t i v ee l e m e n t ) 模型 3 3 1 ，对齿层部分采用场求解，忽略了电机的 其它部分，计算量不大精确度比线性模型有所提高。该方法主要适用多段结 构反应式电动机，由于多段式结构有许多固有缺陷，因而已基本不再采用。 1 9 8 2 年，c h a i 和k o n e c n y 采用有限元法对齿饱和情况下的齿部磁导及其导 一1 0 一 晰太学博士学位论文 弗一幸 数进行分析，揭示了磁导的导数与磁阻力之间的关系】。j r b r a u e r 利用通用有 限元磁场计算软件a o s m a g n e t i c 对轴向磁化永磁盘式转子步进电机整个电 机磁场进行计算m 】，尽管计算精度更高，但所占内存及机时都多，实用性不强。 为了减小计算量，1 9 8 6 年h a n s e l m a n 提出“磁网络单元法”并对v r 步进电 机磁场进行了计算1 3 6 i 。 1 9 8 8 年，g h e i n e 提出了精确的混合式步进电机的等效磁网络模型，首次 在模型中考虑了定子极间漏磁通，分析了每极边缘转矩对矩角特性的影响【3 7 1 。 但这种模型耗费的机时也很大。 为了解决计算精度与计算量的矛盾，哈尔滨工业大学于7 0 年代末提出一种 新的场、路结合模型步进电机的齿层比磁导法 3 8 , 3 9 1 ，并于近几年得到很大的发 展，正在逐步完善之中。这种模型是对齿层部分用数值计算方法进行场求解， 将求解结果一齿层磁导作为集中参数与电机其它部分磁路构成非线性磁网络，再 进行求解。这种方法能适应高饱和度和变饱和度情况，并能适应多相绕组通电 的复杂情况，目前已用于步进电机静态和动态特性的计算1 5 , 1 2 , 4 0 1 4 1 1 。 1 3 2 开关磁阻电机分析理论的发展 开关磁阻电机( s r m ) 的深入研究始于二十世纪六十年代后期，1 9 7 0 年左右 英国l e e d s 大学步进电机和磁阻电机研究小组首创了开关磁阻电机的雏形，并 进行试验研究，发表了许多论文。1 9 8 0 年p j l a w r e n s o n 等人在i c e m 会议上 系统介绍了开关磁阻电机的原理及设计特点，发表的论文【4 2 1 为开关磁阻电机的 发展奠定了理论基础。之后各国学者对该种电机进行地广泛深入的研究，加拿 大、南斯拉夫在开关磁阻电机的运行理论及电磁场的分析方面进行了很多研究 。4 4 郇1 ，埃及对小功率的单相、二相开关磁阻电机的结构、起动性能等方面进行 了大量的研究1 。 在电机本体设计方面，主要工作集中在如何准确计算电机的参数与静态特 性。假设电机铁心不饱和，绕组电感仅随转子位置变化采用线性方法可推导 出电流、转矩计算的解析表达式1 6 , 4 ”。由于磁阻电机复杂的饱和现象，有限元方 法的发展为磁阻电机静态特性的准确计算奠定了理论基础。1 9 8 5 年加拿大学者 r a r u m u g m n 等人应用二维有限元法分析了6 4 极开关磁阻电机，较准确地计算 浙江土学博士学啦论文蕾一幸 出随转子位置变化的绕组电感，并计算了相邻极间的漏磁通m 】。1 9 9 2 年英国 s w i l l i a m s o n 教授将三维有限元法用于开关磁阻电机磁化曲线的计算，真f 计 及了开关磁阻电机的端部磁场i “1 。 有限元法固然准确可靠，但相对于磁路法，其数据准备、网格剖分、有限 元计算及后处理所需的工作量很大，不易于优化设计的实施，因而更多地被用 于对方案的最后校核而并不用来进行工程计算。 磁链电流磁化曲线簇是开关磁阻电机各种性能计算方法的基础m l 4 1 4 ”。至 今，国内外已提出了许多计算方法，这些方法可大概分成两类：一类是以数值 方法或试验方法获得完整的磁化曲线簇，建立数据库或对磁化曲线进行模化， 从而计算电机的性能；另一类是利用开关磁阻电动机几个特殊位置的磁化曲线 将电流或磁链作为转子位置角的函数进行模化，插值求取中间任意位置下的磁 化曲线。大量的有限元计算和实测结果表明，只要精确获得四个特殊转子位置 下的磁化曲线，就可快速准确地拟台出其它转子位置的磁化曲线从而计算出开 关磁阻电机各项性能。对于四条磁化曲线的计算，一般采用有限元法，j c o r d a 和j m s t e p p h e n s o n 提出的单齿结构开关磁阻电机最大、最小电感一种近似解析 算法，计算快速，易于编程，并具有较好的精度。1 9 9 0 年英国著名学者 t j e m i l l e r 教授等提出的快速非线性机辅设计方法，以对齐和不对齐位置磁化 曲线为基础，分三段进行模化，从而可利用最大、最小电感位置磁化曲线，插 值求取中问任意位置下的磁化曲线，推导出电磁转矩的解析公式，该方法的提 出使得开关磁阻电机近似性能计算更加工程化和实用化i 。文献 5 2 1 进一步提 出开关磁阻电机中间位置的两条重要磁化曲线的计算方法，从而可以利用四个 四个位置下的磁化啦线，快速而准确地计算开关磁阻电机的各项性能。 1 3 3 磁阻电机特性的几种典型分析方法 分析磁阻电机的主要工作在于求解电机绕组满足的电压方程 “：r i + 丝( 1 - 5 ) 出 采用何种分析方法，主要看在电机的电磁系统中用什么方法来描述绕组磁 链和绕组电流之间的关系。 有两种求解思路：一种思路和传统分析方法相同，将绕组磁链表示成电流 一1 2 一 一_ _ _ _ _ _ - - - - - _ - _ i _ - - _ _ _ _ _ _ l - _ - - _ - 。一 晰讧土学博士学吐论文 摹一幸 与电感的乘积，将方程( 1 - 5 ) 转化成以电流为状态变量的微分方程，求解任务 主要在于如何确定电感参数。另一种思路是以绕组磁链为微分方程的状态变量， 利用电机的磁化曲线来求解方程，或者联立求解电机磁场满足的泊松方程。 综合现有的文献报导，对磁阻电机的性能分析主要有以下几种典型的方法： ( 1 ) 气隙比磁导法 这种方法属于第一种思路，七十年代初期建立是以线性分析方法为基础 分析步进电机性能的一套较完整的工程实用计算和设计方法，通过求气隙磁导 确定绕组的电感参数。在计算气隙磁导时仍采用线性假定，用工程上常用的代 角法计算，应用相似原理，预先算出所有可能的几何尺寸比范围内的气隙比磁 导，制成表格或曲线：但在计算转矩和绕组安匝时，仍考虑磁路其它部分的磁 压降，把电机看成一个磁网络。这种方法由于结合了传统的磁路计算，并加以 经验的修正，实际上已经部分考虑了非线性因素，因而在工程上被广泛应用。 ( 2 ) 电感参数法 这种方法是属于第一种思路的非线性方法。将方程( 1 5 ) 转化成以电流为 状态变量的微分方程 删，+ 警删+ 华划+ z 罢+ 荡警 s ， d td td t8 ed t 1 式中，= ( l + z , = u l ) 为绕组的增量电感。这种方法能计算多相通电情况下电机的 运行性能，但精确计算绕组电感参数相当困难。 ( 3 ) 非线性磁参数法 这种方法是由j m ，s t e p h e n s o n 和j c o r d a 提出的对开关磁阻电动机稳态特性 的仿真方法。利用计算或测量的磁化曲线簇7 ( 0 ，f ) 反演为i ( o ，掣) 形式的电机磁 特性，从而用四阶龙格一库塔法求解方程( 1 - 5 ) 的交形形式 芸：”一g i ( o ，r ) ( 1 _ 7 ) 这种方法虽计算准确，但需要完整的磁化曲线数据库，计算速度较慢，另 外，由于p 和i 是一一对应的因而只能用来分析单相通电时的情况。 ( 4 ) 快速非线性法 这种方法由t j e m i l l e r 教授提出，是利用开关磁阻电机几个特殊位置的磁 化曲线，将电流或磁链作为转子位置角的函数进行模化，插值求取中间任意位 1 3 一 晰恤土学博士| 孽证论文 摹一幸 置下的磁特性。求解思路是：由上一步的电流解方程( 1 - 7 ) 获得当前位置下 的磁链墨。利用模化的磁化曲线解析公式求取对应的对齐或不对齐位置下的 磁链值。、，再根据所求得的两条磁化曲线求取当前电流值。这种方 法运算速度快，但精度不高，经验公式的引入也限制了其应用范围。 ( 5 ) 混合模型方法 1 9 9 5 年由l o n g y ax u 等人提出 5 3 1 ，这种方法将绕组电流和绕组磁链同时当 作状态变量，在开关磁阻电机的稳态分析时，只要在稳态周期的每个离散点上 联立求解方程( 1 - 5 ) 和电机磁场满足的泊松方程 昙( “警) + 击( “静一 s ， 即可求出电机的绕组磁链和绕组电流。这种方法不需要计算电机的电感参数， 但是计算量非常大，文献中只给出了单相通电情况下的分析结果。 ( 6 ) 等效磁网络模型分析法 这种模型最初主要是为了计算步进电机的静态参数【电感、矩角特