（电机与电器专业论文）高速永磁与磁阻电机电磁和机械特性对比研究.pdf

高速永磁与磁阻电机电磁和机械特性对比研究 s t u d y o r lt h em a g n e t i ca n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f h i g hs p e e dp e r m a n e n tm a c h i n ea n dh i g hs p e e d r e l u c t a n c em a c h i n e a b s t r a c t d i s t r i b u t e dp o w e r g e n e r a t i o nt a k e sp r e s s u r eo f fe l e e l r i et r a n s m i s s i o ni n f i a s m l e t u r ea n d h a s m a n yb e n e f i t s ，s u c h 勰l o we m i s s i o n s ，f u e lf l e x i b i l i t ya n dh i g he f f i c i e n c y t h eh i g hs p e e d p e r m a n e n tm a g n e t 口m ) m a c h i n eh a sv e r yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o ni nt h ed i s t r i b u t e dp o w e r s y s t e mf o ri t sh i g hs p e e d ，s m a l ls i z e ，h i 曲e f f i c i e n c ya n dp o w e rd e n s i t ya n di tc o u l db eu s e d i nm a n yo t h e ra p p l i c a t i o n ss u c ha sc o m p r e s s o r , e n e r g ys t o r a g ef l y w h e e l a n ds oo i l r o t o rd e s i g ni st h ek e yo f h i g hs p e e dm a c h i n e d u et ot h es i m p l es t r u c t u r ea n dh i g he n e r g y d e n s i t yo f p mr o t o r , i ti st h ef i r s tc h o i c eo f h i g l as p e e dm a c h i n e i t sw e a k n e s sc a n tb ea v o i d e d t h ep mi sl l o ta b l et ow i t h s t a n dl a r g ee e n t r i f u g a tf o r c ea n dm u s tb ee n c a p s u l a t e di ns o m e h i g h - s t r e n g t hm a t e r i a l a n dt h ep mm a t e r i a lm a y b ee a s i l yd e m a g n e t i z e di nh i g ht e m p e r a t u r e s ow i t ht h ep mr o t o r , t h er e l u c t a n c er o t o rh a st h ee h a r a e t e r i s t i c so fe a s i e rm a n u f a c t u r e s i m p l e rc r a f ta n dl o w e rc o s t i tc o u l dw o r ki nh i 【g hs p e e d s ot h er e s e a r e l ao fr e l u c t a n c e m a c h i n ei sa l s om e a n i n g f u l f i r s t l y ，t h r e em a c h i n e 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 ( d s i m ) ，p md o u b l yf e d r e l u c t a n c eg e n e r a t o r , a n dd o u b l yf e dr e l u c t a n c eg e n e r a t o ra ma n a l y z e d t h ep r i n c i p l ea n d c o n t r o lm o d e so f t h e s et h r e em a c h i n e sa l l ：a n a l y z e da n dt h em a t h e m a t i cm o d e sa r cs t u d i e di n t h ep a p e r d s p ma r ea p p l i e di nm o t o r p md o u b l yf e dr e l u c t a n c eg e n e r a t o ra n dd o u b l yf e d r e l u c t a n c eg e n e r a t o r 哦m a i n l yu s e di nh i g hs p e e dg e n e r a t o r t h e nt l 地2 df i n i t ee l e m e n tm o d e l so ft h ep mr o t o ra n dr e l u c t a n c er o t o rh a db e e nb u i l tu p , t h em e c h a n i c a ls t r e n g t ha n a l y s i si se n g a g e da n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h et h e ma 糟 o b t a i n e d t h ea n a l y s i sp r o v i d e saf o u n d a t i o nf o r t h er o t o r ss a f e t yo p e r a t i n g a tl a s t , t h el o s sa n dt h ee l e c t r o - m a g n e t oc h a r a c t e r so ft h ep mm a c h i n ea n dt h er e l u c t a n c e m a c h i n ea r eo b t a i n e db yt h ec o m b i n a t i o no ft h ef i e l da n dc i r c u i tm e t h o d t h er e l u c t a n c e m a c h i n ec o u l db eo n l yu s e di ns m a l lp o w e ra p p l i c a t i o nf o ri t sp o w e rd e n s i t yi sm u e l as m a l l e r t h a nt h a to f t h ep mm a c h i n e k e yw o r d s ：h i 曲s p e e dl l a c l a i n e , p md o u b l yf e dr e l u e t a n c eg 姐e 糟t o r d o u b l yf e d i i 沈阳工业大学硕士学位论文 r e l u c t a n e eg e n e r a f o r ，s t r e s s 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名：歪! ：近导师签名：乏叠亟日期： z 7 d 专6 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源及意义 现在世界供电系统是以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供 电系统。集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送 和分配的主要方式，正在为全世界9 0 以上的电力负荷供电。这种集中供电方式， 对不同地区的用户共享电力资源，缓解局部地区电力紧张是十分有利的。但是当 今社会对能源与电力供应的质量、安全与可靠性要求越来越高，大电网由于自身 的缺陷已经不能满足这种要求。由于大电网中任何一点的故障所产生的扰动都会 对整个电网造成较大影响，严重时可能引起大面积停电甚至是全网崩溃，造成灾 难性后果，这样的事故在国外时有发生，如：美加大停电和台湾二次大停电；而 且这种大电网又极易受到战争或恐怖势力的破坏，严重时将危害国家的安全，如： 美国发动的伊拉克战争和阿富汗战争等；另外集中式大电网还不能跟踪电力负荷 的变化，而为了短暂的峰荷建造发电厂的花费是巨大的，且经济效益也非常低。 根据西方国家的经验：大电网系统和分布式发电系统相结合是节省投资，降低能 耗，提高系统安全性和灵活性的主要方法。 分布式发电是1 9 7 8 年美国公共事业管理政策法( p u r r a ) 公布后率先在美 国推广，然后被其它先进国家接受的。当今的分布式供电方式主要是指用液体或 气体燃料的内燃机( i c ) 、微型燃气轮机( m i c r o - t u r b i n e s ) 和各种工程用的燃料 电池( f u e lc e l l ) 。因其具有良好的环保性能，分布式供电电源与“小机组”已 不是同一概念。与集中供电电站相比，分布式供电具有以下优势：没有或很低的 输配电损耗；无需建设配电站，可避免或延缓增加的输配电成本；适合多种热 电比的变化，可使系统根据热或电的需求进行调节；土建和安装成本低；各电站 相互独立，用户可自行控制，不会发生大规模供电事故，供电的可靠性高；可进 行遥控和监测区域电力质量和性能；非常适合对乡村、牧区、山区、发展中区域 及商业区和居民区提供电力；大量减少了环保压力【l 】。 高速永磁与磁阻电机电磁和机械特性对比研究 纵观西方发达国家电力工业的发展过程，可以发现：电力工业的发展经历了 从分布式供电到集中式供电，又到分布和集中相结合的供电方式的演变。造成这 种现象不仅仅是由于生活水平提高的需求，而且也是集中式供电方式自身所固有 的缺陷造成的。毋庸置疑，随着社会的发展，我国电力工业也将面i 腻类似的问题。 虽然，从目前电力工业的发展情况来看，集中式供电仍是我国电力工业发展的主 要方向，但从长远看，只有合理地调整供电结构、有效地将分布式供电和集中式 供电相结合，才能构架更加安全、稳定的电力系统 2 - 6 1 。 以化石能源为能源动力的分布式供电方式多种多样，随着微型燃机技术的不 断完善，微型燃气轮发电机( m i c r o - t u r b i n eg e n e r a t o r ) m t g 已成为目前最成熟、 最有商业竞争力的分布式发电设备【7 一，也是目前国际上分布式供电系统的主要 发展方向，有可能成为2 1 世纪能源技术的主流【9 1 0 1 。 由微型燃气轮机直接驱动内置式高速发电机，发电机与压气机、透平同轴， 转速在5 0 0 0 0 r m i n 1 2 0 0 0 0 r m i n 之间。高速发电机发出高频交流电，经电力变 换系统转换成直流电后，再转换为5 0 h z 3 8 0 v 的交流电供用户使用。这样不仅 简化了结构，使整台发电机组体积显著减小，重量减轻，而且也使系统的可靠性 得到了提高。这种将微型燃气轮机与发电机组合为一整体的设计理念，使微型燃 气轮发电机获得强大的生命力l l 。目前，开发研制微型燃气轮发电机的厂商主要 集中在北美和欧洲。 中国石油天然气蕴藏丰富，但是分布不均衡，西部储量大，而且人口居住分 散，大电网不易覆盖，在这些地区建立分布式发电厂，就会节省投资，降低能源 损耗，所以微型燃气轮发电系统在未来我国电力、动力等国民经济领域和国家安 全等方面具有重要作用和战略意义。研究微型燃气轮机驱动高速发电机技术具有 十分重要的现实意义。 不仅仅在分布式供电，在日常生活和工业生产中，还有很多场合都需要应用 到高速电机。如：高速电动机在空调或冰箱的离心式压缩机 1 2 , 1 3 、储能飞轮【1 4 t 1 5 1 、 纺织【1 “7 1 、高速磨床等诸多场合都可以见到它的应用。高速发电机由于其体积小、 沈阳工业大学硕士学位论文 功率密度大、效率高等优点，在工业及其它方面应用也越来越受到重视，例如混 合动力汽车、航空、船舶等方面都有应用。而且由于其体积小、机动性较高，可 用于医院、宾馆及其它重要设施的备用电源，也可作为独立电源或小型电站，具 有重要的实用价值。 高速电机的研究目前正在成为国际电工领域的研究热点之一。由于转速高， 电机的功率密度大，其几何尺寸远小于输出功率相同的中低速电机，可以有效地 节约材料；由于高速电机的转动惯量较小，所以动态响应较快；高速电机可与原 动机或负载直接相连，省去了传统的机械变速装置，因而可减小噪音和提高传动 系统的效率。特别是永磁电机由于其结构简单，力能密度高、无励磁损耗和效率 高等优点，最适合用于中、小型高速发电机嗍。 本课题来自于2 0 0 4 年国家自然科学基金重点项目“微型燃气轮机一高速发 电机分布式发电与能量转换系统研究”。 1 2 高速电机的应用前景 高速电机由于具有转速高、电机尺寸小、功率密度大、效率高等显著优点， 在以下各方面具有广阔的应用前景。 ( 1 ) 高速电动机在空调或冰箱的离心式压缩机、储能飞轮、纺织、高速磨床 等诸多场合得到广泛应用，而且随着科学技术的发展，特殊要求越来越多，它的 应用会越来越广泛。 ( 2 ) 在混合动力汽车、航空、船舶等领域具有良好的应用前景。随着汽车工 业混合动力汽车的发展，体积小、重量轻的高速发电机将会得到充分的重视，并 广泛应用于欧美国家的军工领域。 ( 3 ) 在分布式发电系统中具有广阔的发展前景。由燃气轮机驱动的高速发电 机体积小，具有较高的机动性，可用于医院、宾馆及其它重要设施的备用电源， 也可作为独立电源或小型电站，弥补集中式供电的不足，具有重要的实用价值。 1 3 高速电机的国内外研究现状及水平分析 由于军用和民用对高速电机的需求，上世纪末以来，英美等发达国家竞相开 高速永磁与磁阻电机电磁和机械特性对比研究 展对高速电机的研究，其典型代表是：美国麻省理工学院( m i t ) 的电磁和电子系 统实验室研究的5 m w 高速感应发电机；德克萨斯州立大学机械电子中心用于先 进机车推进系统的3 m w 高速同步发电机和高速感应飞轮电机；英国t u r b o g c - n s c t 公司推出的以1 2 m w 高速永磁发电机为核心的新型移动电站；美国 c a l a e t i x 公司开发的舰用2 m w 高速永磁发电机，转速范围为1 9 0 0 0 r r a i n 2 2 5 0 0 r m i n t 2 r l ，目前己研制出5 0 0 0 0 0 r r a i n 的永磁发电机。下面将对高速电机的 国内外研究现状进行分析。 1 3 1 国外研究现状 在国外，高速发电机的研究早已引起了许多科研院所以及公司的关注，有一 些公司甚至已经推出了商业产品。 文献【1 9 】对高速永磁发电机的特性、参数、结构等进行了初步研究，并根据 研究的结果设计了一台样机，该样机采用了一种如图1 1 所示的定予不开槽结构。 在该种结构中，由于定予铁心没有齿槽，所以防止了因定子开槽在转子表面引起 的巨大涡流损耗，这也是该种结构的优点所在。但是，在转子永磁体和定子铁心 之间，电枢绕组占了很大空问，该部分空间在磁场分析时应按气隙处理。这样等 效气隙长度就非常大，使得从永磁体到铁心的磁压降很大，导致了电机输出功率 受到限制。 绕组 铁心 永磁体 图1 12 0 k w 无槽结构的高速永磁电机结构示意图 f i g 1 1d i a g r a mo f a2 0 k ws l o n e 鲳p mm a c h i n e 一4 沈阳工业大学硕士学位论文 文献【1 5 】中给出了三种不同类型的高速永磁电机结构，即内转子周边永磁体 结构、外转子周边永磁体结构和内转子圆柱永磁体结构。经研究认为高速永磁电 机气隙必须相对较大以降低因定子开槽引起的谐波损耗，并且这一结论经过实验 验证是正确的。 瑞士a b b 公司和瑞典v o l v o 公司均在研究高速燃气轮机驱动永磁高速发 电机上花费了多年的时间i 2 0 , 2 1 1 ，他们合作研制成功型号为m t1 0 0 的热电联产样 机。该机组的电气输出功率为1 0 0 k w ，热输出功率1 6 7 k w ，总效率高达8 0 1 2 2 1 。 机组采用的高速永磁发电机结构简图如图1 2 所示。该电机为4 极结构，转速超 过6 0 0 0 0 r r a i n 。 图1 21 0 0 k w 高速永磁电机的结构剖面图 f i g 1 2c u t a w a yd i a g r a mo f ah i g hs p e e d1 0 0 k wp mm a c h i n e 英国燃气发电设备有限公司( t h et u r b og e n s e tc o m p a n yl i m i t e d ) 成立于1 9 9 3 年，专门从事开发研制燃气轮机驱动的高速发电产品的工作。他们研制出一种盘 式结构高速永磁发电机。转子由一个或多个同轴的圆盘构成，圆盘内是轴向磁化 的永磁体。定子也是由一个或多个圆盘构成，盘内是定子绕组。转子盘和定子盘 交错排列，具有较高的效率和强度。但是结构较复杂，增加了加工难度和成本。 瑞典斯德哥尔摩皇家技术学院对微型燃气驱动高速永磁发电机也制造出了 额定功率11 0 k w ，额定转速7 0 0 0 0 r r a i n 的样机，文献 2 2 1 中指出了高速发电机用 于分布式发电的巨大潜力和前景，文献 2 3 - - 2 5 通过理论和实验研究了高速永磁 高速永磁与磁阻电机电磁和机械特性对比研究 发电机的损耗分布计算，建立了热路模型进行热分析，并且提出了在转子表面涂 一层铜薄膜可以使转子的损耗降低到可以接受的程度，并且进行了实验。但是从 文献中可以看出，对高速永磁发电机的损耗计算还不是很准确，热路分析也作了 很多简化。 英国皇家海军已经对微型燃气轮机进行了研究，用于替换轮船上的柴油机。 他们制造出了一台高速永磁发电机样机，如图1 3 所示，高速交流发电机的结构 图，最大输出功率2 0 3 0 k w ，转速范围1 9 0 0 0r m i n 2 2 5 0 0r 恤i n 刚。样机转子采 用了炭纤维护套并且分析了，炭纤维护套和金属护套的优缺点。 轴承的研究也是与高速电机密不可分的内容，因为普通轴承难以在高速系统 中承受长时间运行，必须采用新结构和新材料的轴承。目前人们正在研究的类型 由气动轴承及磁力轴承。文献 2 7 o e 给出了采用气动轴承的一个实例，这项技术 的研究已日趋完善。磁力轴承的研究正处于发展阶段，离产业化还有很长一段路 要走。 图1 3 高速交流发电机的结构图 f i g 1 3t h ed i a g r a mo f h i g hs p e e da cg e n e r a t o r 总而言之，国外对高速电机及相关技术的研究比较早，己经取得了很多研究 成果。而且随着新材料的不断出现，加工工艺的不断改进，该项技术必将以更快 的速度向前推进。 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3 2 国内研究现状 国内对高速电机的研究还不是很多，基本上限于功率较小的发电机或电动 机。文献 2 8 1 中介绍了一种用于纺织工业应用的高速永磁同步电动机，还对电机 研制中的一些与高速有关的问题进行了初步的探讨。文献【2 9 】中讨论了高速异步 电机和高速永磁发电机设计的一些关键技术。文献【3 0 】分析了高速电机驱动技术 在空气循环制冷系统中应用的可能性及其实现手段。 国内对永磁磁阻电机的研究已经取得了一定的成果，东南大学的程明教授对 双凸极永磁电机及其控制技术进行了较为系统深入的研究，在国内外核心学术刊 物上发便了多篇论文【3 l , 3 2 1 。文献【3 3 】对双凸极永磁电机的工作原理进行了研究， 探讨了该电机的设计原则和转速闭环控制电路的工作原理并完成了原理样机及 控制器的这机工作。文献【3 4 】中对双馈磁阻电机做了部分研究，但是用于风力发 电中，并未应用于高速电机。这方面还有待于进一步研究。 国内对较大功率高速发电机的研究处于起步阶段，但是己经引起了人们的重 视。文献 3 5 】分析了高速异步电动机的定子磁动势并计算了其转子损耗。文献 3 6 】 通过对感应电机和同步电机的电磁、热和机械方面的比较，指出永磁电机是应用 在高速电机的最佳选择。文献 3 7 ，3 8 1 提出了计算高速电机转子铁耗的方法。文献 【3 9 1 着重探讨了高速电机的定予铁心和绕组的结构。 对于磁阻转子应用于高速电机上的研究还没有相关文章，由于永磁转子不可 避免的缺点，因此，本课题还是十分有意义的。 1 4 本文研究的主要内容 i 对双凸极永磁电机、双馈磁阻电机和双馈磁阻永磁电机的原理和控制方式 进行了分析。 2 对比分析永磁转子和磁阻转子的机械性能。 3 对高速永磁磁阻发电机运行方式进行仿真，利用a n s y s 对双馈磁阻电机 和双馈磁阻永磁电机进行磁场分析，计算其功率和损耗。 7 一 高速永磁与磁阻电机电磁和机械特性对比研究 2 不同结构高速永磁磁阻电机的对比分析 高速电机的转速很高，转子线速度达到2 0 0 m s ，因此磁阻转子及其适合用 于高速电机，本章分析三种磁阻转子电机，即双凸极永磁电机、双馈磁阻电机和 双馈磁阻永磁电机，研究这三种电机的原理及其控制方式。 2 1 双凸极永磁电机原理及其控制方式 开关磁阻( s r ) 电机的定转子均呈凸极形式，转子上无绕组，无永磁体， 结构简单可靠，特别是该电机的转矩仅与绕组电流大小及绕组电感随转子位置的 变化率有关，与电流方向无关，因此可采用单向电流供电，简化功率变换器结构， 提高系统工作可靠性。但是，随着研究的深入，但是，随着研究的深入，s r 电 机的一些固有缺陷也显现出来。首先，s r 电机只有在绕组电感随转子位置角增 大时给绕组通电才能产生正转矩，因而，一个极距内可用来产生转矩的两个区域 只有一个得到利用，运行效率和材料利用率相对较低；其次，开关磁阻电机本质 上是一种单边励磁电机，绕组电流中不仅包含有转矩分量，还有励磁分量，这样 不仅增大了绕组和功率变换器的伏安容量，还会产生额外的附加损耗；再则，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 而削弱了电机出力，等等。为此，人们努力将s r 电机的简单结构与高性能永磁 材料相结合，产生了所谓的双凸极永磁电机( 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 m o t o r , 简称d s p m 电耖l ) t 3 3 1 。 图2 1 a 所示为6 4 极d s p m 电机截面图，基本结构与开关磁阻电机相同， 为双凸极，转子上无绕组、无永磁，定子齿上装有集中式绕组，但在d s p m 电 机定子轭部放了2 块永磁体。实际上，d s p m 电机的工作原理与s r 电机明显不 同。图2 1 b 给出一相绕组磁通妒。和电流随转子位置角0 变化的理想波形，当 转子齿进入定子齿区域时，磁通随之增加，此时若绕组中通入正电流，则产生正 转矩：当转子齿由与定子齿重叠位置离开定子齿时，磁通随之减小，此时若绕组 中通入负电流，仍产生正转矩，因而，2 个可以用来产生转矩的区间均得到利用。 8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 此外，由于定子铁心中嵌入了磁导率很低的永磁体( 与空气相近) ，绕组电感大为 减小，使绕组电流快速换向成为可能。这样，d s p m 电机正好弥补了s r 电机的 不足，具有功率密度高，效率高，结构简单，控制灵活等一系列优点。 永 a ) 图2 1a ) 6 4 极电机截面图b ) 磁链和电流理论波形 f i s 2 1a ) p r o p o s e d6 4 - p o l ed s p mm o t o r b ) t h e o t e t i c a lf l u xa n dc u r r e n tw a v e f o n n s 2 ，1 1 理论分析 设加于d s p m 电机绕组上的相电压为歌绕组电流为方波。蝠值等于j 。， 如图2 1 b 所示，其中矽1 矽4 由电机结构参数确定，则电机的输入功率为 最= 予r 社= 予 f 2 d f + j ：, i ( - u x l ) d f = 季m 呱丁 ( z - ) 式中，t = 吒c o ，r = 吒m ，吒2 霄“为以弧度表示的转子极距，为电机 转子角速度，j 为与只只相对应的时间，先= 岛一q = 以一岛，m 为电机 稻数。由此，( 2 1 ) 式也可以表示为 毋= 2 m u l m ( o w 吒) ( 2 ，2 ) 用，7 表示电机效率，则电机输出功率为 昱= 毋1 1 = 2 m u l m q ( o w 艮) ( 2 3 ) 高速永磁与磁阻电机电磁和机械特性对比研究 将先带入上式，则得 只= p , m k o e z o , , 1 1 兀， ( 2 4 ) 式中，七e = u e ，e 则是由永磁磁链在一相绕组中感应产生的反电势，它可以 表示为 e = 告q * 警q = 等q ， 娩s ， 式中，国为没想绕组串联匝数。可以表示为 砷。* 0 9 d p 。= o 9 k d o c _ 。t 。f 忍= 0 9 k d c t 。鸩厶岛见， ( 2 6 ) 式中，t 。= 仰i p , ，为的定子极距，a 。为定子极弧系数，以为定子极数，最为 气隙磁密。d i 为定子内径，为有效轴向长度。将( 2 5 ) 式代入( 2 4 ) 式，则 可得反电势表示式为 e ：壁：塑! 坚s 垒墨垒( 2 7 ) p , o 。 1 另一方面，电流l 可表示为 = 毛。= 毛冗b 4 1 2 i n c a ( 2 8 ) 式中，4 为线负荷，k 为相电流有效值，毛= k 。将( 2 。5 ) 和( 2 6 ) 代 入( 2 4 ) 式，并考虑到在通常情况下o 。m0 5 ，可得d s p m 电机的输出功率为 最= 等等嗽4 岛砰，e ” ( 2 9 ) 式中，n ，为d s p m 电机的额定转速。( 2 9 ) 式是d s p m 电机稳态性能分析和设 计计算的基础，它反映了电机输出功率与注意设计参数之间得关系。由( 2 9 ) 式可以得到电机的尺寸方程为 沈阳工业大学硕士学位论文 啦= 墨f k 娶i z u 盟p , 辄旬 汜 2 1 2 动态数学模型 对3 相6 4 极d s p m 电机。其据矩阵式得电压方程为 一u = i j + d c p d r ， ( 2 1 1 ) 式中，扩= k ，球：，畅r ，= d i a g r 1 ，r 2 ，1 7 = 瞳，i ，i 3 r ，为合成磁链相量，可表示 为 节= z 7 + 矾 ( 2 1 2 ) 而，z = k l j = 1 3 , j 1 3 ，孑m = k 皿，妒越，妒帕1 r ，为空载永磁磁链相量。 假设电感z 和永磁磁链孑。仅是转予位置角的函数，与电流无关，则有 业=z坐+些7+监=z塑+些瓦，+监q(213dt(itd t d td td od o ) ff 将( 2 1 2 ) 式代入( 2 8 ) 式并经适当简化，可得d s p m 电机的状态方程如下： 罢爿( - + 蔷。，p ( _ 知) 泣 根据几点能量转换原理，电机转矩为 瓦= 丽o w = 言b 了7 西+ 孑：7 ) = 圭了7 ( 言z 户+ ( 言。) 7 7 = 正+ c z z s ， 式中，w 为磁共能，王代表由于电感变化而产生得磁阻转矩，z 伽则是由绕组电 流与永磁磁链之阅稳互作用所产生得永磁转矩。用数值方法求解( 2 1 4 ) 式状态 方程，便可求得d s p m 电机的各相电流，并进而由( 2 1 5 ) 式计算出电机的转矩 及其各个分量。 高速永磁与磁阻电机电磁和机械特性对比研究 在电机分析计算中，除使用数值仿真极数之外，求出绕组电流解析解对于更 好地理解电机内部的电磁物理过程和主要物理量的变化规律，定性分析电机的主 要性能，是十分有益的。为此，考虑一相绕组导通的情况，其电流方程为 ，+ d l d g d i 一, 竖+ u - - 塑 ( 2 1 6 ) 式中，为相绕组电阻，l 为相绕组电感。在理想情况下，电感三和永磁磁链v 。 均呈现分段直线，因此，各段d l d s 和d q s 。d o 为常数值，如电感三取其平均值， 则( 2 1 6 ) 式的近似解为 = u 一鲁q 1 1 一叫一三( ，+ 丽d l m ，t l ，+ 丽d l ，) 组埘 电流稳态值为 ，= ( u 一鲁) ( r + 丽d l ，) 亿 根据d s p m 电机基本工作原理，在永磁磁链增加区间，对应相绕组中应通 入正电流，在永磁磁链下降区间，对应相绕组中应通入负电流，为此，下式必然 成立： 叫鲁，卜 ( 2 1 9 ) 上式说明，当电源电压一定时，d s p m 电机存在着极限角速度。，可表示为 一= l 形l 剖“l 形0 4 等j ( 2 2 0 ) 一- - i u v 舶b , ， ( 2 2 1 ) 式中，k 为与电机结构参数有关的常数。由上式可知，当电机结构参数和外加电 压一定时，其最大转速与绕组匝数和气隙磁密成反比。这里气隙磁密主要决定于 永磁体，其数值不易改变，而改变每相绕组匝数则可有效扩展电机转速范围。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 1 3 控制策略 d s p m 电机的控制策略包含2 种基本控制模式，即低速时的电流斩波控制 ( c c c ) 和高速时的角度位置控制( a p c ) 。电机转速在基速以下时，由于反电 势和电抗均较小，绕组加压后电流上升很快，需要对电流斩波限幅，以实现恒转 矩运行，此时，可将控制绕组开关的开通角和关断角固定，通过调节电流限幅值 来实现对转矩的控制。当转速在基速以上时，由于反电势和电抗均较大，绕组电 流上升缓慢，甚至在尚未达到稳定值之前就又要关断，因此在每个导通区间内电 流无法再保持恒定，需要通过调节导通角来控制输出转矩，实现恒功率运行。 图2 2 给出了d s p m 电机驱动系统的控制框图，该系统由速度和电流双闭环 组成，与电机转子同轴的转子位置传感器提供转子位置信号。控制系统的核心是 一高速1 6 位单片机，它从位置传感器读取转子位置信号，估算电机转子位置和 转速，将估计转速国与给定转速比较，速度差经p i 调节器转变位转矩参考值 输出，再按照既定控制策略给出电流参考值，和控制角。二，e 岳，o 二，e ；。 由l e m 模块检测绕组电流，经一绝对值电路反馈至电流调节器，与电流参考值 进行比较，以实现电流斩波控制。 图2 2 系统控制框图 f i 晷2 2t h ec o n t r o ls y s t e mb l o c kg r a p h 高速永磁与磁阻电机电磁和机械特性对比研究 2 2 双馈磁阻电机原理和结构特点 磁场调制式双馈磁阻电机需要有极数不同的两套定子绕组共用一个定子铁 心。通常将用以承担主要功率传输的具有劫极的定子绕组称为主绕组，而将用 以控制电机运行方式的具有幻极的定子绕组称之为副绕组或控制绕组。尽管主 副绕组可采用合用一套绕组线圈的单绕组结构，然而比较容易设计和实现的方案 是采用主副绕组各自独立的双绕组结构。具有双绕组结构的无刷双馈电机示意图 如图2 3 所示。 a 日 c 定子勿极主绕组定子勾极副绕组 a b c 图2 3 双馈磁阻电机的双绕组方案示惹图 f i g 2 3d o u b l ew i n d i n gs c h e m eo f d o u b l yf e dr e l u c t a n c * m a c h i n e 无刷双馈电机虽然类似于绕线转子感应电机，但两者却有着本质的不同。绕 线转子感应电机的定子和转予绕线转子感应电机的电子和转予绕组具有相同的 极数，定、转子绕组之间的相对位置随转子旋转而变化，而无刷双馈电机有这两 种不同极数的定子绕组，两绕组的空间位置是相对静止的，它们之间的耦合关系 是通过转子的“极数转换器”作用来实现的，而电机转予又可采用多种结构形式； 而且，定子绕组的排列于转子磁路的机构对无刷双馈电机的性能有重大的影响。 因此，与常规交流电机相比，无刷双馈电机的设计原则和设计方法具有其特殊型 和复杂型1 3 4 。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 1 磁场调制机理 磁阻双馈电机的运行机理与传统交流电机有较大的不同，常规交流电机的分 析与计算方法不再适用于该种电机。 尽管双馈磁阻电机中的瞬时气隙磁场具有不规则的分布，然而电机定子的 主、副绕组在空间是正弦分布的，其中流过电流在时间上是按正弦规律变化的， 因而由它们所产生的磁动势亦是空间正弦分布的旋转磁动势。 磁阻转子上没有绕组，是靠转子磁导对气隙磁场的调制作用实现定子主副绕 组之间的磁耦合的。定子绕组所加电流是直流，按静磁场进行分析。 2 2 2 磁阻转子的磁场调制作用 磁阻转子不考虑齿槽影响( 槽开口影响用等效气隙系数考虑) ，忽略铁心中 磁压降，并且假定该磁阻转予具有图2 4 所示的理想磁阻特性，即再转子齿顶部 分气隙单位面积的磁导是恒值，而齿间部分的气隙磁导为0 。如转子具有p ，个齿， 齿宽与齿距之比( 极弧系数) 为口。，齿顶部分的气隙长度为g ，则当转子不动 时，具有理想磁阻转子的气隙比磁导( 单位面积磁导) 函数，可表示为 九e ( 巾) = h + 九。c o s q 陆( 巾一o m ) ( 2 2 2 ) 且。为气隙磁导的平均分量， 。为v 阶磁导谐波幅值。0 。为转子参考轴与主绕 组合成磁动势轴线之间的夹角。 分析与计算表明，磁导谐波以一阶谐波分量最大。通常可将高阶磁导谐波忽 略而将气隙比磁导近似表示为 九g ( 巾) = 九o + 九ie o s p , ( 4 , 一0 l o ) ( 2 2 3 ) 其中 k 卸，警 ( 2 2 4 ) 高速永磁与磁阻电机电磁和机械特性对比研究 h ：2 掣) 垃 冗 g 定子 曲磁阻转子示意图 b ) 理想磁阻转子的气隙比磁导函数 ， r ， 入。爪偶 一。l 。 c ) 气隙比磁导函数的近似表示 图2 4 具有理想磁阻转子的气隙磁导函数 f i g 2 4p e r f e c tr e l u c t a n c er o t o ra i rg a pp e r m a n e n tf l u l g t i o n 1 6 一 ( 2 2 5 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 气隙比磁导函数的近似表示如图2 4 ( c ) 所示。表示式( 2 2 2 ) 和( 2 2 3 ) 是当转子静止不动时以定子坐标表示的气隙比磁导函数。当电机转动后，转予齿 槽相对于定子运动，此时的气隙比磁导相对于定子坐标可表示为 九g ( 巾，) = 九o + 九l c o s 【p r ( 巾一0 l o 一国。r ) 】 ( 2 2 6 ) 式中，。为转子机械角速度。 气隙磁通密度可用磁动势与气隙比磁导的乘积表示。以磁阻转子无刷双馈电 机为例，电机的磁动势为2 p 极和2 9 极两套定子绕组电流产生的磁动势之和， 因而气隙磁通密度可表示为 口( 巾，t ) = 坼( + ，f ) + ( 审，f ) 】九g ( 巾，r ) ( 2 2 7 ) 经过整理后可得 烈畸，r ) = 【c o 西一c o p t ) + j o c o s ( q 巾一o r , 一q f ) 】 【九o + 九l c o s 【p ，( 巾一0 i o 一。，) 】 = 曩p o + 置呻+ 岛l ( + ) + 耳l ( - ) + & l ( + ) + 峨l - ) ( 2 2 8 ) 其中 = ，k 九o c o s ( p 巾一p t ) ( 2 2 9 ) = 。k c o s ( q 巾一q d ( 2 3 0 ) 缉l i + ，= 1 ( 2 ) c o s ( p + a ) 夺一( o p + p ，。) r p , 0 1 0 】 ( 2 3 1 ) 耳l ( _ ) = ( h 2 ) c o s ( p 一只冲一 p p , c o 。) ，+ p f o m 】 ( 2 3 2 ) & h + ) = p ( z l 2 ) c o s ( q + p , ) f 一( + p o 。) f q p r o m 】 ( 2 3 3 ) & ”，= o l 2 ) c o s ( q p r ) 一( c o q p r 。弦一a + p f o m 】 ( 2 3 4 ) 由式2 2 7 可看出，通过气隙磁导对定予绕组磁动势的调制作用，产生了气隙磁 场的六种分量，其幅值与相对于定子的旋转速度各不相同，分别与定子绕速的技 高速永磁与磁阻电机电磁和杌械特性对比研究 术，绕速电流的频率、幅值、相位和相序，以及磁阻转子结构、齿数和转速等多 种参数有关。 2 2 3 主副绕组的磁链 以图2 5 所示常规凸极磁阻转子无刷双馈电机为例，在忽略高次磁导谐波的 情况下，电机劲极和2 9 极的气隙磁通密度分别为 2 p 极 主绕组 2 q 极 副绕组 图2 5 双馈磁阻电机示意图 f i g 2 5t h ep i c t u r eo f d o u b l yf e dr e l u c t a n c en u m h i n e 【巾，f ) 。矗( 巾，f ) 。九i 坤，力 ，0 = ( 巾，r ) 九。( 耷，r ) 根据电机绕组函数理论，定子主、副绕组的一相磁链分别为 、l ，o ) = i l l ，+ l i ，。= 一f 。缉( 巾，r ) 伟( 巾) 嘶荆f 只( 籼f ) 伟( 夺) 嘶 、i ，。( f ) = q q ，+ 、i ，。= ，r 。耳( + ，r ) ( 巾) 脚+ 一r 。& ，力飞( 十) 嘶 经推导可知，当电机稳定运行，即当日= 吨拽) 惦时 ( f ) = 【皿c o s 吖】+ 缸呱c 瞅吖一o 【+ 湖 u ( ，) = 气f 弛酬吖一a ) 】+ k f 强c o s ( ，+ 例 其中，y 2 p r o , 0 为电机的转矩角( 或称功角) = 互3 兀4 r x 。o 哮翌2 为主绕组的自感 ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 k = 1 2 4 兀，t x 。o 争) 2 为副绕组的自感 k = k = 吾昙订鲁拳争) 芦争 为主、副绕组之间的互感 2 2 4 等效电路与电磁转矩表达式 考虑到漏电感以后，主、副绕组的电压方程可表示为 u p = r d p + _ ，唧岛i p + 岛q ( 2 4 1 ) = r q ( _ 谚】+ _ ，国q l q q 么( - 回】+ e q p ( 2 4 2 ) 马q = - ，国p ( l d q 么力【，q 么( 脚】 ( 2 4 3 ) e q p = j w q 睇q 么力p ( 2 4 4 ) 其中上p = + ，= l q q + 厶。，母和届分别为主、副绕组的相电阻，厶、厶 分别为它们的每相漏电感。 根据( 2 4 1 ) 和( 2 4 2 ) 两式，可得磁阻式无刷双馈电机的等效电路如图2 6 所示。 根据电动势平衡方程和等效电路，磁阻式无刷双馈电机的电磁转矩可表示为 t m = 三一蛳【耳+ 岛山】 m f m = 3 p + q ) i p q s i n ， ( 2 4 5 ) 式中，i p + 和j q 分别为和厶的共轭值。 尽问，归。厶& 图2 6 磁阻式无刷双馈电机的等效电路 f i g 2 6t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f d o u b l yf e dr o l u c t a n c em a c h i n e 高速永磁与磁阻电机电磁和机械特性对比研究 具有劲极主绕组和2 9 极副绕组的无刷双馈电机的电磁转矩，可等效于一台 2p + q ) 极同步电机的电磁转矩。 2 2 5 电机定转子极数配合 由无刷双馈电机的运行原理可知，为了在定子绕组中产生与该绕组电流同频 率的速度电动势，两定子绕组极对数p 、q 与转子的极数p ，必须满足如下关系： p ，= p q ( 2 4 6 ) 若选择“和调制”，应使力印叼；若选择“差调制”，应使p , = p - q 。显然， “和