（电机与电器专业论文）盘式无铁心永磁同步电动机控制性能分析和控制方法研究.pdf

a b s t r a c t d i s kp 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 rh a st h ef e a t u r e so fl o wm a s s ，l i t t l e v o l u m e ，c o m p a c ts t r u c t u r e ，n o n l o s t i n r o t o r , l o w m o m e n to fi n e r t i a , e l e c t r o m e c h a n i c a lt i m ec o n s t a n t , h i g hp r o p o r t i o no ft o r q u ea n dm a s s ，s t e a d yr u n n i n g s t a t n si nl o ws p e e d i tc a nb ed e s i g n e dt om o r em o d u l e se a s i l y b e i n gap e r f e c td r i v e d e v i c e ，i tc o u l db eu s e di nm a n yf i e l d ss u c ha sc n c ，r o b o t ，e l e c t r i cv e h i c l e ，e l e v a t o r h o t o ea p p l i a n c ea n ds oo n b a s e d0 1 1t h ed i s kp ms y n c h r o n o u sm o t o r ，c o r e l e s ss t r u c t u r ea n dh a l b a c ha r r a y a r eu s e di nt h ec o r e l e s sd i s kp ms y n c h r o n o u sm o t o rw h i c hr e s u l t si nl i t t l em a s s h i g h p o w e rd e n s i t y , l i t t l es h a k en o i s ea n dh i g he f f i c i e n c y t h ec o n t r o lo ft h ec o r e l e s sd i s kp ms y n c h r o n o u sm o t o rs h o u l db eb a s e de l li t s c h a r a c t e r i s t i c s ，u s i n gt h em e t h o do fp ms y n c h r o n o n sm o t o r , a n dh a v et h ea i mo f s a t i s f y i n gt h en e e do fp r o d u c t i o na n dl i f e i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c hc o n c e n t r a t e so n t h r e ec o n t e n t s ： 1 a f t e rt h es t m c t u r eo ft h ec o r e l e s sd i s kp ms y n c h r o n o u sm o t o ri sa n a l y z e dt h e r u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o ld i f f e r e n c e sw o u l db es u m m e du p 2 w i t ht h ec o n t r o lm e t h o do fp ms y n c h r o n o u sm o t o r , t h em o d e lo ft h ec o r e l e s s d i s kp ms y n c h r o n o u sm o t o rw o u l db ed e s i g n e di nu s eo fm 诮t l a ba n dt h e d i f f e r e n c e si nc o n t r o lw o u l db ea n a l y z e db e t w e e nt h ec o r e l e s sd i s kp ms y n c h r o n o u s m o t o ra n dt h eo l do n e 3 n eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fd s pc o n t r o ls y s t e mw o u l db es c tu pa n du s e dt o e x p e r i m e n to nc o r e i e s sd i s kp ms y n c h r o n o u sm o t o r a san e w t y p em o t o r , t h es t u d yo ft h ec o r e l e s sd i s kp ms y n c h r o n o u sm o t o ri s l e s sa n di t sc o n t r o lh a sn o tb e e ns t u d i e d i nt h i sp a p e rt h ed e f e r e n c ei nc o n t r o lo f c o r e l e s s d i s kp ms y n c h r o n o u sm o t o ri ss t u d i e dw i t ha n a l y z i n gi t ss t r u c t u r e sa n d s e t t i n gu pc o n t r o ls y s t e m t h e r ea r ep a r t i c u l a re x p l a n a t i o n si np e r f o r m a n c e s s t a r t i n g a n dc o n t r o lo ft h ec o r e l e s sd i s kp ms y n c h r o n o u sm o t o ri nt h i sp a p e r , e s t a b l i s h i n gt h e f o u n d a t i o nf o r t h ec e n t r e lt h em o t o n k e y w o r d s ：c o r e l e s s ；p ms y n c h r o n o u s ；v e c t o r ；d s p 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘茔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了谢意。 学位论文作者签名：了亚嘎 签字日期：抽。，年1 2 月 二e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： j 乏观 导师签名： 多既色 签字日期：o 歹年协月2 ，z , - 日签字日期：钟，乒月。泪 第一章绪论 第一章绪论 1 1 盎式无铁心永磁圊步电动辘的发震瑗状 1 1 1 概述 常规结构永磁电机煞气骧是躅攘型的，有径肉的气隙磁场，所玖叉称老海径 囱磁场毫爨。 l 器纛式表磁电穰戆气琢是平瑟垄鹃，骞辍囱黪气骧磁臻，爨溪义豁 之为轴向磁场电梳。1 8 2 1 年由浚投第发明的世界第一螽电视就是有辅向气辍磁 场的盘式永磁电机。由于受当时树料和工艺水平的限制，盘式永磁电机来能得到 进一步发展。然而由于普通圆柱斌电机存在一些弱点，如冷却困难、转予利用率 低等，所以从上世纪钧年代起有辙向磁场的盘式永磁电桃又开始受到电乳器的 重筏翔。 s 蘸，黧外歼发了许多不阕种炎、不厨结梅静蠡式承磁龟祝，其串宽默袭式 永磁直流电动机、盘式永磁同步电动机和盘式无刷寓流电动机等应用最为广泛。 近年来，国外对盘式永磁同步电瀚机的研究发展迅速。6 0 年代，盘形转予电机 问世。7 0 年代初期，轴向磁场电机以直流电机的形式擞用于电车、电动自彳亍车、 本泵、暴痿秽家建电器等场合。巍7 0 年找寒颓起，髓罄疆伐工建豹发震巍熊产 翡需要，簌辩赣离磁场永磁壹滚鼓瓿秘籀两磁场异多彀毫毪豹研裁转离了对辘两磁 场盘式永磁f 耐步电动机的研究。1 9 8 2 年，h w e h 等人擒述了几种不同缩构型式 的轴向磁场永磁同步电动机，并研制了一台双转子：必单定予的高转矩高速擞式永 磁同步电动桃。自1 9 8 0 年起，霉港大学的c c c h a r t 澍轴向磁场同步电机也进行 了深入豹研究，翻造了两台1 5k w 举秘结构的样机。1 9 8 4 年，i - i w e b 教授等人 又转囱霹大翡攀繇速盘式隶繇弼多耄魂程戆臻究、将骚纯野维堑鼗建焉予转予蠢 盘上，减小电机的转动惯量，并搿发研制出了一台作为柔性驱动的2 0 0 k w 、 3 8 k n m 低遴黼转矩盘式永磁同步电动机。1 9 8 5 年，莛国弗吉尼亚理工大学的 r k r i s l m a n 教授对伺服驱动用盘斌永磁同步电动机进行了全面讨论，通过各种 径、辍超磁场魄枫的佳能比较，德如了盘式永磁厨步魄动机具有其弛电机光可眈 援戆往越毪戆戆缮谂，蘩述了壅遮秽邀瓤橡或戆壤羧琵漤系统及其控麓嚣。1 9 8 6 年，联邦德蓐r o b e r t b o s c h 公司的g 。h e n n e b e r g e r 蒋士簿入介绍了应用予机器入、 机械手等领域的盘式永磁同步电动机的结构和设计特点。1 9 8 7 年，罗玛臌我开 发出系列盘斌永磁无刷直流电机。间年，法国还制造了一台用于机器人的三定予 二转子多气黢擞式永磁同步电动机，该枫性能指标可遮1 5 n m k g ，并正谯研制 第一章绪论 直接安装于绞车内部的多气隙盘式永磁同步电动机，该机由三块永磁体转盘和四 个定子组成六个气隙，额定转矩高达7 0 0 0 n m ，性能指标为1 7 5 n m k g 。1 9 8 8 年，英国曼彻斯特理工大学的b j c h a l m e r s 教授等人又提出了一种新的双转子单 定子盘式永磁无刷直流电机，定子绕组环绕于定子铁心上，使定子制造较为方便。 到目前为止，已有瑞士的i n f r a n o r 公司、德国的r o b e r rb o s c h 公司和罗马尼 亚的电力工程研究所等生产系列盘式永磁同步( 无刷直流) 电机。 我国在这方面的研究起步较晚，但近年来也研制出这种电机，国内对盘式电 机的研究正逐渐开展起来。1 9 8 5 年，蒋豪贤利用l a p l a c e 方程推导出了圆盘式轴 向磁场电机气隙磁通密度的方法。1 9 9 1 年，顾其善、候书红等对三相盘式感应 电机的磁场进行了研究，提出了二维分布磁场模型，并对实验室一台四极盘式感 应电动机进行了试验，其空载磁化电流的实验值与计算值非常接近。1 9 9 2 年， 王琳、何全普等将分环法用于盘式感应电机磁场分布的计算，将三维磁场计算问 题化为有限个二维问题求解，通过有限元计算，揭示了该种电机磁场沿径向的分 布规律，其结论和顾其善等人提出的结论一致。1 9 9 4 年，辜承林采用有限元和 近似解析方法对不同结构的转子盘式无铁心直流永磁电机的磁场进行了计算，设 计出盘式无铁心转子。1 9 9 6 年，吴慧燕、程明、周鹗等对单盘式感应电动机进 行了研究，给出了主要结构尺寸的确定方法，参数计算特点和磁路计算与分析设 计流程图。2 0 0 2 年，陈金涛、辜承林探讨了盘式无铁心无刷永磁电机的设计特 点，解决了尺寸确定和磁路分析计算等问题，并研制了多台样机。 从国内外发展趋势上看，盘式永磁电机越来越受到电机界的重视，近年来其 发展极为迅速，且必然会得到更加广泛的应用。而同国外相比我国在这方面的发 展较为落后，因此有必要大力加强此方面的研究。 1 1 2 盘式无铁心永磁同步电动机的优点 与常规结构永磁同步电动机相比，盘式无铁心永磁同步电动机无槽、无铁心、 气隙磁场为轴向。该类电机轴向尺寸短、重量轻、体积小、结构紧凑；由于采用 永磁体激磁，转子无损耗，电机运行效率高；由于定、转子对等排列，定子绕组 具有良好的散热条件，可获得很高的功率密度。另外，该类电机最显著的特点是 转子的转动惯量小、机电时间常数小、峰值转矩和堵转转矩高、转矩重量比大， 所以，低速运行平稳，具有优越的动态性能。该类电机还可以制成多气隙组合式 结构，能进一步提高转矩，特别适合于大力矩直接驱动装置。 以盘式永磁同步电动机为执行元件的伺服驱动系统是新一代的机电一体化 组件，把其应用于数控机床、机器人、雷达跟踪等商精度系统中，具有不用齿轮、 精度高、响应快、加速度大、转矩波动小、过载能力高等特点，是一种较为理想 第一章绻论 黥骚动装譬。 近年来，随着数控机床、工业桃器人、机械手、计算机及其外圈设备等高科 技产品的兴起及特殊应用( 如露达、卫星天线等跟踪系统的霈要) ，对镯搬疆动 毫瓶提窭了鬟离的饿麓指褥辩薄鹜安装绐桷弱要求。为戴，氆赛主一魏王鼗发达 国家鼓8 。攀靛初麓超，大爨磷翻擞式永磁辫步邀动机。翳嚣，盘式永磁购疹电 动机在国外借到了遗速发展，作为一种现代高往能惘服电梳和大力筑崖接驱动电 机，己广泛成用于机器人等帆电一体化产品中，并开始局部地取代传统伺服电机 产菇。 1 2 斑式无铁心永磁露步魂动橇耀嬲方法概透 鑫6 0 攀代辨菇，毫力墩子攀、凝逮子技零窝瑗健控懿遴论鹃发炭笼交流毫 气传动产晶的开发剁造了有利条件，使得交流传动熙备了宽调速范围、高稳速精 瘦、袭速动淼确膨投西象凝媛弦等嶷磐魏鼓零蝗毙，势实联了交流镯速装繁产翕 的系歹翦纯，交流憩站机调逡传动敬代直流彀动机调遴传动融是必然躺发展趋势。 1 9 7 1 霉，蠹德毽b l a s h k e 等人蓉毙掇邀了交溅窀动撬豹矢蘩变换控裁( t r a n s v e e t o r c o n t r 0 1 ) 理论，从理论上解决了交流电动机转矩的离性能控制问题。矢量控制理 论必交流谢速取代袁流调逮熬定了疆论基础，已成为鞠藏在实际系统摩惩巾使羽 最为广泛髂控制方法1 2 l 。 垂手羚步毫动祝鼢疆速瞧戆难以满足袋产要求，鼠大爨使露三糖弊步彀秘瓤 使襻电网的渤率因数普遍降低，从2 0 世纪3 0 年代蕨期，入们开始研究f 司涉电动 机的调速阅趱，尉步电动机燮频调德的应用范固越求越广阔。 永磁同步电动橇体袄小，羹薰辍，效率搿，转擎毙发热随瑟，投毒系统较弹 简雄。因此幽永磁褥步电动机组成的伺服掇期系统融受到嗣内外普遍藿视。 霹藩，窳滋瓣莎毫动爨豁装鼹蠡控式交皴诲逮努法，袁毫磊撬赣土安装转手 磁掇位置检测器，麓捡测出转予麴磁极位置，控制定予侧交频装置的频率鄹鞠位， 使滗子毫流釉转予磁链总怒保持确定的关系，麸两产嫩懂寇的转矩。篱往裁永磁 同步电动机的调速系统多采用0 0 ( 定子电流矢量的d 轴分爨) 的磁场定 交矢囊控裁羧零。瘴蒡l 诧静穷法逡蟹淫邃羧簇昊骞舞法楚攀，运髫霹嚣等德熹。 对于盘式冤铁心永磁厨步电动机，其控制策路与传统永磁同步愈动机类似， 毽蹩会嚣麓蠡赛络鞠翡符熹彩豌黢铡缝裁，辨造戒羧麓方式嚣谲整，救瓣传统控 制方法加以改进是必然的。 盔弓二，采磁溺梦奄凌撬控键熬瑷论基磁矢爨控翻技零基经发篪成熬，并 且计算机技术尤其是d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，数字信母处理器) 技术的飞速 发袋，为承磁麓步瞧动祝控制系统戆竣诗每蹙现提珙丁竖安豹魏蒺蒸旗。农簿法 第一章绪论 实藏上，壹予d s p 吴毒毫运雾速度、系绞续梅楚攀，低凌耗帮毫蛙熬等特点， 并飘1 1 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 系射更是专用的电机控制苍肄，d s p 已经弼以提供 一褰完整的电机控制解决方案 4 1 。t m s 3 2 0 f 2 4 0 系列d s p 芯片在电机控制中的应 用搜褥基于各种控制算法的电钒控毒l 进入了楚嬲实用的鼢段。用d s p 芯片完成 盘式无铁心采磁瓣步窀动税豹耱裁系统成为警蓠实舔瘦毽锈域懿需要。 1 3 课题研究的目的和意义 比起传统的径向磁通露睡蕊电棍，据有融离磁通酶盘妓永磁同步截渤橇有簧 许移明显的优点，盘式电机永磁化是一种艘碰趋势。我国融研制出盘式永磁同步 电动枫，但仍处于试制阶段。为了发展我潮叛一代离性能伺服电机及伺服系统， 改交麓缝戆橱缀惫狡长麓镶簇滋鏊熬爨瑟，怒蠢式永磁霹多毫动藤产箍纯，已成 为我国电机行蛾一项十分紧迫黼艰巨的任务。 本课题旨在推动新型永磁同步电动机的开发和应用。在国外，永磁交流伺服 电动极豹镀铁醵= 数磁糖毅蔫薰蠢钕铁硼承磁枣| 辩总产囊豹2 0 左右，仅次 ：蠢圈 电动祝( v c m ) ，是钕铁碗永磁材料的第二犬用户。蔼巍麓内，由予技术经济上 的问题，国产永磁交流伺服电动机至今未能大量应用。岛此同时，高性能的永磁 交流俺服电动机及其系统大量依靠进口，我鬻每年进口工程装备1 0 0 0 多亿美元， 仅数控橇寐毽嚣产宅爨帮系统琴戆潢霆要袋每年逶叠2 2 绽美元爨主。本硬嚣戆 完成将改变该类产品主要依靠进口的局面，并将推动我国稀土永磁材料产业的发 展，扩展钕铁硼永磁材料的应用领域和市场容量。充分发挥我国稀土资源丰富的 优势，其经济效豢粒社会效益怒分巨大觞。 本课题针对舷式无铁心永磁同步电动梳自身的特点，势借助手普遥永磁丽步 电渤机的控制理论，研究盘式澎铁心永磁同步电动机的性能特性和控制方法，比 较了它与普通永磁同步电动机购不同之处。研究成果将为对此种电机的控制提供 一是稳理论基礤黪实际控甏经验。 1 。4 课题研究的内容 零谦蔻薛主蘩蠢銮是薹予h a l b a c h 阵筏瀚盘式无铗，冬承凌同步电动檄控毹缝 能的分析和控制方法的研究。燕要工作包括： 酋先，介绍擞式无铁心永磁同步电动机的基本结构，猩此基础上对其控制性 爨滋褥分辑。 其次，针对癜式无铁心永磁同步电动视撵导d q 数学模型，研究道合此种电 机的控制方法。 第一章绪论 然后，利用m 棚a b 中的s i m u l i n k 仿真软件对盘式无铁心永磁同步电动 机的控制系统进行仿真研究，验证前面所分析的控制性能。 最后，设计盘式无铁心永磁同步电动机d s p 控制系统的硬件和软件，对已 有样机进行实验研究。 第= 摩盘式无铁心永磁同步电动机的结构及控制性能分析 第二章淼式无铁心永磁同步电渤机的结构及控制憔能分析 攀在i 9 整鳃2 0 年鬣，煎努第一台毫凝魏基经耀邀，宅楚峦隶磁棼产生聚磁 磁场的永磁电机。不久，因为强时所用永磁材料的磁能密度低，制成的电机体积 庞火，永磁电机逐渐被电励磁峨机所取代。现在，由于多种永磁材料不断被发现， 龙冀是稀钴永磁和钕铁硼永磁相继阕世聪，以其毒剩磁密度、高矫颈力，高磁 熊耪秘线健退磁赣线等优异磁瞧能，显示了掰遥永磁毫税豹优越毪，觚褥侵瘩磁 电机的发展进入了一个新的历史时期，永磁电机逐渐得到了广泛的应用。为了满 足童业和生产、嫩活等各个领域的多种需求，人们要研制多种结构的永磁电机， 毅囊结戆永磁宅凝壤先瑷玲段戮究荻熬羹。圣挈菇雾 型豪磁魄撬之一戆豢妓无铗， 永磁阊步电动机，由于其自身络构的特殊性，使其具有较特殊的性能，也使得对 箕使用的控制方法与普通永磁阎步电机有很犬不同。 2 1 永滋电视煞发袋褫兔 电机是一种以磁场为媒介避行机械能和电能相互转换的电磁装置。为了建立 逶移羧邀能量转换爨露雾熬气羧磁场，可数遴遵嚣秘方滚；一耪是在魄瓤绕组内 通融电流来产生磁场，这稀南励磁的电枫溉嚣要有专门盼绕组和相应的装置，又 需灏不断供给能嫩以维持电流流动；另一种烂由永磁体产匏磁场，由予永磁材料 的圈寿特性，它缀过预先磁化( 充磁) 以后，不秀需要外姗能量就能程其周围空 窝建立磁璐，繇霹篱纯奄瓿蘩梅，又霹蒂豹籀量。 永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的1 1 1 。我国是世界上袋早发现 永磁材料的磁特性并把它应用于生产实践的圆家。早在两千多年前，我国就已利 髑永撩糖料豹磁姆缝铡或了豢麓镑，在魏海、军事等领域发挥巨大懿侈遐，裁舞 我阂古代西大发稿乏一。 1 9 世纪2 0 主簪代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁 电机。由于当时所用的永磁材料磁能密度缀低，用它制成的电机体积庞大，不久 帮棱逛藏磁毫橇掰取代。由予辩各耱毫氛避迷发震戆器簧耱毫流充磁嚣静发凌， 人们对永磁材料的性质、构成和制造技术避行了深入的研究，相继发现了多种永 磁材料。特别是2 0 世纪3 0 年代铝镍钴永磁釉5 0 年代出现的铁氧体永磁，其磁 牲鼹骞了援丈提舞，各耱微型秘小型电规又纷纷镬雳索磁钵聚磁。永磁魄提兹功 率小至数毫瓦，火歪尼十千瓦，狂军事、z 农业生产和日常生活中都褥捌了广泛 应用，产量急剧增加。这段时期在永磁电机的设计理论、计算方法、充磁和制造 第= 章盘式无铁心永磁同步电渤机的结构及控制性能分析 授零等方嚣瞧都毅得7 突玻黢送震。 但铝镍链柬磁的矫顽力偏低，铁氧体永磁 秘耐磁密度不高，限锖了它们在电 机上的应用范围。直到本世纪6 0 年代和8 0 年代，稀土锚永磁和钕铁硼永磁相继 蛹缎，它们豹齑剩磁密度、藏娆顽力，商磁熊积和退磁嬲线线牲等优辫磁性能特 麓逡合予制造永磁窀视，获舔傻瘩磁泡瓤黟发展送入7 令新豹历史辩辩。 2 2 盘式永磁同步电动机的基本结构 近咒年来，焱式永磁两疹电动枫在国矫褥封迅速发袋，其作为现代离性能伺 服魄机和大力矩嶷接驱动电机已广泛应用予各种机电体化产品中。常规结构盘 武永磁同步电动枫的典型结构如图2 - 1 所承： 銎2 - 1 典攫! 盘式拳磁爨步电魂柱结稳鼹 此结构中，擞形定子和转予对等放置，气隙磁场沿袖向分布；其鼹子铁心由 双两绝缘的冷轧硅钢片带料鬻绕而成，绕缀导体沿径向放置；转子为高磁能积的 容磁薄钢冀帮强织簿维塑搴辜稳残豹薄隧鑫翻。 此种电视辅向尺寸短、鬃蠹轻、体积小、结构紧凑。国于它采用永久磁钢激 磁，所以转子无损耗，电机运行效率高；由于它的定、转子对等排列，所以定子 绕缀具有良好的散热条 孛。此耪电机的显萋特点为：转予的转动镁量小，枧电常 数，j 、，峰僮转辍辍堵转转矩离，转矩，垂爨鞲：大，霞既，低速运行平舔，美有往 越的动态性能。除此之外，这种电机还可以制成多气隙缀合式结构，即由多定子 和多转子交错排列组成多气隙，可进一步撼离转矩，因i i 鼯特别适合予火力矩直接 繇旗装要。瑷鑫式窳磁嚣步毫凌凝灸巍毒亍露转豹餐骧驱动系统是蔌幸戆掇毫一 体化组件( 如图刍2 ) 。把箕应掰于数控机床、机器入、雷达跟踪等离耩度系统中， 具肖不用齿轮、精度高、响威快、加速度犬、转矩波动小、过载能力离等特点， 第二章盘式无铁心永磁同步电动机的结构及控制性能分析 怒一静较秀理憋貔驱动装霉。 图2 - 2 擞式永磁同步电幼机伺服驱动系统 盘式采磁霹步毫动税麓鳃篷窝毫滚篾鼙浚诗荛芟弦波，氇霉 鬟设诗秀爨形 波。对于梯形波电流供电的擞式永磁同步魄动机，只需简单的转子能鬣传感器， 控制简单，但电机的谐波转矩较大。这种电机通常被称为擞式永磁无刷直流电机， 热罗马忍亚生产麴s f f 系列。对予歪弦波电流供电豹擞式隶磁网步魄动枧，虽 然潞要精确复杂的位置传惑嚣，但经能大必箍离。这耱嗽梳称为盘式永磁两步毫 动机，如瑞士i n f r a n o r 公司生产的s e 系列。随着电力电子学和熙量控制理 论的发展，盘式永磁同步电动机的控制方滋也在不断完罄。通过微处髓控制器控 裁秘大臻搴鑫豁罄p w m 遂交器侯毫，这耱魄瓿谐波转蹩企，运行警穗，裁态瞧 能好，具有广阔的发展前景。 2 3 基于h a l b a c h 阵列的盘式无铁心浓磁同步电动机 零课题所研究的电机秀纂予h a l b a c h 阵猁的盘式元锾心永磁同步电动税，箕 蕊本结构如图2 3 所示。此电机外壳为铝制党体；转予部分选用了具脊商矫顽力 和离剩磁密度鸯尊钕铁硼永磁材料；永磁体采用了一种特殊的排列形式一一 h a l b a c b 墼采磁体薄磺；采霜辫转予结穆，褥磁镑毫接靛鬟终壳主；巍双转子搀 成了双气隙结构；定子电枢采用无铁心结构，直接由绕组注塑而成。 从电机设计的角度考虑，此电机采用外转予结构并将磁钢直接粘剁外壳上， 霹避免殛钢巍秘蹙稳互运凄掰产生豹涡流按裁；采翅基殴转子秘残双气羧，哥班 增加气除磁密。传统电辊为了减小磁路的磁隘，选用赢磁学率的硅钢片叠压制成 铁心，铁心的稃在导致了体积大、重量大，损耗大、震动噪声大等问题。此电机 利髑钕铁硼永磁离矫顽力的优异特性，制成了无铁心电机，面不使用磁钢片，这 栉，苓瞧龟瓤鬟麓大禧褒下降，还降低了援豹噪声，阖辩猿少了满流掇糕，显效 率也得到了较大提高。 第二章盘式无铁心永磁同步电动机的结构及控制性能分析 圈2 - 3 盘式无铁心永磁同步电动机基本结构 1 转子壳蝴线盘枷钢4 轴 提高电机本身的磁负荷，也就是增加电机气隙中的磁通密度，不但可以减小 电机的体积，还可以提高力能密度，所以在电机设计时要尽量提高气隙中的磁通 密度。而提高永磁电机气隙磁通密度的方式有两种，一种是从磁钢材料上想办法， 尽量选取磁性较强的永磁材料；另一种是从磁钢结构和排列方式上想办法，使进 入气隙的磁通密度增强。此电机在设计中为提高电机气隙中的磁通密度，不但选 用了具有高剩磁密度的钕铁硼永磁材料，而且采用了一种特殊的磁钢排列方式 - h a l b a c h 型永磁体阵列。 h a l b a c h 型永磁体阵列的概念最早是在二十世纪八十年代，由美国劳伦斯伯 克利国家实验室的k l a u sh a l b a c h 教授提出的，并在二十世纪八、九十年代被国 内外研究机构相继成功地应用于新一代粒子加速器、自由电子激光装置、同步辐 射装置等高能物理领域。后来，因h a l b a c h 型永磁体阵列表现出许多优良的特性， 从二十世纪九十年代中期开始，国际上也逐渐开始重视其在电机领域的应用。 在传统永磁电机设计中永磁体的排列方式多采用径向或切向结构，如图 2 4 ( a ) 、( b ) 所示。而h a l b a c h 型永磁体阵列将径向和切向阵列合成在一起，合成 后的结构使得一侧磁场增强，一侧磁场减弱，h a l b a c h 型永磁体阵列的基本结构 如图2 - 4 ( c ) 所示。h a l b a c h 阵列这种新型的永磁体排列方式，特别适合于转子上 永磁体采用表面式安装的结构。永磁体采用h a l b a c h 阵列排列方式，不仅可以增 第二章盘式无铁心永磁同步电动机的结构及控制性能分析 强电机气隙磁通，而且可以减弱转子轭部磁通，对缩小电机体积和提高力能密度 十分有利【卦。 醺冀势 嚏鼢 ( c ) h a l b a c h 阵列结构 图2 - 4 传统结构及h a t b a c h 阵列结构对比 近年来，h a l b a c h 型永磁体阵列在高性能电机领域中的应用研究越来越热， 这与h a l b a c h 型永磁体阵列所具备的一些优良特性是分不开的，其具有的优良特 性如下： ( 1 ) h a l b a c h 型永磁体阵列可以很容易地得到在空间按较理想正弦分布的磁 场，可以从根本上消除电机的齿槽效应力矩。而且即使每极采用较少的永磁体段 数，也可以很容易地得到和理想h a l b a c h 型永磁体阵列类似的磁场分布。这种特 点使得采用h a l b a c h 型永磁体阵列的电机齿槽效应力矩几乎可以忽略不计，有利 于提高电机的性能。采用较少段数的h a l b a c h 型阵列，以及简单的绕组和定转子 非斜槽结构，也使制造电机的成本不高。 ( 2 ) h a l b a c h 型永磁体阵列的一侧磁场很强，而另一侧很弱。这一特性有助 于提高电机气隙中的磁密，对于提高电机的力能密度和缩小电机体积都十分有 利。同时，h a l b a c h 型永磁体阵列的这一特性可以大大减弱电机轭部的磁通，即 该阵列具有磁自屏蔽特性。该特性还可以大大减小电机本体的漏磁现象，有助于 降低电机对外部环境的电磁干扰；可以减少轭部铁心的质量，有助于降低成本： 可以使电机转子的质量和转动惯量变小，有助于提高电机的动态特性。 ( 3 ) h a l b a c h 型永磁体阵列可以降低空载损耗，从而提高电机的效率。 1 0 第二章盘式无铁心永磁同步电动机的结构及控制性能分析 ( 4 ) 采用h a l b a c h 型永磁体阵列可以降低电机的电磁力矩脉动，降低对电 机轴承的要求。 ( 5 ) 采用h a l b a c h 型永磁体阵列可以使电机冷却容易。 ( 6 ) 采用h a l b a c h 型永磁体阵列可以使电机的电感系数相对较小。 此电机的h a l b a c h 型永磁体阵列磁钢采用了拼装工艺，其基本结构如图2 - 5 所示。 圈2 - 5 磁钢结构示意图 h a l b a c h 型永磁体阵列按照构成每极块数的不同可以分成每极2 块( 9 0 。) 、3 块( 6 0 ) 和4 块( 4 5 ) 等几种不同的结构。此电机采用了每极四块( 4 5 。) 的 结构，如图2 - 6 所示。 图2 - 6 采用每极4 块( 4 5 ) 的h a l b a c h 型永磁体阵列 第二章盘式无铁心永磁同步电动机的结构及控制性能分析 贬毫撬戆基本设诗数据麴袭2 1 掰示。 袭2 1 基本设计数据 设计数攒 功率( w ) 2 0 0 转速( r r a i n ) 3 7 5 相数3 ( y 接) 输入频率( 1 魏) 5 0 定子数( m o d u l e ) l 极对数 8 线夔数( 3 秘) 4 8 每相匝数 6 4 0 线径( m m ) 1 0 6 窳磁髂蠹径( 撼) 1 0 。毒 永磁体外径( 濑) 1 8 气隙( 跚) 0 8 绕组厚度( 僦) o 6 永磁体蓐度 濑)1 2 效率( ) 8 0 功率因数0 9 9 冷帮系统鑫冷 绝缘等级 f 2 霹基于h a l b a c h 阵歹l j 嚣纛式无铁心永磁潜步慧动橇控裁性糕辩分橇 前面讨论了蒸于h a l b a c h 阵列的盘式无铁心永磁同步电动机在结构设计中所 采趱熬多瑷壤纯揍憨，芳提及? 英在运行巾戆一些甓熹，霭憩耪结药鹅旗凝在控 制巾的表现是我们避一步地研究的重点。要嶷现对盘式元铁心永磁同步电动视静 良好控制，需要搿其不同于蒋通盘式电机的两个主要特点无铁心结构和 h a t b a c h 蓐烈结 勾，傲较为深入熬理论探讨，以便为此类魄机的控制应朋提供清 鹾霹靠黪理论萋懿。 1 2 第= 掌盘式无铁一0 永磁同步电动机的结构及控制性能分析 2 4 1 无铁心定乎绕缝建蛙缝影嫡戆分耩 传统永磁同步电动机为有铁心结构，而鼹总是设计成藏磁路的某热部分有一 定的饱和度，以撮高有效空间的剽用率，因而太多数永磁脚步电动机绕组经常会 逶熬磁疆熬稳纛瓣题。舅势，零缀体磁撮掰生豹磁逶一般跫戳蓬定予铁心这蘩 德鞠。在不考虑饱和问题时，定子磁通嚷与相电流五成缭瞻关系： l - 嘲 ( 2 - 1 ) 式孛，梵定予绫鬻电鐾，推梵定子线夔蓬数。稳纛翅题使褥定子磁运热与稳电 流不再具有线性关系，饱和程度越商夜随的变化越不明显。由式( 2 - i ) 可 知，二与九和l 的比值成正比，所以这种非线性关系可以明照地反映到寇子线圈电 感豹交让上。铸绞永磁同步电机当磁路接避德帮孵，即使的蓬不变，定子线圈 毫簿也会照永磁转子电角度的交纯露交纯，麓一般交纯麓德翔瑟2 - 7 掰幂秘。 匿2 - 7 电感与转子啦角发的关系 电角度( o ) 鳕2 - 7 显示了在定子线圈巾心线分别舅永磁体s 极( 设此时电角度为9 矿) 和n 极( 设此时魄角度为2 7 0 0 ) 达到平齐的过程中，由永磁磁势和绕组磁势的 筝燃掰弓；起豹毫撩交 艺特嚣。扶图审霹驳褥毽，定子线辫静龟感隧永磁转子龟 受发酶交纯成遥钕正弦型的波瀚。当线瑟中心线与s 、n 辍平齐露( 在9 0 。耧2 7 矿 电角度处) ，磁路饱和程度最粥，磊随j ，的变化不明显，敞l 较小。当线圈中心 线岛s 、n 极垂囊对( 在0 0 和1 8 0 “电角度处) ，磁路饱和稷度最低，哦鹣厶的变 纯大，效较大。懿舞，麸瑟巾戮吾窭当绞凝串叠线专s 、攘投孚齐辩王静大 小也不相同，在2 7 酽电角度处电感最小，这是由于此时永磁磁势的方随与绕组 磁势产生的磁通方向相同，磁路饱和程度更离所致。 嚣觅，鸯子铁，厶麴存在，逡艘了磁路匏镪窝，从两会鼯致定子线錾魄感随着 镪私程度的提高两减夸，雨量隧稽转子电角魔的交传蔼不鞭变化，这释就给控铡 造成了很大的麻烦纠。 第= 章盘式无铁心永磁同步电动机的结构及控制性能分析 鑫予铁，垂缡鹅存在鞋上避谂戆趣题，天铁整结掏静永撩嚣步电动瓤越来越受 到众多科研入员的关注。采用凭铁心绕组的永磁同步电动税在运行时不存在饱和 问题， 与，】成线性关系，撼本不变化，肖利于转矩控制的简化，w 提高控制 的稳定性，对于没有对受控对袋的参数进行谯线辨识的永磁同步电动机矢量控制 系统来谎，系统静静态蠢动态特健将被大大捷高。 此外，无铁心定子绕组不存在绕组槽的问题，没有齿槽引起的转嫩脉动。因 为谯某些有高精艘要求的系统领域，转矩脉动是永磁同步电动机性能好坏的一项 重要据挥，逶褰舞 垒姥囊骧系绫魏低速转矮躲动痊枣予3 璐，瑟_ 瑟，粼弱永磁弱 步电动机的转短脉动具有十分麓要的意义。 樽者，在一般结构永磁同步电动机的运行过程中，由于温度、电枢反应等影 喻傻得永磁体的工作点在电枫运行过程中怒变化的，即永磁体恕外界提供的磁通 在激撬运行懿过稷串是交纯翡。嚣魏，在假设承磁毫橇凳“瑾慈”毫穰，或者缓 设永磁体在电机遂行过程中向外界提供的磁邋恒定的前掇下，分析得出的结论与 实际情况往往存彼着一定的偏麓，尤其是幽变频器供电的犬功率多相永磁电机， 存谯熬镶差籍嚣大。嚣毙毫掇滋入正零工铭状态嚣，毫撬熬湛舞交毯誉大，疑敦 圭瓣考虑电枢反_ 陂对电机工律赢的影响。对予无铁心永磁阊步电动机来说，气陈 较火，电枢反应w 以忽略不计，所以可以忽略永磁体工作点在电机运行过程中的 变化，邸消除了瑷论与实际豹镰差闯题。 2 4 2 h a l b a c h 阵歹口转子对憾能影响酶分析 通常在永磁劂步电动机的设计中，永磁体多采用径向( 垂直) 或切向( 水平) 簿裂缝耱。毽是对手盎式永磁瓣步毫动秘寒谤，普逶毒蜜囊臻耱滋锶褥裂戆气藩磁 密波形较差，臣铁心结构加大了转子的转动惯囊，降低了电机的快速殷应能力。 将h a l b a c h 阵列成用到盘式无铁心永磁同步电动机中可从根本上改善这些问题。 细蔚巍述，h a l b a c h 阵列怒将径自与切期阵捌结合农一起豹一静掰型磁性结 穆。径每与切岗承磁体阵菇瓣会成能使一边麓磁场增强磷使勇一透豹磁汤减弱。 这种结构能使气隙磁密的分布非常好地接j 琏正弦分布。 h a l b a c h 阵列是通过改变磁钢的排列方竣来增加电机气隙磁通密魔，从而可 臻夺毫艇戆落积，绳毫龟辊力熬密发。瑟虽，容磁薅采震h a l b a c h 蓐裂掺舞方式， 可以减弱转子轭部磁通，提离电机的工作性能。 本课题研究的盘式无铁心永磁同步电机中，h a l b a c h 阵列的相邻永磁体块的 磁纯矢量夹角为4 5 。由磁场分褥锝翔，其筏球磁密蜂德越过了0 。6 t ，犬辛普通 摊戮方式，基磁密波形更援遥旋弦波。圈2 - 8 分朔给逡7 盘式无铁心永磁丽步毫 动机普通轴向结构磁钢与4 5 。的h a l b a c h 阵列的气隙磁密分布波形。鼹见，采用 第二章盘式毳铁心永磁同步电动机的维稳袋撩制挂髭分析 h a l b a c h 阵列研使盘式无铁心永磁同步电动机具有救商的力能密度和较好的磁密 波形。h a l b a c h 阵列的应用为盘斌凭铁心永磁同步电机具有良好的控制性能提供 了重要傈诞。 f 甜l f l 川 、 r f | l l l f ij | ；。f v 浮u ￥ l i 广i 秘 工， + “1 船l 5 ， ( 普通箢铁心结构磁密波形) r 、 ，气l |l| |、 ff ，l； 蓼 j轰ji 、| |，| 、， m1 j hk mt m ( 4 5 。h a l b a c h 阵列的气隙磁密波形) 图2 - 8 气隙磁密波形 第三章盘式无铁心永磁同步电动机的矢量控制策略 第三章盘式无铁心永磁同步电动机的矢量控制策略 电气传动是以电动机的转矩和转速为控制对象，按生产机械工艺要求进行电 动机转速( 或位置) 控制的自动化系统。纵观电气传动的发展过程，交、直流两 大电气传动并存于各个工业领域，随着工业技术的发展，特别是随着电力电子和 微电子学的发展，他们在相互竞争、相互促进中完善着自身，发生着变更。由于 历史上最早出现的是直流电动机，所以在1 9 世纪8 0 年代以前，直流电气传动是 唯一的电气传动方式。到1 9 世纪末叶，出现了交流电，使得交流电气传动在工 业中逐步得到了广泛的应用，在不调速的电气传动领域，交流电动机占主要地位。 随着生产技术的发展，对电气传动在制动、正反转以及调速精度、调速范围、静 态特性和动态响应方面都提出了更高的要求，直流电动机比交流电动机在技术上 更容易满足要求，所以2 0 世纪以来，在需要可逆、可调速与高性能的电气传动 技术领域中，相当长的时期内都是采用直流电气传动。由于直流电动机具有电刷 和机械换向器，存在着自身的弱点，人们又开始了新一轮的交流传动的研究热潮。 自6 0 年代以后，随着电力电子学、微电子技术和现代控制理论的发展为交流电 气传动产品的开发创造了有秘条件，使得交流传动具备了宽调速范围、高稳速精 度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，并实现了交流调速装置的产 品系列化，取代直流电动机调速传动已是必然的发展趋势。由于异步电动机的调 速性能难以满足生产要求，且大量使用三相异步电动机使得电网的功率因数普遍 降低，从2 0 世纪3 0 年代后期，人们开始研究同步电动机的调速问题，同步电动 机变频调速的应用范围越来越广阔。1 9 7 1 年，由德国b l a s h k e 等人首先提出了交 流电动机的矢量交换控制( t r a n s v e c t o rc o n t r 0 1 ) 理论，从理论上解决了交流电动 机转矩的高性能控制问题。矢量控制理论为交流调速取代直流调速奠定了理论基 础，已成为目前在实际系统应用中使用最为广泛的控制理论闭。永磁同步电动机 体积小，重量轻，效率高，转子无发热问题，控制系统有较为简单。因此永磁同 步电动机组成的伺服控制系统已受到国内外的普遍重视。 3 1 同步电动机的变频调速方法 3 1 1 同步电动机变频调速的基本原理 同步电动机是以其转速甩和供电电源频率，之间保持严格的同步关系而命 名，n 与负载大小无关。过去由于变频电源的限制，只有一些功率较大而又没有 第三章盎式无铁，永磁露步电动规盼哭豢控制燕略 速度调节簧求的生产机械考虑选用同步电动机拖动。糯在由于电力电予变频技术 的迅速发展，交流调速，特别是交流调速中的同步电劝机调速变得容易蜜现、优 势突出、受入美注。 嚣多毫凌撬豹转速公式秀： 6 0 ， 糟_ 儿 ( 3 ，1 ) 式中，定子电源频率； 以电动祝极对数。 嚣步毫动橇交颓溪速冒数努凳德控蓑交额调速鄹鑫攫式交蒙谡速嚣大炎。 1 德按建交鬏调速 他控式燮频调速采用独立的炎频器( 即输出频翠幽外部振荡器控制) 作为同 步电动机的变压变频电源。变频鼗鼹的输出频率是由速度给定信号决定冉勺，这种 系统一般为搿琢控制系统。 2 。錾羧舞：交菝凌速 童拄式交额调速螽电动梳辆t 所带的转子位鬟稔溺嚣发出信号来羧稻逆变 器的触发换向，即采用输出频率豳电动机转予位置采控制的变压变频电源为间步 电动机供电，邀样就从内部结构和原理上保证了频率岛转速必然同步，构成了“自 控式”。自控式l 弼步电动机变频调速系统主要由同步媳动机、变频器、转予位置 捡溅器帮控制壤元缓残。霸魏控戎糖魄，塞羟式弱多鼹凌瓿变簇诵速最大鹣特点 就是能够获校零上清除霹步电动税转子振荡饔失多懿隐患。本课题瑟盘式笼铁心 永磁i 司步电动机调速系统的研究袋用的就是自控式燮频调速方法。 3 1 。2 永磁网步电动机变频调速的基本方法 怼手永磁瓣步毫馥飘来浼，葵承毯转子产生一撼定磁场，当绘其三穗慰稼绕 组逶入三赣辩称电流跨会在气羧肉产生一旋转磁场。校摇宅孝毛统一理论，辩今磁 场必须保持相对静止，才能产生稳定的电磁转矩，才能驱动电动机以同步转速旋 转。由于自靛戏同步电动机定予磁动势的转速( 频率) 由转予转速控制，那么能 控制的量就慰您予电流的幅值和糊位了，通过控制好甑流的这两个量可达至0 对永 磁同步电动枫避纷涌速的譬静。 参照强3 1 ，定子会葳磁动势戆矢量蔻： f m i ；- i v , 詈l e 7 “”- f e “ ( 3 - 2 ) 式中，。定子线圈匝数； e 定子磁动势的懈值； t 定子穗电流豹矮火氆； 第三章盘式无铁心永磁同步电动机的矢量控制策略 九+ 口定子相电流的初始角。 。j 戢堪、 l e h、高r 一 ： 7 、 7 7 n 、4 ( 两 图3 - 1 同步电动机定、转子磁动势示意图 。舀 由转子位置检测器可以检测出永磁同步电动机转子在空间的初始位置角 a - 凡，口a ) 轴为a 相绕组中心线位置，定子合成磁动势f 在空间距口) 轴 ( 九+ 口) ，巧与转子合成磁动势巧的夹角为口。由统一的电机转矩公式 乃一巴f 乍7s i n o 可知，只要保证0 t 口 1 8 0 ，电动机就能产生电动的电磁转矩。 调节定子相电流的幅值l ( 对