稀土永磁同步电动机的研究热点分析

稀土永磁同步电动机的研究热点分析稀土永磁同步电动机的研究热点分析 永磁电机具有结构简单 运行可靠 体积小 重量轻 损耗小 效率高 电机形状尺寸灵活多样等特点 已经在航空航天 军工 汽车行业有了广泛的 应用 目前 永磁电机按永磁体位于转子的位置分 可分为表面式 SPM 和内 置式 IPM 两大类 表面式永磁电机永磁体位于转子表面 因此转子不具有 凸极效应 且电机本身的原因 电机的高速运行受到限制 恒功率运行区域较 小 表面式结构的永磁电机与一般是相等的 因此 在一般情况下表面式 d L q L 永磁同步电机不适合弱磁提速运行 内置式永磁同步电机其永磁体位于转子内 部 使得转子具有凸极效应 增加了磁阻转矩 从而增大了电机输出转矩 相 对于表面式 转子结构更坚固 所以更适合于高速运行 由于内置式气隙相对 较小 动态响应快速 此外 较小的气隙更有利于负向轴电枢反应减弱气隙d 磁通 从而更好的实现弱磁控制 内置式永磁同步电机结构灵活 设计自由度 大 其高效 高功率密度 宽调速等优点引起了各大汽车公司的关注 特别是 获得了日本汽车公司的青睐 当前 美国汽车公司在新车型设计中也主要采用 内置式永磁同步电机 一 内置式永磁同步电动机一 内置式永磁同步电动机 内置式永磁同步电机的转子结构主要有径向式 切向式 V 型 U 型 W 型和风车型等磁路结构 1 径向式结构的优点是漏磁系数小 转轴无需采取隔磁措施 极弧系数可以 方便地通过隔磁空气隙来调整 转子冲片的机械强度较高 切向式磁路结构的 漏磁系数相对较大 需要专门采用隔磁措施 电动机的加工工艺和制造成本较 径向式电机高 但是其优点在于一个极距的磁通由相邻的两个磁极共同提供 具有聚磁效应 磁极的利用率较高 因此可以选用剩磁较低的廉价永磁材料 同时该结构的磁阻转矩占电磁转矩的比例很大 有利于提高电动机的功率密度 和扩展电动机的恒功率运行范围 a 径向式磁路结构 b 切向式磁路结构 c V 型磁路结构 d 风车 型混合式磁路结构 e U 型磁路结构 f W 型磁路结构 图 1 内置式永磁同步电动机典型的磁路结构 V 型永磁体结构在保证足够的起动笼设计空间的前提下增加了磁钢的有效 利用体积 U 型或者 W 型磁钢的结构过于复杂 增加了准确计算设计参数的难 度 电机的设计存在很大的不确定性 缺乏有效可靠的设计规范 多以研究性 质为主 二 永磁同步电动机的应用分类二 永磁同步电动机的应用分类 1 高效永磁同步电动机 高效永磁同步电动机较之感应电动机 功率因数高 损耗小 同功率相比 体积小 重量轻 它与电励磁同步电动机相比 提高了效率 实现了无刷化 因此 称为高效永磁同步电动机 目前在纺织化纤领域 陶瓷玻璃工业 油田 以及长期运行的风机泵类中得以应用 2 调速永磁同步电动机 永磁同步电动机与变频器相结合就构成了调速永磁同步电动机 它能够通 过变频器起动 与闭环控制系统配合可以得到良好的调速控制性能 无刷高效 运行等特点更是得到人们的青睐 调速永磁同步电动机优异的性能使其在航空 航天 数控机床 机器人 电动汽车等方面获得了广泛的应用 3 特种永磁同步电动机 随着稀土永磁材料的磁性能不断提高 高性能新型结构永磁同步电动机相 继出现 1 盘式永磁同步电动机 适用于小到计算机外设 办公设备 大到船舶驱 动的对电机性能和体积综合要求较高的场合 2 横向磁通永磁同步电动机 横向磁场永磁电机是由德国著名的电机专家 H weh 教授于 1988 年首先提出的一种新型的机电一体化调速系统 虽然仍存在 各个方面的问题 但由于其具有转矩密度高和控制灵活等特点 正得到日益广 泛的重视 2 三 永磁同步电动机的控制技术三 永磁同步电动机的控制技术 常用的永磁同步电机的控制技术有恒压频比控制 V F const 矢量控制 和直接转矩控制 1 恒压频比控制技术 V F const 恒压频比控制属于传统的标量控制方法 其控制思想是建立在电机稳态模 型的基础上 其控制变量通常为电机的外部变量 例如电压 电流 磁链的幅 值和频率等 而不考虑各物理量在过渡过程中的空间位置 其控制原理是给定 某一转速信号 并输入到控制器中 根据逆变器产生所需的正弦电压 使电机 运行跟踪给定转速 根据工况的不同 工程中常见的逆变器脉冲宽度调制 PWM 有电压正弦 电流正弦和空间矢量调制 SVPWM 等 永磁同步电机 恒压频比控制系统一般采用开环控制结构 其原理图如图 2 所示 图 2 永磁同步电机 V F const 控制系统原理图 2 矢量控制 矢量控制 vector control VC 的原理是把交流电机在按转子磁场定向的同 步旋转坐标系上通过坐标变换等效为直流电机 其电流和转矩控制模仿直流电 机进行控制 以获得类似于直流调速系统的调速性能 如图 3 所示 矢量控制起初是应用于异步电机 在 1972 年德国学者 Bayer 根据异步电机 转子磁场定向控制理论提出了同步电机的转子磁场定向控制理论 同步电机的 转子磁场定向控制通过保持 cos 1 调节励磁电流补偿电机的电枢反应 但系 统的动态过程存在磁链和转矩不解耦的缺陷 有学者提出采用阻尼绕组改善磁 链和转矩不解耦的缺陷 保持磁链的恒定 提高定子电流响应速度 负载角振 荡通过异步转矩进行抑制 3 图 3 永磁同步电机的矢量控制系统原理图 3 直接转矩控制技术 DTC direct torque control 直接转矩控制技术是一种新颖的应用于交流电机的变频调速控制技术 3 它是在 70 年代中期继转子磁场定向控制 矢量控制 技术之后提出的 1977 年 美国学者 A B Piunkett 在 IEEE 学报上发表了相关文献 文献中提出了对磁 链和转矩直接调节的方法 根据这种方法 首先将转矩的给定值与反馈值的偏 差经过输出的定子电压频率 定子磁链的给定值与反馈值的偏差再经过简单的 积分处理得出电压与频率相除的量 然后相乘于前面推导出的定子频率得到逆 变器的输出电压 最后采用正弦波脉宽调制控制电机的稳态运行 直接转矩控制不同于转子磁场定向控制 不需要复杂的旋转坐标变换 根 据定子磁场定向在定子两相静止坐标系下建立电机的数学模型 分析并计算电 机的定子磁链和电磁转矩 将磁链和转矩计算出的反馈值与给定值进行求差运 算 其偏差值经过两点式的双滞环调节器 保证磁链和转矩波动在预定的容差 范围 利用空间矢量的分析方法 直接对逆变器的开关状态信号进行控制 输 出预期的电压空间矢量信号 控制电机的转矩 获得电机系统的高动态响应 直接转矩控制在摈弃了转子磁场定向控制中复杂的转子旋转坐标变换计算问题 之后 整体控制思想简单明了 且其控制系统对电机参数不敏感 鲁棒性较强 4 四 永磁同步电动机的弱磁技术四 永磁同步电动机的弱磁技术 永磁同步电动机中 永磁体产生恒定的励磁磁动势 不能直接调节 只能 通过调节定子电流来调节 具体方法是增加定子电流的直轴去磁分量来达到弱 磁扩速的目的 维持电机高速运行时的电压平衡 从电压方程式可以看出 当电动机的电压达到 22 fILILu ddqq 逆变器所能输出的极限电压时 只能通过调节定子电流的交 直轴分量和 q I 来继续升高转速 即永磁同步电动机的弱磁控制 如减小永磁同步电动机的 d I 交轴电流分量和增加直轴电流分量来维持电压平衡 从而达到弱磁效果 q I d I 因为电动机的相电流有一定的极限值 在调节定子电流如增加直轴去磁电流分 量时 交轴电流分量相应减小 此时要保证电枢电流不能超过相电流的极 d I q I 限值 因此 在电枢电流极限值范围内 通常通过增加直轴去磁电流来实现 d I 弱磁扩速 永磁同步电动机的弱磁示意图如图 4 所示 图 4 永磁同步电动机的弱磁控制示意图 对永磁同步电动机进行弱磁控制可以通过电流相位控制来实现 一种方法 是使直轴电流分量 0 起去磁作用 实现弱磁 随着转速的升高 需要不 d I 断增大起去磁作用的直轴电流分量 才能始终维持电势平衡 这种弱磁控制 d I 能力的大小和电枢绕组的直轴电感成正比 d L 另一种方法是逐渐减小交轴电流分量从而减小电枢反应的助磁作用和气 q I 隙合成磁场 这种弱磁控制能力的大小和电枢绕组的交轴电感成正比 这种 q I 弱磁措施是以牺牲恒转矩调速范围和输出转矩为代价来增大弱磁调速范围的 对电机的总调速范围影响不大 相反 若随着弱磁能力的增大 增大 恒转 q X 矩运行范围变窄 弱磁范围变宽 电机总的调速范围变窄 使得电动机的输出 转矩特性越来越软 5 五 永磁同步电动机的异步起动技术五 永磁同步电动机的异步起动技术 永磁同步电动机通常有异步起动 反拖并网和变频起动三种起动方法 相 对于其他两种起动方法 异步起动法省去了复杂的起动设备和昂贵的变频器 在许多场合成为永磁同步电动机的首选起动方式 因此良好的起动性能是永磁 同步电机设计成败的关键 这种起动方式需要在转子铁心外圆设置起动笼 而 将永磁体置入转子铁心内部 永磁同步电动机的异步起动过程可以分为两个阶段 第一为异步起动阶段 第二为牵入同步阶段 在异步起动阶段 电机从投入电网起动开始 在异步转 矩 永磁发电制动转矩 由转子磁路不对称引起的磁阻转矩以及单轴转矩等的 共同作用下 从静止逐渐加速 在起动过程中 只有异步转矩为驱动性质的转 矩 是电动机得以加速的动力来源 而其它几种转矩基本上均为制动性质 当 转子加速到一定值后 在永磁脉振转矩的作用下 经过一定的转速振荡 最后 在同步转矩的作用下被牵入同步 1 在永磁同步电动机异步起动过程中 电机转子的转速为变转速 电机交直 轴磁路不对称 许多参数为时变函数且相互影响 这给永磁同步电动机起动过 程的研究带来了一定的困难 为了解决参数随转子位置变化的问题 必须把坐 标轴放在转子上 因此 采用了与转子转速相同的变转速 dqo 坐标系统 即需 要对静止的定子三相绕组进行变转速 dqo 坐标变换 为了简化定转子绕组之间 的关系 还需要对转子笼型绕组进行相应的坐标变换 从而把一个笼型网络的 多相绕组变换成二相正交绕组 使异步起动永磁同步电动机的数学模型最终统 一在变转速 dqo 坐标系统中 6 参考文献参考文献 1 马隽 三相异步起动永磁同步电动机的优化设计 M 浙江大学硕士论文 2007