交流主軸電機(jī)的設(shè)計(jì)
李忠杰(合肥工業(yè)大學(xué))
【摘 要】 分析交流主軸電機(jī)由于逆度器供電、矢量控制及寬廣的調(diào)逮范圍對(duì)電機(jī)性能的
影響。提出電動(dòng)機(jī)與逆變器的匹配關(guān)系、額定電壓的正確選擇、參數(shù)特征等的設(shè)計(jì)原則。介紹了考慮逆變器輸出電壓中主要諧波含量時(shí)交流主軸電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)試制樣機(jī)得以驗(yàn)證。
【敘 詞】 ／交流主軸電機(jī)逆變器矢量控制／疊加原理
1引 言
交流主軸系統(tǒng)的典型框圖如圖l所示，是一個(gè)基于微機(jī)控制速度閉環(huán)系統(tǒng)，主要是由轉(zhuǎn)矩／磁鏈解耦控制器(矢量控制器)、脈寬調(diào)制(pwm)發(fā)生器、逆變器、電流及速度反饋裝置構(gòu)成的交流主軸伺服單元與交流主電機(jī)組成。交流主軸電機(jī)一般為寬調(diào)速鼠籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，調(diào)速比在1：100以上。本文主要討論與交流主軸伺服單元配套的交流主軸電機(jī)設(shè)計(jì)原則及方法，并通過(guò)試制樣機(jī)加以驗(yàn)證。
2交流主軸電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)
2．1逆變器電源對(duì)電機(jī)性能的影響及計(jì)算
逆變器電源中一系列諧波電壓在電機(jī)繞組內(nèi)產(chǎn)生諧波電流。對(duì)于k次諧波而言，電機(jī)總是處于滑差sk=1的短路狀態(tài)，可按2所示的等值電路計(jì)算k次諧波電流。
2．1．2產(chǎn)生諧波損耗
a．諧波銅耗。計(jì)算方法與基波相同，但應(yīng)計(jì)及集膚引起定轉(zhuǎn)子電阻的增加。
式中m——電機(jī)的相數(shù)
b．諧波鐵耗。各次諧波電流(與基波電流一樣)除產(chǎn)生一次諧波磁勢(shì)外，還產(chǎn)生高次空間諧波磁勢(shì)。這些高次空間諧波磁勢(shì)產(chǎn)生磁通也穿過(guò)氣隙進(jìn)入轉(zhuǎn)子，并在定轉(zhuǎn)子鐵心中引起鐵耗，但其磁通甚微，設(shè)計(jì)時(shí)可以忽略。以下只計(jì)算由k次諧波電流空間基波磁通a產(chǎn)生的鐵耗。  式中 p10／50——對(duì)應(yīng)50hz、1丁的損耗系數(shù)
s——對(duì)應(yīng)k磁通磁路截面積
kfc——鐵耗增大系數(shù)，可取2．5～3
c．諧波雜散損耗。諧波電流可能引起較大的端部損耗及斜槽損耗，精確計(jì)算有困難，可按下式估算：
式中p．——對(duì)應(yīng)基頻fe時(shí)的額定功率考慮如上蘭方面損耗，較之正弦供電總損耗約增加20 。
2．1．3產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)矩
諧波電流產(chǎn)生磁勢(shì)在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電流，產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)矩，不計(jì)諧波電流產(chǎn)生的空間諧波磁勢(shì)，則每次諧波磁勢(shì)產(chǎn)生附加平均轉(zhuǎn)矩可計(jì)算為:
式中p——電機(jī)極對(duì)數(shù)
t24——轉(zhuǎn)子k次諧波電流折合值
有一種諧波轉(zhuǎn)矩是由不同次諧波電流產(chǎn)生一次諧波磁勢(shì)相互作用產(chǎn)生交變轉(zhuǎn)矩(亦稱脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩)，這種轉(zhuǎn)矩將有(k2—k)個(gè)，其中最嚴(yán)重的是基波電流產(chǎn)生的基波磁勢(shì)與各次諧波電流產(chǎn)生的一次諧波磁勢(shì)相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，這種轉(zhuǎn)矩將有(k一1)個(gè)，可按下式計(jì)算:
式中r1，l11——定子電阻及電感
r 2，l 22——轉(zhuǎn)子折合到定子電阻及電感  式中e2——基波電流磁勢(shì)的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)折合值
ψ24----e2和轉(zhuǎn)子k次諧波電流，t2k間相位差
由于脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的存在，使得電機(jī)振動(dòng)和噪聲增大。在轉(zhuǎn)速較低、電感較小、轉(zhuǎn)子電阻較大時(shí)，脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩可能引起電機(jī)旋轉(zhuǎn)不均勻。
2．2矢量控制模式對(duì)電機(jī)性能影晌及計(jì)算
矢量控制模式通過(guò)矢量變換解耦，間接分別控制磁通和轉(zhuǎn)矩，本質(zhì)上相當(dāng)于把交流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)控制簡(jiǎn)化為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)控制。矢量控制方法是把三相交流系統(tǒng)變一為正交的二相同步旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，且把基準(zhǔn)坐標(biāo)軸置予氣隙磁運(yùn)軸線上，如圖3所示。
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