無換向器電機系統(tǒng)中永磁電機的設(shè)計①
顧 宏 (西安交通大學(xué))
許大中 賀益康(浙江大學(xué))
【摘 要】闡述電流源型無換向器電機系統(tǒng)運行方式和控制方式對電機供電特性的影響。討論該種系統(tǒng)中永磁電機的設(shè)計，包括電機結(jié)構(gòu)設(shè)計、具有約束電流源對電機特性的影響、磁場和永磁體的設(shè)計優(yōu)化及參數(shù)計算。文中給出了電機主要參數(shù)計算值與試驗值的比較。
【敘 詞】晶閘管供電電動機 系統(tǒng)永磁電機 設(shè)計
1 引 言
永磁無換向器電機系統(tǒng)是一種比較理想的永磁同步電機調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)。它采用自控式運行方式，在整個運行區(qū)間都產(chǎn)生同步轉(zhuǎn)矩。并具有直流電機的調(diào)速特性，采用電流源型變流器可在不影響電機運行特性的前提下把電機的起動電流限制在規(guī)定的范圍。與目前應(yīng)用較多的靜止變頻器一永磁同步電機系統(tǒng)相比，電機與變流器的容量匹配合理，電機結(jié)構(gòu)得到簡化，永磁體利用率明顯提高，并可安全采用溫度性能較差的釹鐵永磁材料。這些特點使系統(tǒng)成本大幅度降低，性能得以改善。隨著對這種驅(qū)動系統(tǒng)研究的不斷成熟，永磁無換向器電機驅(qū)動系統(tǒng)將逐步占領(lǐng)中小功率驅(qū)動領(lǐng)域，并有取代其它驅(qū)動系統(tǒng)的趨勢[1-3]。
在電流源型永磁無換向器電機驅(qū)動系統(tǒng)中，電機和系統(tǒng)之間的聯(lián)系更加密切，使電機設(shè)計面臨新的問題。系統(tǒng)的控制方式和電源性質(zhì)使電機與以往電壓源供電的情況有較大的區(qū)別，并對電機運行特性有很大影響；采用自控式運行方式可拋開以往為了產(chǎn)生足夠 ①本課題受浙江省科委重點科研項目“釹鐵永磁無換向器電機”經(jīng)費資助異步起動轉(zhuǎn)矩而對電機結(jié)構(gòu)采取的措施和對氣隙磁場的限制．電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較大的靈活性，并可采用高磁結(jié)構(gòu)，尤需在較準(zhǔn)確考慮磁場飽和的前提下進行磁場和永磁體設(shè)計優(yōu)化；并且永磁電機成本和系統(tǒng)成本已處于可比的水平。這時要實現(xiàn)電機與系統(tǒng)的合理匹配，達到整機系統(tǒng)的低成本和高運行性能，就必須從設(shè)計的初級階段綜合地考慮電機和系統(tǒng)之間的相互影響。
本文首先闡述電流源型無換向器電機系統(tǒng)運行方式和控制方式對電機供電特性的影響，然后在此基礎(chǔ)上討論該種系統(tǒng)中永磁電機的設(shè)計，包括電機結(jié)構(gòu)設(shè)計、具有約束電流源對電機特性的影響、磁場和永磁體的設(shè)計優(yōu)化及參數(shù)計算等。
2電流源型無換向器電機系統(tǒng)的供電特性
圖1是典型的電流源型交一直一交無換向器電機系統(tǒng)。它由變流器、控制系統(tǒng)、位置檢測器和電機四部分組成�？刂葡到y(tǒng)由位置檢測器檢測到的信號和速度信號決定變流器的工作狀況，即控制施加在電機上的電流的頻率、幅值和相位，進而控制同步電機的運行。
變流器由晶閘管元件和平波電抗器組成，采用負載換流工作方式；控制系統(tǒng)由單片微型計算機及其外設(shè)輔助電路構(gòu)成，包括變流器觸發(fā)、電流保護、數(shù)模和模數(shù)變換等部分；轉(zhuǎn)子位置檢測器被一套端電壓檢測電路替代，實現(xiàn)所謂的無位置檢測器運行方式。這些硬件電路配以合適的控制軟件實現(xiàn)該系統(tǒng)的速度和電流的雙閉環(huán)控制。
該系統(tǒng)的換流方式有兩種。低速運行時因電機的端電壓過低而采用斷續(xù)換流。為了獲得****的起動轉(zhuǎn)矩，采用位置檢測器時，一般把施加的電流與電機反電勢之間的相位差φ設(shè)置為0°；采用端電壓檢測方式時，因無法確定電機的內(nèi)功率角δ，這時只能保證施加的電流與電機端電壓之間的相位差φ為0°。當(dāng)電機的轉(zhuǎn)速較高時，可直接利用電機的反電勢進行自然換流。以電動機狀態(tài)為例，當(dāng)采用位置檢測器時，φ=60°；而采用端電壓檢測，只能確定電流與端電壓之間的相位角φ，其值可根據(jù)不同的控制策略確定。
變流器在其控制系統(tǒng)的作用下使得供給電機的電流具有可控性。在加速階段，為了獲得****的起動轉(zhuǎn)矩，控制系統(tǒng)中的速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器都處于飽和輸出狀態(tài)，在它們的共同作用下，電樞電流始終保持為限幅值，而電流相位角按前述的不同情況加以約束，二者決定著電機的轉(zhuǎn)矩；在穩(wěn)定運行階段，電流的大小由負載轉(zhuǎn)矩決定，其相位角仍需加以約束�？梢姡瑢﹄姍C來說，變流器呈現(xiàn)出具有約束電流源的特性，而施加到電機上的電壓卻不可控。
從電機內(nèi)部的電磁關(guān)系看，通入電機每相繞組的電流是120°方波電流，這個電流產(chǎn)生一個跳躍的定子磁勢，每1／6周期向 |
