交流主轴电机的设计

李忠杰(合肥工业大学)

【摘  要】  分析交流主轴电机由于逆度器供电、矢量控制及宽广的调逮范围对电机性能的

影响。提出电动机与逆变器的匹配关系、额定电压的正确选择、参数特征等的设计原则。介绍了考虑逆变器输出电压中主要谐波含量时交流主轴电机的设计方法，并通过试制样机得以验证。

    【叙  词】  ／交流主轴电机逆变器矢量控制／叠加原理

1引  言

  交流主轴系统的典型框图如图l所示，是一个基于微机控制速度闭环系统，主要是由转矩／磁链解耦控制器(矢量控制器)、脉宽调制(pwm)发生器、逆变器、电流及速度反馈装置构成的交流主轴伺服单元与交流主电机组成。交流主轴电机一般为宽调速鼠笼型感应电动机，调速比在1：100以上。本文主要讨论与交流主轴伺服单元配套的交流主轴电机设计原则及方法，并通过试制样机加以验证。

2交流主轴电机的设计特点

2．1逆变器电源对电机性能的影响及计算

逆变器电源中一系列谐波电压在电机绕组内产生谐波电流。对于k次谐波而言，电机总是处于滑差s_k=1的短路状态，可按2所示的等值电路计算k次谐波电流。

2．1．2产生谐波损耗

    a．谐波铜耗。计算方法与基波相同，但应计及集肤引起定转子电阻的增加。

 

式中m——电机的相数

    b．谐波铁耗。各次谐波电流(与基波电流一样)除产生一次谐波磁势外，还产生高次空间谐波磁势。这些高次空间谐波磁势产生磁通也穿过气隙进入转子，并在定转子铁心中引起铁耗，但其磁通甚微，设计时可以忽略。以下只计算由k次谐波电流空间基波磁通a产生的铁耗。

式中  p10／50——对应50hz、1丁的损耗系数

  s——对应k磁通磁路截面积

  k_fc——铁耗增大系数，可取2．5～3

  c．谐波杂散损耗。谐波电流可能引起较大的端部损耗及斜槽损耗，精确计算有困难，可按下式估算：

式中p．——对应基频f_e时的额定功率考虑如上兰方面损耗，较之正弦供电总损耗约增加20 。 

2．1．3产生谐波转矩

    谐波电流产生磁势在转子中感应电流，产生谐波转矩，不计谐波电流产生的空间谐波磁势，则每次谐波磁势产生附加平均转矩可计算为:

式中p——电机极对数

    t₂₄——转子k次谐波电流折合值

    有一种谐波转矩是由不同次谐波电流产生一次谐波磁势相互作用产生交变转矩(亦称脉动转矩)，这种转矩将有(k2—k)个，其中最严重的是基波电流产生的基波磁势与各次谐波电流产生的一次谐波磁势相互作用产生的转矩，这种转矩将有(k一1)个，可按下式计算:

式中r₁，l₁₁——定子电阻及电感

r₂，l₂₂——转子折合到定子电阻及电感

式中e₂——基波电流磁势的转子感应电势折合值

    ψ₂₄----e₂和转子k次谐波电流，t2k间相位差

    由于脉动转矩的存在，使得电机振动和噪声增大。在转速较低、电感较小、转子电阻较大时，脉动转矩可能引起电机旋转不均匀。

2．2矢量控制模式对电机性能影晌及计算

    矢量控制模式通过矢量变换解耦，间接分别控制磁通和转矩，本质上相当于把交流电动机动态控制简化为他励直流电动机的动态控制。矢量控制方法是把三相交流系统变一为正交的二相同步旋转系统，且把基准坐标轴置予气隙磁运轴线上，如图3所示。