无换向器电机系统中永磁电机的设计①

顾  宏    (西安交通大学)

许大中  贺益康(浙江大学)

    【摘  要】阐述电流源型无换向器电机系统运行方式和控制方式对电机供电特性的影响。讨论该种系统中永磁电机的设计，包括电机结构设计、具有约束电流源对电机特性的影响、磁场和永磁体的设计优化及参数计算。文中给出了电机主要参数计算值与试验值的比较。

    【叙  词】晶闸管供电电动机  系统永磁电机  设计

 

1  引    言

 

永磁无换向器电机系统是一种比较理想的永磁同步电机调速驱动系统。它采用自控式运行方式，在整个运行区间都产生同步转矩。并具有直流电机的调速特性，采用电流源型变流器可在不影响电机运行特性的前提下把电机的起动电流限制在规定的范围。与目前应用较多的静止变频器一永磁同步电机系统相比，电机与变流器的容量匹配合理，电机结构得到简化，永磁体利用率明显提高，并可安全采用温度性能较差的钕铁永磁材料。这些特点使系统成本大幅度降低，性能得以改善。随着对这种驱动系统研究的不断成熟，永磁无换向器电机驱动系统将逐步占领中小功率驱动领域，并有取代其它驱动系统的趋势[1-3]。

 

    在电流源型永磁无换向器电机驱动系统中，电机和系统之间的联系更加密切，使电机设计面临新的问题。系统的控制方式和电源性质使电机与以往电压源供电的情况有较大的区别，并对电机运行特性有很大影响；采用自控式运行方式可抛开以往为了产生足够  ①本课题受浙江省科委重点科研项目“钕铁永磁无换向器电机”经费资助异步起动转矩而对电机结构采取的措施和对气隙磁场的限制．电机的结构设计具有较大的灵活性，并可采用高磁结构，尤需在较准确考虑磁场饱和的前提下进行磁场和永磁体设计优化；并且永磁电机成本和系统成本已处于可比的水平。这时要实现电机与系统的合理匹配，达到整机系统的低成本和高运行性能，就必须从设计的初级阶段综合地考虑电机和系统之间的相互影响。

 

    本文首先阐述电流源型无换向器电机系统运行方式和控制方式对电机供电特性的影响，然后在此基础上讨论该种系统中永磁电机的设计，包括电机结构设计、具有约束电流源对电机特性的影响、磁场和永磁体的设计优化及参数计算等。

 

2电流源型无换向器电机系统的供电特性

 

    图1是典型的电流源型交一直一交无换向器电机系统。它由变流器、控制系统、位置检测器和电机四部分组成。控制系统由位置检测器检测到的信号和速度信号决定变流器的工作状况，即控制施加在电机上的电流的频率、幅值和相位，进而控制同步电机的运行。

    变流器由晶闸管元件和平波电抗器组成，采用负载换流工作方式；控制系统由单片微型计算机及其外设辅助电路构成，包括变流器触发、电流保护、数模和模数变换等部分；转子位置检测器被一套端电压检测电路替代，实现所谓的无位置检测器运行方式。这些硬件电路配以合适的控制软件实现该系统的速度和电流的双闭环控制。

 

    该系统的换流方式有两种。低速运行时因电机的端电压过低而采用断续换流。为了获得****的起动转矩，采用位置检测器时，一般把施加的电流与电机反电势之间的相位差φ设置为0°；采用端电压检测方式时，因无法确定电机的内功率角δ，这时只能保证施加的电流与电机端电压之间的相位差φ为0°。当电机的转速较高时，可直接利用电机的反电势进行自然换流。以电动机状态为例，当采用位置检测器时，φ=60°；而采用端电压检测，只能确定电流与端电压之间的相位角φ，其值可根据不同的控制策略确定。

 

    变流器在其控制系统的作用下使得供给电机的电流具有可控性。在加速阶段，为了获得****的起动转矩，控制系统中的速度调节器和电流调节器都处于饱和输出状态，在它们的共同作用下，电枢电流始终保持为限幅值，而电流相位角按前述的不同情况加以约束，二者决定着电机的转矩；在稳定运行阶段，电流的大小由负载转矩决定，其相位角仍需加以约束。可见，对电机来说，变流器呈现出具有约束电流源的特性，而施加到电机上的电压却不可控。

 

    从电机内部的电磁关系看，通入电机每相绕组的电流是120°方波电流，这个电流产生一个跳跃的定子磁势，每1／6周期向