同步磁阻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)分析

陳 蘭，王 真，徐 謙，戴 亮，張東寧

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

近年來(lái)，永磁同步電動(dòng)機(jī)因其優(yōu)良的特性在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但隨著稀土價(jià)格的持續(xù)上漲。永磁同步電動(dòng)機(jī)的成本也迅速上漲。為了控制成本，在中低端工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中低成本的同步電動(dòng)機(jī)的需求也在不斷上升。

本文介紹了一種新型同步磁阻電動(dòng)機(jī)(Syn-RM)，不使用永磁體，主要由銅和鐵構(gòu)成，具有耐高溫的特點(diǎn);數(shù)學(xué)模型明確，主要是依靠交直軸電感之差產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩;控制原理簡(jiǎn)單，控制電路易于搭建;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及體積小、重量輕等顯著特點(diǎn)，既綜合了開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，且避免了永磁電動(dòng)機(jī)在高溫環(huán)境應(yīng)用的缺點(diǎn)。

此外，該類(lèi)型電機(jī)在一些應(yīng)用環(huán)境溫度較高的場(chǎng)合也有較廣泛的市場(chǎng)，如用作機(jī)車(chē)、飛機(jī)、船艇、礦井開(kāi)采、核工業(yè)以及軍事方面的動(dòng)力電機(jī)。

1 基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

1.1 新型同步磁阻電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)

該同步磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子采用柵格式結(jié)構(gòu)，定子設(shè)計(jì)與三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子相同。轉(zhuǎn)子上沒(méi)有永磁體，是導(dǎo)磁材料硅鋼片，利用傳統(tǒng)的沖制和疊壓工藝制作而成。圖1為柵格式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)同步磁阻電動(dòng)機(jī)截面圖，定子采用36槽，轉(zhuǎn)子為4極。

柵格疊片式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是在電工鋼板上沖壓出若干磁阻柵格后疊壓而成，可以利用傳統(tǒng)的沖制、疊壓工藝制作轉(zhuǎn)子，是這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 同步磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 柵格疊片式轉(zhuǎn)子

1.2 工作特點(diǎn)

該同步磁阻電動(dòng)機(jī)的工作原理與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)基本相同，只是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較特殊，其轉(zhuǎn)子是在電工鋼板上沖壓出若干磁阻柵格后疊壓而成，沒(méi)有永磁體。電動(dòng)機(jī)性能的好壞主要取決于d－q電感的差值，差值越大，輸出轉(zhuǎn)矩越大。

相對(duì)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)而言，同步磁阻電動(dòng)機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)子銅耗，效率明顯提高。損耗分析結(jié)果表明，同一定子情況下，同步磁阻電動(dòng)機(jī)定子銅耗占了很大一部分，若擴(kuò)大定子槽面積，提高定子線徑，電機(jī)銅損耗就會(huì)下降。因此，同步磁阻電動(dòng)機(jī)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，具有效率高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)分析

針對(duì)該電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們對(duì)其進(jìn)行深入分析，具體研究如下:

2.1 同步磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子?xùn)鸥裥螤钤O(shè)計(jì)及仿真技術(shù)

首先，利用電機(jī)電磁場(chǎng)仿真計(jì)算軟件Ansoft建立不同的電機(jī)參數(shù)模型，找出擬設(shè)計(jì)的4極36槽同步磁阻電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)律，即柵格層數(shù)與輸出轉(zhuǎn)矩、電機(jī)效率的關(guān)系;柵格(空氣)寬度和硅鋼片的寬度比值與輸出轉(zhuǎn)矩、電機(jī)效率的關(guān)系。再按照技術(shù)指標(biāo)的要求，進(jìn)行電磁計(jì)算，計(jì)算出所要求的電機(jī)參數(shù)，并利用電機(jī)電磁場(chǎng)仿真計(jì)算軟件進(jìn)行電磁校核。并針對(duì)不同柵格寬度與不同磁橋形狀進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3及圖4為磁橋厚度為0.5 mm、氣隙寬度與硅鋼片筋條寬度比為0.3、電流為0.9A時(shí)的磁路仿真及輸出轉(zhuǎn)矩圖。

圖3 磁路分布圖

圖4 額定轉(zhuǎn)矩放大圖

圖5及圖6為磁橋厚度為0.5mm、氣隙寬度與硅鋼片筋條寬度比為0.5、電流為0.9A時(shí)的磁路仿真及輸出轉(zhuǎn)矩圖。

圖5 磁路分布圖

圖6 額定轉(zhuǎn)矩放大圖

同時(shí)我們調(diào)整磁橋厚度為0.2 mm，重新對(duì)電機(jī)進(jìn)行仿真，圖7及圖8為磁橋厚度為0.2 mm、氣隙寬度與硅鋼片筋條寬度比為0.5、電流為0.9 A時(shí)的磁路仿真及輸出轉(zhuǎn)矩圖。

圖7 磁路分布圖

圖8 額定轉(zhuǎn)矩放大圖

從上述采用不同磁橋結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)子?xùn)鸥窦按艠蛟O(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)有較大影響，我們可以通過(guò)不斷調(diào)整優(yōu)化柵格形狀來(lái)調(diào)高電機(jī)輸出特性。

2.2 同步磁阻電動(dòng)機(jī)電流矢量控制技術(shù)

同步磁阻電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和特性方程較明確，其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的矢量圖如圖9所示。

由同步磁阻電動(dòng)機(jī)的矢量圖可以得到下式:

圖9 同步磁阻電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的矢量圖

式中:Iam、Vam分別為電樞電流和電樞端電壓的上限值。

由正弦波變頻器驅(qū)動(dòng)的同步磁阻電動(dòng)機(jī)，Iam由電動(dòng)機(jī)的額定電流或變頻器的最大輸出電流決定，而Vam要取決于變頻器的直流環(huán)節(jié)電壓。設(shè)定電樞反應(yīng)的感應(yīng)電壓V0(相當(dāng)于忽略Ra時(shí)的電樞端電壓)的限定值，則有:

式中:V0m為忽略Ra時(shí)的電樞端電壓最大值。

因此，滿(mǎn)足上述約束條件的電樞矢量Ia(id，iq)的范圍，可以用圖10的電流限制圓和電壓限制橢圓來(lái)表示。電流限制圓和電壓限制橢圓可以分別表示:

電樞電流限制值由電流限制圓確定，電樞端電壓的限制值由電壓限制橢圓確定，電樞電流矢量的取值范圍則由電流限制圓和電壓限制橢圓共同決定，即被限制在電流限制圓與電壓限制橢圓的內(nèi)側(cè)，如圖10的陰影部分所示。

圖10 考慮了電流與電壓限制的電流矢量限制范圍

電壓限制橢圓與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，即隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，電壓限制橢圓將逐漸變小，使電樞電流的取值范圍逐漸變得狹窄。圖11示出以電流平面上的上述特點(diǎn)為依據(jù)，在考慮了電流、電壓限制的情況下，能夠獲得最大輸出功率時(shí)電動(dòng)機(jī)的三種控制模式的最佳電流矢量的選擇方法。

圖11 電流矢量的選擇

按上述控制方式選擇電流矢量時(shí)，可以大幅度擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行范圍。本項(xiàng)目硬件控制平臺(tái)應(yīng)該采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，主要由控制器單元和功率驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成。

3 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行了該同步磁阻電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的研制，并進(jìn)行了測(cè)試。電動(dòng)機(jī)額定功率200 W、額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min、輸入電壓220 V(DC)。電機(jī)采用4極36槽結(jié)構(gòu)，磁橋厚度為0.2 mm，氣隙寬度與硅鋼片筋條寬度比為0.5，采用6層?xùn)鸥窠Y(jié)構(gòu)。

同時(shí)，將相同功率的異步電動(dòng)機(jī)與該同步磁阻電動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能對(duì)比，兩者采用同一定子，在相同輸入電流時(shí)的性能對(duì)比情況如表1所示。

表1 異步電動(dòng)機(jī)與同步磁阻電動(dòng)機(jī)性能對(duì)比

從上表對(duì)比情況可以看出，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的同步磁阻電動(dòng)機(jī)與相同功率等級(jí)的異步電動(dòng)機(jī)相比，其輸出轉(zhuǎn)矩及效率都明顯提高。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用新型同步磁阻電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)形式，通過(guò)有限元仿真優(yōu)化電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)器采用電流矢量控制方式進(jìn)行控制。

相對(duì)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)而言的，同步磁阻電動(dòng)機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)子銅耗，效率明顯提高，同步磁阻電動(dòng)機(jī)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，具有效率高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn);相對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)，同步磁阻電動(dòng)機(jī)在材料上不使用永磁體，主要由銅和鐵構(gòu)成，具有耐高溫的特點(diǎn)，而且其數(shù)學(xué)模型明確，控制原理簡(jiǎn)單，控制電路易于搭建，同時(shí)其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及體積小、重量輕等顯著特點(diǎn)。隨著導(dǎo)磁材料及半導(dǎo)體元件的不斷發(fā)展，同步磁阻電動(dòng)機(jī)的特性也會(huì)不斷提高，因此在各種工業(yè)控制領(lǐng)域領(lǐng)域都具有較好的市場(chǎng)前景。

［1］ 海老原大樹(shù).電動(dòng)機(jī)技術(shù)實(shí)用手冊(cè)［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［2］ 許實(shí)章.電機(jī)學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［3］ 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電動(dòng)機(jī)［M］.北京:科學(xué)出版社，1997.

［4］ 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［5］ 郭慶鼎，王成元.交流伺服系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

［6］ 李發(fā)海，王巖.電動(dòng)機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)［M］.第3版.北京:清華大學(xué)出版社，2005.