一種多工況條件下永磁直流無刷電機(jī)設(shè)計(jì)方法

成俊康 胡 昊 陳 晨 白海琳

西安航天動(dòng)力測(cè)控技術(shù)研究所 陜西 西安 710025

引言

受新型高性能永磁材料技術(shù)的進(jìn)步、電力半導(dǎo)體器件和專用控制集成電路的發(fā)展以及自身優(yōu)勢(shì)性能突出等相關(guān)因素的影響,永磁直流無刷電機(jī)(PMBLDCM)越來越廣泛地被應(yīng)用于各種伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)中[1]。在進(jìn)行單一工況的永磁直流無刷電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),通常把工作點(diǎn)設(shè)置在最高效率點(diǎn),以期達(dá)到節(jié)能增效的目的;然而,在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中,電機(jī)的多工況運(yùn)行是一種普遍現(xiàn)象,如何設(shè)計(jì)電機(jī)使得各子工況條件下電機(jī)的性能相對(duì)較優(yōu)是一個(gè)比較現(xiàn)實(shí)的問題。因此,深入地了解并研究多工況條件下永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)愈發(fā)顯得重要。

1 永磁直流無刷電機(jī)一般設(shè)計(jì)方法

永磁直流無刷電機(jī)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)其額定值和技術(shù)性能指標(biāo),并針對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的某些具體工藝要求,選擇重點(diǎn)考慮因素,做到保證重點(diǎn),照顧一般,并充分考慮其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[2]。其一般設(shè)計(jì)方法為:

(1)分析技術(shù)指標(biāo),參考以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),擬定總體設(shè)計(jì)方案,主要包括確定主要尺寸,確定槽極配合,確定絕緣等級(jí)、冷卻方式等等;

(2)根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的特性及技術(shù)要求選擇主要材料,例如有質(zhì)量要求的其結(jié)構(gòu)支撐件可選擇鋁合金、鈦合金,電磁頻率高的可選擇更薄的牌號(hào)更高的軟磁材料,功率密度高的可考慮使用剩磁、磁能積更優(yōu)的硬磁材料等等;

(3)依據(jù)磁路法、有限元分析或者是場(chǎng)路結(jié)合的方法進(jìn)行迭代,詳細(xì)電磁設(shè)計(jì);

(4)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械強(qiáng)度校核核算;

(5)必要時(shí)進(jìn)行熱仿真分析、機(jī)械時(shí)間常數(shù)等相關(guān)指標(biāo)的校核;

(6)設(shè)計(jì)時(shí)很多參數(shù)是相互矛盾、相互制約的,故需反復(fù)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

在進(jìn)行多工況條件下電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),常用的方法是對(duì)實(shí)際多個(gè)工況進(jìn)行分析,然后根據(jù)各個(gè)工況的優(yōu)先級(jí)確定某一工況為額定工況,并按照通常的永磁直流無刷電機(jī)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)。然而,如果設(shè)計(jì)是基于某一工況的需求來進(jìn)行的話,那么在該工況條件下,電機(jī)的性能諸如效率、電流密度、熱負(fù)荷等表征較優(yōu),但在其它工況條件及約束條件(諸如尺寸包絡(luò)、重量、工作制等)下其性能就未必較優(yōu),甚至電機(jī)有損壞的風(fēng)險(xiǎn)。那么,如何讓多個(gè)工況條件下電機(jī)性能綜合較優(yōu)呢?改變電機(jī)的自然機(jī)械特性曲線不失為一個(gè)好的方法。

眾所周知,對(duì)于一個(gè)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的電機(jī),其自然機(jī)械特性曲線是表征電機(jī)能力固有屬性的一個(gè)指標(biāo)。如若把多個(gè)工況分布在一條自然機(jī)械特性曲線上不能很好的達(dá)到上述目標(biāo),那么,設(shè)計(jì)多條自然機(jī)械特性曲線,并根據(jù)各個(gè)工況的特點(diǎn),把各個(gè)工況合理地分布在合適的自然機(jī)械特性曲線上,就能達(dá)到多工況條件下各工況電機(jī)性能均保持相對(duì)較優(yōu)的目的。

2 多工況條件下永磁直流無刷電機(jī)繞組設(shè)計(jì)方法

在多工況實(shí)際運(yùn)行條件下,本文提出了一種通過改變電機(jī)電樞繞組連接方式的方法,使得設(shè)計(jì)的電機(jī)擁有多條自然機(jī)械特性曲線,以達(dá)到改善多工況條件下電機(jī)運(yùn)行的綜合性能的目的,下面將詳細(xì)說明。

(1)獨(dú)立雙備份繞組設(shè)計(jì)。通常的永磁直流無刷電機(jī)其連接方式為三相六狀態(tài)星形連接,即三相繞組通過引出線引出,中性點(diǎn)固定在電機(jī)組件內(nèi)部。如果把構(gòu)成每一相的繞組再均分,并保證均分后的繞組其磁動(dòng)勢(shì)完全相同,然后組成兩套完全一樣的三相對(duì)稱繞組,這樣就形成了雙余度繞組,其中一套繞組被稱為主繞組、另一套被稱為備繞組。主、備繞組由于完全同相位,故主、備切換前后產(chǎn)品的性能不會(huì)發(fā)生改變,此結(jié)構(gòu)極大的提高了系統(tǒng)的可靠性。雙余度電機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)請(qǐng)參考相關(guān)文獻(xiàn)[3][4][5]。本文用于系統(tǒng)仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證的獨(dú)立雙備份繞組設(shè)計(jì),采用的是16極18槽配合,其主、備繞組設(shè)計(jì)連接圖如圖1所示。

圖1 雙備份繞組設(shè)計(jì)典型示例

(2)串聯(lián)繞組設(shè)計(jì)。在獨(dú)立雙備份繞組設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上,如果把主備繞組各相首尾連接,串聯(lián)起來,就形成了串聯(lián)繞組,其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。由于主、備繞組的結(jié)構(gòu)參數(shù)及電角度完全相同,因此主備繞組串聯(lián)時(shí)一定要注意串聯(lián)極性,切不可因?yàn)槁?lián)結(jié)問題使得主備繞組磁動(dòng)勢(shì)完全抵消,造成電機(jī)不能正常運(yùn)行的惡果。相對(duì)于獨(dú)立雙備份繞組,串聯(lián)繞組具有以下特征:

圖2 串聯(lián)繞組設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意

A.相電阻是獨(dú)立雙備份繞組的2倍;

B.每相的有效匝數(shù)是雙備份繞組的2倍,且雙備份繞組主備繞組所形成的磁場(chǎng)完全耦合,故理想反電勢(shì)系數(shù)、啟動(dòng)力矩系數(shù)是獨(dú)立雙備份繞組的2倍;

C.理想空載情況下,根據(jù)公式U=E=Ke*n0(U—供電電壓,E—理想反電勢(shì),Ke—理想反電勢(shì)系數(shù),n0—理想空載轉(zhuǎn)速)可得,理想空載轉(zhuǎn)速是獨(dú)立雙備份繞組的一半;

D.理想堵轉(zhuǎn)情況下,根據(jù)公式T堵轉(zhuǎn)=KT*I堵轉(zhuǎn)=KT*U/R(T堵轉(zhuǎn)、I堵轉(zhuǎn)—堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、堵轉(zhuǎn)電流,KT—啟動(dòng)力矩系數(shù),R—電阻)可得,堵轉(zhuǎn)電流是獨(dú)立雙備份繞組的一半,堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩不變。

綜上,串聯(lián)繞組設(shè)計(jì)所形成的自然機(jī)械特性曲線如圖3所示,繞組設(shè)計(jì)連接典型示例如圖4所示。

(3)并聯(lián)繞組設(shè)計(jì)。在獨(dú)立雙備份繞組設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上,如果把主備繞組各相首并聯(lián)在一起,中性點(diǎn)并聯(lián)在一起,就形成了并聯(lián)繞組。同理,并聯(lián)繞組也需注意聯(lián)結(jié)極性問題。相對(duì)于獨(dú)立雙備份繞組,并聯(lián)繞組具有以下特征:

A.相電阻是獨(dú)立雙備份繞組的一半;

B.理想反電勢(shì)系數(shù)、啟動(dòng)力矩系數(shù)不變;

C.理想空載轉(zhuǎn)速不變;

D.理想堵轉(zhuǎn)電流是獨(dú)立雙備份繞組的2倍,堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩是獨(dú)立雙備份繞組的2倍;

通過雙備份繞組設(shè)計(jì)、串聯(lián)繞組設(shè)計(jì)、并聯(lián)繞組設(shè)計(jì)可獲得三種典型的自然機(jī)械特性曲線。在電機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況情況下,可根據(jù)各工況的運(yùn)行特點(diǎn),配置合適的自然機(jī)械特性曲線,提高多工況條件下電機(jī)的綜合性能。

3 系統(tǒng)仿真及樣機(jī)驗(yàn)證

依據(jù)某一項(xiàng)目背景,通過一個(gè)具體的仿真實(shí)例來說明第2章中三種繞組聯(lián)結(jié)方式對(duì)直流無刷電機(jī)性能影響。

3.1 電機(jī)設(shè)計(jì)要求及相關(guān)參數(shù) 主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)與設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 某永磁直流無刷電機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)及設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果及分析 依據(jù)實(shí)際工況,主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)與設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。相對(duì)于雙備份繞組,并聯(lián)繞組連接方式雖不改變系統(tǒng)的理想反電勢(shì)系數(shù)、啟動(dòng)力矩系數(shù),但其效率更高、輸出功率更大,通常可適用于高功率大電流工況,而串聯(lián)繞組連接方式能使系統(tǒng)的力矩系數(shù)變?yōu)樵瓉淼?倍,故可適用于大轉(zhuǎn)矩工況。而雙備份繞組本身具有系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)可切換性的特點(diǎn),可用于長(zhǎng)時(shí)工作的工況。

表2 不同繞組設(shè)計(jì)情況下電機(jī)電性能仿真參數(shù)比較

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證 試驗(yàn)樣機(jī)的外形包絡(luò)尺寸為φ67mm×160mm,通過對(duì)系統(tǒng)的三相引出線及中性點(diǎn)進(jìn)行組合連接,形成三種不同的繞組設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)樣機(jī)的相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。由該表可以看出,不同繞組設(shè)計(jì)情況下電機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合仿真結(jié)果,繼而驗(yàn)證了本文提出方法的有效性及可行性。

表3 不同繞組設(shè)計(jì)情況下電機(jī)電性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較

4 結(jié)論

綜上所述,在多工況條件下,設(shè)計(jì)不同的繞組形式來改變電機(jī)自然機(jī)械特性曲線并把工況合理地配置在合適的曲線上能有效提高過程中系統(tǒng)綜合性能。此外,其它提高多工況條件下電機(jī)綜合性能的一些方法還需要更深一步展開研究。