定子永磁型混合励磁双凸极电机设计、分析与控制

将“混合励磁”思想引入双凸极永磁电机, 提出一种定子永磁型混合励磁双凸极电机,对其进行系统深入的理论分析和实验研究.

中国科学: 技术科学 2010年 第40卷 第9期: 1061 ~ 1073

《中国科学》杂志社

SCIENCE CHINA PRESS

定子永磁型混合励磁双凸极电机设计、分析与控制

朱孝勇

①②*

, 程明

①

① 东南大学电气工程学院伺服控制技术教育部工程研究中心, 南京210096; ②江苏大学电气信息工程学院, 镇江 212013 * E-mail: zxyff@

收稿日期: 2009-05-18; 接受日期: 2009-07-22

国家自然基金(批准号: 50807022, 50337030)、国家自然科学基金海外与港澳青年学者合作研究基金(批准号: 50729702)和江苏大学高级人才启动资金(批准号: 09JDG031)资助项目

摘要 将“混合励磁”思想引入双凸极永磁电机, 提出一种定子永磁型混合励磁双凸极电机, 对其进行系统深入的理论分析和实验研究. 理论上, 建立了电机的数学模型; 提出了切实可行的该类电机的一般设计方法, 建立了电机的一般功率方程, 推导出电机磁场调节能力与最大速度之间关系, 为电机的电励磁绕组的安匝数、永磁体用量等关键电磁参数的确定提供理论依据. 将2维和3维有限元相结合, 提出快速、准确的“一步法”对电机特有的定子外漏磁以及端部漏磁进行研究, 并对电机电磁性能进行了分析; 提出了该类电机的驱动控制策略和方案, 并进行了实验研究. 原理样机的实验结果不仅验证了理论分析的正确性, 而且表明, 该电机在保留双凸极永磁电机优点的同时, 能有效拓宽调速范围, 在宽调速范围内具有较高的能量效率, 在电动汽车等应用领域具有应用前景.

关键词

定子永磁电机混合励磁 双凸极 有限元 弱磁控制

双凸极永磁电机(简称DSPM电机), 是指永磁体位于定子的一种新型定子永磁型电机, 该类电机转子结构简单, 既无永磁体、又无绕组, 机械强度高, 适合高速运行; 其永磁体位于定子, 易于采取冷却措施, 可有效避免永磁体过热所产生的不可逆去磁. 双凸极永磁电机作为永磁无刷电机家族的新成员之一, 一经出现, 便受到了国内外永磁电机研究领域学者的关注[1~3]. 最新研究表明, 双凸极永磁电机具有功率密度高、结构简单、容错性能好、控制灵活等优点, 在电气牵引、航空航天、风力发电等领域得到初步应用[4,5]. 但由于永磁电机的固有特性, DSPM电机与永磁同步电机等转子永磁型电机一样, 电机内气隙磁场基本保持恒定, 在电动汽车等需宽调速运行场合的应用受到限制[6,7].

实现DSPM电机气隙磁场的调节和控制, 一般可从控制策略和电机结构两方面开展研究.

1) 控制策略. 对于反电势是方波或正弦波的, 均可采用正弦电流控制方式, 即BLAC控制方式, 基速以上时, 采用矢量控制策略, 通过控制电枢电流的直轴分量id产生直轴去磁磁势削弱永磁磁场, 对电机进行弱磁控制, 实现电机弱磁升速[8~11]. 但DSPM电机中, 永磁体位于定子轭部, 直轴分量id产生的直轴去磁磁势需经过磁阻较大的永磁体, 且受逆变器容量等因素影响, 磁场调节能力有限, 调速范围较窄.

2) 电机结构. 改变DSPM电机的绕组匝数, 能有效拓展电机的调速范围[12]. 由于DSPM电机采用集中式绕组, 为运行过程中改变绕组匝数提供了便利. 文献[12]对一种带多抽头分裂绕组的DSPM电机

引用格式: Zhu X Y, Cheng M. Design, analysis and control of hybrid excited doubly salient stator-permanent-magnet motor. Sci China Tech Sci, 2010, 53: 188 199,

doi: 10.1007/s11431-009-0357-0

将“混合励磁”思想引入双凸极永磁电机, 提出一种定子永磁型混合励磁双凸极电机,对其进行系统深入的理论分析和实验研究.

朱孝勇等: 定子永磁型混合励磁双凸极电机设计、分析与控制

进行了理论分析和实验研究, 通过在线改变电枢绕组的匝数, 电机的恒功率转速范围能显著增大. 但改变绕组匝数, 需要增加用于绕组匝数切换的电子(或机械开关)以及相应的控制单元, 控制相对复杂, 成本也有所增加.

将DSPM电机中的永磁体用电励磁线圈取代, 形成一种电励磁双凸极电机(简称DSEM电机), 调节电励磁电流, 可实现对气隙磁场的控制. 通过在线调节电励磁电流的大小, 能实现电机磁场的调节与控制, 电机具有宽广的调速范围[13]. 但由于安置电励磁绕组需要较大的空间, 而且没有采用高性能的永磁体, 只采用电励磁绕组励磁, 基速以下, 产生同样大小的转矩需较大的励磁电流, 存在额外的电励磁功率损耗, 客观上降低了电机的功率密度和效率. 如何实现双凸极永磁电机气隙磁场的有效调节与控制, 有效拓宽定子永磁型电机调速范围, 并在宽调速范围内始终保持较高运行效率, 仍是定子永磁型DSPM电机研究的难点和进一步推广应用的瓶颈之一.

近年来, 合理改变永磁电机结构, 引入辅助电励磁绕组形成的“混合励磁电机”, 得到了国内外电机界学者的关注和认可. 但目前国内外主要针对转子永磁型混合励磁电机开展研究, 且主要集中在分析不同的电机结构、电磁性能以及磁场调节原理等方面[14~17]. 而深入分析电机磁场调节能力与驱动性能的关系, 综合评估电励磁绕组对电机效率影响等方面的研究更是鲜见系统阐述和报道.

本文将“混合励磁”思想引入DSPM电机, 提出了一种结构新颖的定子永磁型混合励磁双凸极电机(简称HEDS电机), 对该电机进行系统深入的理论分析和实验研究, 建立了该类电机设计、分析和控制的一般方法. 理论方面, 建立了该类电机的数学模型, 推导出永磁磁势、电励磁绕组安匝数、磁通调节范围以及电机最大转速之间的一般关系, 为永磁材料用量、电励磁绕组安匝数等关键设计参数的确定提供了理论依据. 采用3D“一步法”, 对电机的磁链、电感以及反电势等进行了分析, 该方法与传统3D法相比, 大大节省了计算时间, 同时保证了较好的计算精度, 特别适合电机设计初期需要局部调整和优化参数时使用. 实验方面, 建立了基于高性能数字信号处理器(DSP)的全数字化驱动系统实验平台, 基于分区控制策略, 提出了控制方法并进行实验验证, 并综合评估了电励磁绕组的存在对电机的速度调节范围以及效

率等驱动性能的影响. 样机实验结果表明: 该电机不仅保留了DSPM 电机的优点, 而且具有显著的磁通调节能力, 在电动汽车领域具有应用前景.

1 电机结构与基本运行原理

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