混合励磁无刷直流电机的结构及控制策略研究

收稿日期:2002-11-25基金项目:广东省自然科学基金资助项目(970237)混合励磁无刷直流电机的结构及控制策略研究李优新(广东工业大学,广东广州510643)Structure and Control Strategy of A N e w Kind of B rushless DC Motor with H ybrid ExcitationL I You -xi n(Guangdong University of Technology ,Guangzhou ,510643) 摘　要:介绍了一种具有永磁及可调磁两种磁极的电机,成功地解决了永磁无刷直流电机调磁困难的问题。

样机实验表明调磁作用明显,有效地提高了电机转矩及转速调节范围。

文章详细介绍了该种电机的结构、调磁原理以及控制策略,并给出了实验结果。

关键词:混合励磁;无刷直流电机;控制策略中图分类号:TM33 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2003)03-0003-03Abstract :A kind of special motor with permanent magnet poles and adjustable magnet poles.The difficulty of magnet ad 2justment for permanent magnet brushless DC motor is successfully solved.Sample test shows that the magnet adjustment effect is apparent ,and then the torque and rotation s peed adjustment range are effectively improved.On the basis of analyzing its struc 2ture ,magnet adjusting mechanism and the control strategy ,the test result is got.K eyw ords :hybrid excitation ;brushless DC motor ;control strategy1引　言永磁无刷直流电机因其结构简单、效率高及调速性能好而在很多领域有逐步取代传统的有刷直流电机之势,但不足之处是很难象有刷直流机那样实现恒功率时的弱磁升速。

尽管用增加定子电流直轴分量以产生去磁电枢反应的办法可以达到部分效果,但由于永磁体对于外加磁势的磁阻很大,因此这种去磁效果并不理想,反而使定子绕组的铜损及对于控制器的容量要求大大增加,降低了电机效率。

我们通过在定子上设励磁线圈、转子上设调磁磁极(铁磁极)的办法研制了一种全新结构的具有自主核心技术的混合励磁电机,并已获发明专利与实用新型专利。

2混合励磁电机结构与调磁机理2.1电机结构混合励磁无刷直流电机的总体结构如图1所示,同普通永磁无刷直流电机相比,该电机无论是在定子方面还是在转子方面都采用了非常独特而巧妙的结构。

在其定子里面,同时集成了两种线圈,一种是普通的定子电枢绕组;另一种是在定子中间位置沿圆周方向安放的励磁线圈,在励磁线圈中施加正向或反向的可调节的直流电流,就可产生不同方向与幅值的励磁磁势,该磁势作用在特殊设计的转子磁极上就可产生增磁或弱磁的效果从而达到调磁的目的。

另一方面,众所周知,永磁材料的磁阻很大,励磁线圈产生的励磁磁势要通过它形成磁路很困难,因此,电机的转子采用常规的永磁转子是不行的,还得进行专门的设计。

为此,混合励磁电机的转子采用了图1　混合励磁电机结构示意图如图2所示的独特结构,它在轴向分成左右两部分,一边是S 极永磁体与铁磁极相间安装,另一边是N 极永磁体与铁磁极相间安装,且左右两边的铁磁极错开图2　转子结构示意图一个磁极(图中所示为三对极转子)。

因此,励磁电流产生的磁势就可通过铁磁极形成可调磁通,电机的气隙磁场就是由永磁体产生的固定磁场和可变的励磁磁场综合作用的结果,我们称之为混合励磁。

2.2调磁机理当励磁电流I L =0时,励磁线圈不产生励磁磁势,此时,气隙中只有永磁体产生的永磁磁通Φy ,图3a 所示为将转子与定子沿圆周方向拉直后从轴向(图2的A 边向B 边)观测电机结构示意图。

根据磁路磁阻最小的原则,N 极磁片的磁势沿气隙进入定子硅钢片再经过气隙进入转子铁磁极再回到永磁体形成磁路并将其圆周方向的相邻的铁磁极磁化成S 极(注意:电机定、转子间的气隙宽度远远小于磁极之间的宽度,也远远小于励磁线圈槽的宽度);同样,另一端的S 极磁片会将其圆周方向的相邻3混合励磁无刷直流电机的结构及控制策略研究 T理论研究h e o ry R es e arch的铁磁极磁化成N 极。

在此情况下,电机工作于普通永磁无刷直流电机的工作状态,只是其气隙磁通只有同等规格的永磁电机(电机参数完全相同,转子磁极全是永磁材料)的一半。

当在励磁线圈上施加如图3b 所示方向的励磁电流I L 时(定义为I L 的正方向),则励磁电流产生的磁势将沿着’A 边定子轭硅钢片→空气隙→转子A 边的铁磁极→转子铁心→B 边的铁磁极→空气隙→B 边定子轭硅钢片→机壳→A 边定子轭硅钢片这样一条磁路形成磁通(参见图1、图2),而永磁极由于对外加磁势的磁阻很大,励磁磁势无法通过它形成有效磁路。

这样永磁极上的磁通将基本维持Φy 不变,而铁磁极上的磁通将在原Φy 的基(a )无励磁电流时的磁通示意图础上将叠加一个励磁磁通ΦL (见图3b ),这两路磁通方向一致,在铁磁极上以合成磁场的方式出现,合成磁通Φ=Φy +ΦL ,从而达到(b )增磁时的磁通组成示意图增磁的效果。

当励磁电流I L <0时,励磁线圈在铁磁极上产生的励磁磁通ΦL 的方向将与Φy 相反,如图3b 所示,铁磁极上的合成磁通Φ=Φy -ΦL ,因此达(c )弱磁时的磁通组成示意图图3到了弱磁的目的。

通过调整励磁电流的方向与大小,可在一定范围内改变增磁与弱磁的效果。

但需要注意以下两点:(1)当采用的永磁片较厚、空气隙较小时,铁磁极上的磁场可能趋于饱和,从而使增磁范围变得很小、效果变弱,但会使弱磁效果与范围增大。

(2)永磁体足够厚时可以不考虑励磁磁势对永磁磁势的影响。

但当永磁体较薄、永磁磁势不够大时,励磁磁势在调节铁磁极的磁通时,可能会对永磁磁极的磁通也造成影响,并且在铁磁极中为增磁时的励磁磁势对永磁极则为去磁作用,所以,增磁作用也将被严重削弱。

因此,根据设计目标精确计算与选择永磁片的厚度与强度、确定合适的气隙宽度是保证系统成功的关键。

3控制策略研究对电机采用混合励磁策略的目的不外乎两方面:一是使电机在低速时(额定转速以下)能通过非电流过载的方式就可产生比额定值更大的转矩(而普通的永磁电机在额定转速以下只能实现恒转矩调速),二是通过弱磁实现恒功率时远远超过额定转速的高速度,这也是普通的永磁电机难以达到的工作状态。

因此,如何根据负载的状态变化自动实现增磁、永磁(励磁电流为零)、弱磁之间的无扰动衔接,如何确定每一种运行状态的条件、判断最优控制方案是控制策略所要解决的问题。

总的来说,就是要实现调磁、调速与调压之间的动态最优化控制。

从混合励磁电机的结构及调磁原理可知,在气隙磁场不饱和的前提下,转子每极总磁通为:Φ=ΦY +ΦL(1)上式中:Φy 为永磁体产生的磁通,ΦL 为外加励磁磁通。

电机的转矩为:T =K T ΦI D(2)式中:K T 为与电机结构、参数及连接方法有关的常数,I D 为定子电流。

将式(1)代入式(2)得:T =K T ΦY I D +K T ΦL I D(3)由上式可看出,混合励磁电机的力矩由两部分组成,第一部分是由永磁磁通Φy 及定子电流I D 作用产生,可定义为T y ,即:T Y =K T ΦY I D(4)当I D 等于额定电流I e 时,定义此时的T Y 为电机的额定力矩T e 。

即:T e =K T ΦY I e(5)式(3)中的第二部分是由励磁磁通ΦL 及定子电流I D 作用产生的力矩,可定义为T L ,即:T L =K T ΦL I D(6)由于励磁磁通完全由励磁电流产生,所以T L 实际是由励磁电流I L 及定子电流I D 作用产生。

同样,可得到混合励磁电机的反电势计算公式为:E =K e Φn =K e ΦY n +K e ΦL n(7)式中:K e 为与电机结构及参数有关的常数,n 为电机转速。

因此反电势同样可理解成两部分组成:一部分由定子绕组切割永磁通Φy 产生,另一部分为切割励磁磁通ΦL 产生。

设控制器输出到电机定子绕组上的端电压为U 、定子绕组内阻为r ,则无刷直流电机的电压平衡方程:U =E +I D r ≈E =K e (ΦY +ΦL )n(8)n ≈1K e・U(ΦY+ΦL )(9)定义当控制器的电压输出为额定电压U e 、电流为额定值I e 、励磁磁通ΦL 为零时(励磁电流为零)的转速为混合励磁电机的额定转速n e ,即:n e =1K e ・U eΦY(10)因此,以混合励磁电机的两个关键参数T e 及n e 作为边界条件,将其工作状态划分为以下几种情况加以分析:4 微特电机　2003年第3期T理论研究h e o ry R es e arch当系统给定速度n≤n e时,由于不需弱磁升速,电机只须工作在基本工作状态(励磁磁通ΦL=0)或增磁工作状态(ΦL>0)。

(1)当负载转矩T≤T e时,由式(4)、式(5)可知,此时所需定子电流I D≤I e,系统在基本工作状态通过速度、电流双环调节系统即可达到平滑调压调速的目的,且可避免多变量控制所带来的一些性能指标的下降及励磁电流所引起的附加损耗。

(2)当负载转矩T>T e时,尽管由式(4)知,可通过在定子上施加过载电流I D>I e的方式仍让系统工作在基本状态,但由于受到过载能力的限制(尤其在长时间过载时)及定子绕组铜损、发热的急剧增加,因此这已不是理想的或能实现的调节方式。

此时可采用增磁控制方式,由式(3)、式(4)、式(6)可知:电机力矩为:T=T Y+T L(11)即由永磁力矩与励磁力矩两部分组成,由于永磁部分工作在额定电流与额定力矩时效率最高,此时,可维持I D= I e以使T Y=T e不变。

其差值T-T e由励磁磁通产生的力矩T L提供。

假定无增磁磁通时要满足负载力矩要求所需的过载电流为I DO,据式(3)、(4)、(6)、(11)可知,K TΦY I DO=K T(ΦY+ΦL)I e 据上式结合式(10)可计算得:在前述增磁控制方式下,所需励磁磁通为:ΦL =(I DOI e-1)ΦY=(I DOI e-1)U eK e n e(12)由于ΦL是通过在励磁线圈上施加励磁电流I L来实现的,一般来说,这种磁化曲线由于磁路磁阻的变化而呈现非线性特征,但由于ΦL的磁路为定子硅钢片、气隙与转子铁磁极,在气隙不饱和的范围内仍可近似认为是线性的,即:ΦL=f(I L)=K L I L(13)式中:K L为与励磁线圈匝数、励磁磁路参数相关的系数。