無換向器電機系統中永磁電機的設計①
顧 宏 (西安交通大學)
許大中 賀益康(浙江大學)
【摘 要】闡述電流源型無換向器電機系統運行方式和控制方式對電機供電特性的影響。討論該種系統中永磁電機的設計，包括電機結構設計、具有約束電流源對電機特性的影響、磁場和永磁體的設計優化及參數計算。文中給出了電機主要參數計算值與試驗值的比較。
【敘 詞】晶閘管供電電動機 系統永磁電機 設計
1 引 言
永磁無換向器電機系統是一種比較理想的永磁同步電機調速驅動系統。它采用自控式運行方式，在整個運行區間都產生同步轉矩。并具有直流電機的調速特性，采用電流源型變流器可在不影響電機運行特性的前提下把電機的起動電流限制在規定的范圍。與目前應用較多的靜止變頻器一永磁同步電機系統相比，電機與變流器的容量匹配合理，電機結構得到簡化，永磁體利用率明顯提高，并可安全采用溫度性能較差的釹鐵永磁材料。這些特點使系統成本大幅度降低，性能得以改善。隨著對這種驅動系統研究的不斷成熟，永磁無換向器電機驅動系統將逐步占領中小功率驅動領域，并有取代其它驅動系統的趨勢[1-3]。
在電流源型永磁無換向器電機驅動系統中，電機和系統之間的聯系更加密切，使電機設計面臨新的問題。系統的控制方式和電源性質使電機與以往電壓源供電的情況有較大的區別，并對電機運行特性有很大影響；采用自控式運行方式可拋開以往為了產生足夠 ①本課題受浙江省科委重點科研項目“釹鐵永磁無換向器電機”經費資助異步起動轉矩而對電機結構采取的措施和對氣隙磁場的限制．電機的結構設計具有較大的靈活性，并可采用高磁結構，尤需在較準確考慮磁場飽和的前提下進行磁場和永磁體設計優化；并且永磁電機成本和系統成本已處于可比的水平。這時要實現電機與系統的合理匹配，達到整機系統的低成本和高運行性能，就必須從設計的初級階段綜合地考慮電機和系統之間的相互影響。
本文首先闡述電流源型無換向器電機系統運行方式和控制方式對電機供電特性的影響，然后在此基礎上討論該種系統中永磁電機的設計，包括電機結構設計、具有約束電流源對電機特性的影響、磁場和永磁體的設計優化及參數計算等。
2電流源型無換向器電機系統的供電特性
圖1是典型的電流源型交一直一交無換向器電機系統。它由變流器、控制系統、位置檢測器和電機四部分組成。控制系統由位置檢測器檢測到的信號和速度信號決定變流器的工作狀況，即控制施加在電機上的電流的頻率、幅值和相位，進而控制同步電機的運行。
變流器由晶閘管元件和平波電抗器組成，采用負載換流工作方式；控制系統由單片微型計算機及其外設輔助電路構成，包括變流器觸發、電流保護、數模和模數變換等部分；轉子位置檢測器被一套端電壓檢測電路替代，實現所謂的無位置檢測器運行方式。這些硬件電路配以合適的控制軟件實現該系統的速度和電流的雙閉環控制。
該系統的換流方式有兩種。低速運行時因電機的端電壓過低而采用斷續換流。為了獲得****的起動轉矩，采用位置檢測器時，一般把施加的電流與電機反電勢之間的相位差φ設置為0°；采用端電壓檢測方式時，因無法確定電機的內功率角δ，這時只能保證施加的電流與電機端電壓之間的相位差φ為0°。當電機的轉速較高時，可直接利用電機的反電勢進行自然換流。以電動機狀態為例，當采用位置檢測器時，φ=60°；而采用端電壓檢測，只能確定電流與端電壓之間的相位角φ，其值可根據不同的控制策略確定。
變流器在其控制系統的作用下使得供給電機的電流具有可控性。在加速階段，為了獲得****的起動轉矩，控制系統中的速度調節器和電流調節器都處于飽和輸出狀態，在它們的共同作用下，電樞電流始終保持為限幅值，而電流相位角按前述的不同情況加以約束，二者決定著電機的轉矩；在穩定運行階段，電流的大小由負載轉矩決定，其相位角仍需加以約束。可見，對電機來說，變流器呈現出具有約束電流源的特性，而施加到電機上的電壓卻不可控。
從電機內部的電磁關系看，通入電機每相繞組的電流是120°方波電流，這個電流產生一個跳躍的定子磁勢，每1／6周期向 |
