低速永磁同步電動機的規(guī)劃研討

電力電子技能、釹鐵硼永磁資料，以及具有疾速運算才能的信號處理器DSP的展開，為永磁同步電動機帶來新的關(guān)鍵?，F(xiàn)代電梯所用的低速無齒輪永磁同步電動機就是一種*新的曳引技能。轉(zhuǎn)子上的方位傳感器，實時給出轉(zhuǎn)子方位信息，在專用變頻器供電下，一直實時操控定子電流歸納矢量在q軸上，然后使PMSM獲得與直流電動機一樣優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性。為了獲得**的平層精度，電動機有必要保持在極低的轉(zhuǎn)速乃至挨近零轉(zhuǎn)速時，工作平穩(wěn)，且振蕩小，噪聲低。低速平穩(wěn)性是寬調(diào)速永磁同步電動機一個非常重要的技能指標(biāo)，因而對電動機規(guī)劃帶來嚴(yán)格要求。  
1 PMSM諧波轉(zhuǎn)矩發(fā)生的緣由  
本規(guī)劃是關(guān)于現(xiàn)代高功能電梯展開的，因而對電梯的平層精度、對乘客的舒適感、對減小驅(qū)動電機的振蕩和噪聲，格外對低速乃至在挨近零轉(zhuǎn)速時驅(qū)動電機工作的平穩(wěn)性均有較高的要求。為此，有必要盡也許減小轉(zhuǎn)矩的脈動。  
為發(fā)生穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩，PMSM的感應(yīng)電動勢和電流應(yīng)為正弦波。但在實踐電動機中，永磁轉(zhuǎn)子的勵磁磁場或定子繞組的空間散布都不是抱負(fù)的正弦波，此外給定子供電的變頻設(shè)備，雖已選用了疾速電流盯梢操控技能，盡也許盯梢正弦波，但定子電流還難免富含高次諧波，因感應(yīng)電勢和定子電流波形畸變所發(fā)生的諧波轉(zhuǎn)矩稱為紋波轉(zhuǎn)矩。而因定子齒槽的存在導(dǎo)致的脈動轉(zhuǎn)矩，稱為齒槽轉(zhuǎn)矩。以下剖析上述兩種諧波轉(zhuǎn)矩發(fā)生的緣由，和討論減小諧波轉(zhuǎn)矩的辦法。  
1.1 紋波轉(zhuǎn)矩發(fā)生的緣由  
以下定量剖析磁場定向操控PMSM的紋波轉(zhuǎn)矩。假定:  
1)磁路不飽和，故可疏忽交軸電樞反應(yīng)的影響;  
2) 不思考轉(zhuǎn)子永磁鋼和轉(zhuǎn)子鐵心的阻尼效應(yīng);  
3) 定子繞組三相對稱，聯(lián)合型式為Y型無中線，定子電流中不含3次和3次倍數(shù)的諧波，定子電流中亦不含偶次諧波。  
可將A相電流和感應(yīng)電動勢表達如下:  
(1)  
(2)  
式中w1為基波角頻率，在穩(wěn)態(tài)時，它便是轉(zhuǎn)子電角頻率。  
A相的電磁功率為  
(3)  
同理，B相和C相的電磁功率為  
(4)  
(5)  
電磁轉(zhuǎn)矩為  
(6)  
式中Ω是轉(zhuǎn)子的機械角速度  
將式(2)～(5)代入式(6)得  
(7)  
式中:  


寫成矩陣方法，有  
(8)  
從上述剖析可見，次數(shù)一樣的感應(yīng)電動勢諧波和電流諧波相互作用發(fā)生均勻轉(zhuǎn)矩，不一樣次數(shù)諧波電動勢和電流間相互作用將發(fā)生脈動頻率為基波頻率6倍次的紋波轉(zhuǎn)矩，各紋波轉(zhuǎn)矩的幅值與感應(yīng)電動勢和電流的波形畸變程度有關(guān)。  
圖1形象地闡明在給定感應(yīng)電動勢和電流波形下，發(fā)生紋波轉(zhuǎn)矩的狀況。  
當(dāng)體系運轉(zhuǎn)在高速區(qū)，或選用外轉(zhuǎn)子計劃時，紋波轉(zhuǎn)矩也許被轉(zhuǎn)子慣量所吸收。但當(dāng)電梯運轉(zhuǎn)在極低的速度，它會使轉(zhuǎn)子速度發(fā)生動搖，嚴(yán)峻影響速度的穩(wěn)定性，進而影響平層的**度。咱們在規(guī)劃時，應(yīng)充沛注重，盡量削減紋波轉(zhuǎn)矩。  
1.2 齒槽轉(zhuǎn)矩發(fā)生的緣由  
齒槽效應(yīng)是由永磁鋼與定子齒間作用力的切向重量所構(gòu)成。齒槽轉(zhuǎn)矩會下降電梯平層精度，格外在低速時更嚴(yán)峻，它還會帶來振蕩和噪聲。圖2展現(xiàn)了面裝式PMSM在一個極下的物理模型。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，處于永磁鋼極中心線中心有些的定子齒與永磁鋼間的磁導(dǎo)簡直不變，因而這些定子齒周圍的磁場也根本不變，而與永磁鋼的旁邊面A和B對應(yīng)的由一個或兩個定子齒所構(gòu)成的一小段關(guān)閉區(qū)域內(nèi)，磁導(dǎo)改變卻很大，導(dǎo)致磁場儲能改變，然后發(fā)生齒槽力矩。因而發(fā)生齒槽轉(zhuǎn)矩的區(qū)域主要在永磁鋼兩邊的拐角處，而不是悉數(shù)永磁鋼。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個齒距a 后，兩邊發(fā)生的脈動轉(zhuǎn)矩之和即構(gòu)成了齒槽轉(zhuǎn)矩，如圖3所示。能夠看出這是一個周期函數(shù)，其基波重量的波長等于定子齒距。  
2 減小諧波轉(zhuǎn)矩的辦法  
2．1 減小紋波轉(zhuǎn)矩的辦法  
為了減小紋波轉(zhuǎn)矩，則應(yīng)當(dāng)盡也許減小感應(yīng)電動勢和定子電流的諧波，咱們在規(guī)劃中選用了下列辦法:  
1) 盡也許增大每極每相槽數(shù)q，以削弱感應(yīng)電動勢的高次諧波，因本次規(guī)劃均系低速電機，極數(shù)通常較多，為進步繞組占槽面積，通常不易選用太多槽數(shù)，故咱們選用了分?jǐn)?shù)槽繞組，可進步等效的整數(shù)槽繞組每極每相槽數(shù)q’，這一方面臨削弱感應(yīng)電動勢的高次諧波是有利的，另一方面，因為選用分?jǐn)?shù)槽繞組，每極下定子槽數(shù)不等，這對減小PMSM的定位力矩是有利的。定位力矩是永磁電動機在繞組不通電時所出現(xiàn)的特征，該力矩力圖使電動機轉(zhuǎn)子定位于某一方位。定位力矩主要是由轉(zhuǎn)子中的永磁鋼與定子開槽的相互影響而發(fā)生的。  
2) 定子繞組挑選適宜的短距比B，以削弱感應(yīng)電動勢和磁動勢的諧波。必要時還能夠選用正弦繞組的規(guī)劃。  
3) 應(yīng)使定子電流盡也許迫臨抱負(fù)的正弦波。目前的變頻設(shè)備，均使定子電流疾速盯梢正弦參考值，所以定子電流中低次諧波含量已不大，而是富含較高次的諧波重量，但次數(shù)愈高，其幅值愈低，由此而發(fā)生的高頻轉(zhuǎn)矩動搖，很容易被轉(zhuǎn)子濾去。  
4) 盡也許挑選適宜的磁極形狀與尺度，然后使轉(zhuǎn)子勵磁磁場的波形盡也許按正弦散布。  
2.2 減小齒槽轉(zhuǎn)矩的辦法  
為了減小齒槽轉(zhuǎn)矩，本規(guī)劃選用了下列辦法:  
1) 在不影響定子嵌線的前提下，盡也許挑選小的槽口寬度;或選用磁性槽楔，以下降定子槽開口導(dǎo)致的氣隙磁導(dǎo)改變或選用無槽定子構(gòu)造。  
2) 在不影響磁鋼利用率的狀況下，盡也許增大氣隙的尺度。  
3) 定子斜槽，斜一個齒距，可消除一切齒槽轉(zhuǎn)矩諧波，而對基波影響不大。但定子斜槽通常會影響導(dǎo)體占槽面積，然后使銅耗增大。  
4) 亦可選用轉(zhuǎn)子磁極斜極的方法。關(guān)于面裝式的磁鋼構(gòu)造，能夠直接選用磁鋼扭斜的技術(shù)。而關(guān)于刺進式的磁鋼構(gòu)造，因技術(shù)因素，只能選用如圖4所示的磁極接連移位的斜極方法。  
5) 優(yōu)先挑選面裝式轉(zhuǎn)子磁鋼構(gòu)造，適當(dāng)增大了電機的等效氣隙。  
在此有必要格外提出的是，PMSM的定位力矩常是影響PMSM停轉(zhuǎn)時定位精度的主要緣由，除上述選用分?jǐn)?shù)槽的辦法外，剖析和閱歷證實，當(dāng)永磁體的寬度為定子齒距整數(shù)倍時，能夠有效地按捺齒槽轉(zhuǎn)矩。在技術(shù)上進步鐵心加工精度和留意選配磁功能一致性的永磁體，都能夠有效地按捺PMSM的定位力矩。  
3 定論  
依據(jù)上述規(guī)劃思想，研發(fā)的9.5kW低速PMSM已成功閱歷了實驗室的悉數(shù)實驗，既便在1rpm(適當(dāng)電源頻率f=0.167Hz)時仍能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，且保持著優(yōu)良的線性轉(zhuǎn)矩特性，如圖5所示。圖6系機組拼裝實驗相片。樣機并已成功地應(yīng)用于國內(nèi)聞名電梯公司實驗電梯上，顯示出樣機具有體積小、重量輕、效率高、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)矩脈動小、振蕩小、噪聲小的長處，并使電梯平層精度明顯進步。