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永磁无刷电机

时间:2021-08-02

永磁无刷电机

关键词:

与传统的电励磁电动机相比,永磁电动机特别是稀土永磁电动机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量小、损耗少、效率高,以及电动机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点,因为应用范围极为广泛,几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。

结构

永磁无刷电动机可以看做是一台用电子换向装置取代机械换向的直流电动机,如图1 所示,永磁直流无刷电动机主要由永磁电动机本体、转子位置传感器和电子换向电路组成。无论是结构或控制方式,永磁直流无刷电动机与传统的直流电动机都有很多相似之处:用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极;用具有多相绕组的定子取代电枢;用由固态逆变器和轴位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。

电动机本体

电动机本体和永磁同步电动机(PMSM)相似,转子采用永磁磁铁,目前多使用稀土永磁材料,但没有笼式绕组和其他启动装置。其定子绕组采用交流绕组行驶,一般支撑多相(三相、四相或五相),转子由永磁钢按一定极对数(2P=2,4,6…)组成。设计中要求在定子绕组中获得顶宽为120°的梯形波,因此绕组行驶往往采用整距、集中或接近整距、集中的形式,以便保留磁密中的其他谐波。有刷直流电动机是依靠机械换向器将直流电流转换位近似梯形波的交流电流供给电枢绕组,而无刷直流电动机是依靠电子换向器将方波电流按一定的相序逐次输入到定子的各相电枢绕组中。当无刷直流电动机定子绕组的某相通电时,该相电流产生的磁场与转子永久磁铁所产生的磁场相互作用而产生转矩,驱动转子旋转。位置传感器将转子磁铁位置变换成电信号去控制电子开关线路,从而使定子的各项绕组按一定的次序导通,使定子的相电流随转子位置的变化而按正确的次序换相。这样才能让电子磁场随转子的旋转不断地变化、产生于转子转速同步的旋转磁场,并使定子磁场与转子的磁场始终保持90°左右的空间角,用最大转矩推动转子旋转。由于电子开关线路的导通次序与转子转角同步,起到机械换向器的换向作用,保证了电动机在运行过程中定子与转子的磁场始终保持基本垂直,以提高运行效率。所以无刷直流电动机就其基本结构而言,可以人为是一台由电子开关换相电流、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“自同步电动机系统”,它在运行过程中不会失步。永磁无刷电动机BLDCM 的转子结构既有传统的内转子结构,又有今年来出现的额盘式结构、外转子结构和线性结构等新型结构形式,伴随着新型永磁材料的实用化,电动机转子的结构越来越多样化,使电动汽车电机永磁无刷电动机BLDCM 正朝着高出力、高精度、微型化合耐环境等多种用途发展。

转子位置传感器

转子位置传感器有光电式、磁敏式和电磁式三种类型。

采用光电式位置传感器的无刷直流电动机,在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件,转子装有遮光板,光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时,由于遮光板的作用,定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇发出脉冲信号。

磁敏式位置传感器是指它的某些点阐述随周围磁场按一定规律变化的半导体敏感元件,其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。磁敏元件的主要工作原理是电流的磁效应,主要是霍尔效应。采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机,其磁敏传感器件(如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏电阻器或专用集成电路)装载定子组件上,用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。

采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机,是在定子组件上安装电磁传感器部件,当永磁体转子位置发生变化时,电磁效应将使电磁传感器长生高频调制信号(其幅值随转子位置的变化而变化)。

几年来还出现了无位置传感器的无刷直流电动机,磁中电动机利用定子绕组的反电动势作为转子磁铁的位置信号,该信号检出后,经数字电路处理,送给逻辑开关电路去控制无刷直流电动机的换向。由于它省去了位置传感器,使无刷电动机的结构更加紧凑,所以应用日趋广泛。

电子换向器

电子换向电路由功率变换电路和控制电路两大部分组成,它与位置传感器相配合,控制电动机定子各相绕组的通电顺序和时间,起到与机械换向类似的作用。

当系统运行时,功率变换器接受控制电路的控制信息,使系统工作电源的功率以一定的逻辑关系分配给直流无刷电动机定子上的各相绕组,以便使电动机产生持续不断的转矩。逆变器将直流电流转换成交流电流向电动机供电,与一般逆变器不同,它输出频率不是独立调节的,而是受控于转子位置信号,是一个“自控式逆变器”。永磁无刷电动机BLDCM 由于采用自控式逆变器,电动机输入电流的频率和电动机转速始终保持同步,电动机和逆变器不会产生振荡和失步,这也是永磁无刷电动机BLDCM 的显著优点之一。

电动汽车电机电动机各项绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号,但位置所产生的信号一般不能直接用来驱动功率变换器的功率开关元件,往往需要经过控制电路进行逻辑处理、隔离放大后才能驱动功率变换器的开关元件,往往需要经过控制电路进行逻辑处理、隔离方法后才能驱动功率变换器的开关元件。驱动空盒子电路的作用是将位置传感器检测到的转子位置信号进行处理,按一定的逻辑代码输出,去触发功率开关管。

永磁无刷直流电动机的工作原理

永磁无刷直流电动机的控制系统主要有永磁无刷直流电动机、直流电压、逆变器、位置传感器和控制器几部分组成,采用“三相六拍—120°方波型”驱动。如图所示5.21所示。

永磁无刷直流电动机通过逆变器功率管按一定的规律导通、关断,使电动机定子电枢产生按60°电角度不断前进的磁势,带动电动机转子旋转来实现的。分析如图5.21所示。图a是理想条件下的电枢各相反电势和电流,每个功率管导通120°电角度,互差60°电角度,当功率管V3和V4导通时,电动机的V和—U(电流流进绕组方向为正向)相通(参考图1)。定子电枢合成磁势为图b所示的Fa5;若功率管V3关断,功率管V5导通,此时电动机的W相和—U相通电,电枢合成磁势变为Fa5,Fa5 比Fa4顺时针前进了60°电角度。由此可知,定子电枢产生的磁势将随着功率管有规律地不断导通和关断,并按60°电角度不断地顺时针转动。逆变器功率管共有六种出发组合状态,每种出发组合状态只有与确定的转子位置或发电动机波形相对应,才能产生最大的平均电磁转矩。当两个磁势向量的夹角为90°是,相互作用力最大。而电子电枢产生的磁势是以60°电角度在前进,因此在每种出发模式下,转子磁势与定子磁势的夹角在60°~120°范围变化才能产生最大的平均电磁转矩。如图c所示,假如在t1时刻,转子的此时Fj处于线圈U、X平面内,且使转子顺时针旋转,此时应该导通功率管V5和V4,使定子的合成磁势为Fa5与Fj的夹角成120°。转子在Fa5与Fj相互作用产生电磁转矩的作用下顺时针旋转,到t3时刻Fa5与Fj的夹角成60°,此时关断功率管V4,导通功率管V6,定子合成磁势为Fa6,与Fj的夹角成120°,两者产生的电磁转矩使转子进一步旋转。

永磁无刷电动机控制理论的发展

1)基于稳态模型的标量控制

交流电动机最初的运行方式是不受控运行。其控制功能仅限于接通和关断以及某些情况下的辅助起动、制动和反转。为了满足一些调速传动的需要,产生了一些性能较差的控制:如鼠笼异步电动机降压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速和电磁转差离合器调速、绕线式异步电动机串极调速、鼠笼异步电动机变压变频调速(VVVF)、变极调速和同步电机变压变频调速。在以上调速方法中,除变压变频调速外,一般为开环控制,不需变频器,设备简单,但效率低,性能差。鼠笼异步电动机基于恒压频比控制而构成的转差频率闭环控制,性能相对较好,但由于它们都是基于稳态模型,动态性能较差,一般只用于水泵、风机等动态性能要求较低的节能调速和一般调速场合。

2)矢量控制

1971年由德国学者Blaschke提出的矢量控制理论使交流电机控制由外部宏观稳态控制深入到电机内部电磁过程的瞬态控制。永磁同步电机的控制性能由此发生了质的飞跃。矢量控制最本质的特征是通过坐标变换将交流电机内部复杂耦合的非线性变量变换为相对坐标系为静止的直流变量(如电流,磁链,电压等),从中找到约束条件,获得某一目标的最佳控制策略。

3)直接转矩控制

1985年,Depenbrock教授提出异步电机直接转矩控制方法。该方法在定子坐标系下分析交流电机的数学模型,在近似圆形旋转磁场的条件下强调对电机的转矩进行直接控制,省掉了矢量坐标变换等复杂的计算。其磁场定向应用的是定子磁链,只需知道定子电阻就可以把它观测出来,相对矢量控制更不易受电机参数变化的影响。近年来,直接转矩控制方式被移植到永磁同步电机的控制中,其控制规律和关键技术正逐渐被人们了解、掌握。直接转矩控制在全数字化、大转矩、快速响应的交流伺服系统中有广阔应用前景。

4)非线性控制

交流电机是一个强耦合、非线性、多变量系统:非线性控制通过非线性状态反馈和非线性变换,实现系统的动态解耦和全局线性化,将非线性、多变量、强耦合的交流电动机系统分解为两个独立的线性单变量系统。其中转子磁链子系统由两个惯性环节组成。两个子系统的调节按线性控制理论分别设计,以使系统达到预期的性能指标。

但是,非线性系统反馈线性化的基础是已知参数的电动机模型和系统的精确测量或观测,而电机在运行中,参数受各个因素的影响会发生变化,磁链观测的准确性也很难论证,这些都会影响系统的鲁棒性,甚至造成系统性能恶化。目前这种控制方法仍有待进一步完善。

5)自适应控制

自适应控制能在系统运行过程中不断提取有关模型的信息,使模型逐渐完善,是克服参数变化影响的有力手段。应用于永磁交流电机控制的自适应方法有模型参考自适应、参数辨识自校正控制以及新发展的各种非线性自适应控制。但所有这些方法都存在的问题是:①数学模型和运算繁琐,使控制系统复杂化;②辨识和校正都需要一个过程,所以对一些参数变化较快的系统,就会因来不及校正而难以产生很好的效果。

6)滑模变结构控制

滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略,它与常规控制的根本区别在于控制的不连续性,即一种使系统“结构”随时变化的开关特性。其主要特点是,根据被调量的偏差及其导数,有目地的使系统沿设计好的“滑动模态”轨迹运动。这种滑动模态是可以设计的,且与系统的参数及扰动无关,因而使系统具有很强的鲁棒性。另外,滑模变结构控制不需要任何在线辨识,所以很容易实现。在过去10多年里,将滑模变结构控制应用于交流传动一直是国内外学者的研究热点,并已取得了一些有效的结果。但滑模变结构控制本质上的不连续开关特性使系统存在“抖振”问题。主要原因是:①对于实际的滑模变结构系统,其控制力总是受到限制的,从而使系统的加速度有限;②系统的惯性、切换开关的时间空间滞后及状态检测的误差,特别对于计算机的采样系统,当采样时间较长时,形成“准滑模”等。所以,在实际系统中“抖振”必定存在且无法消除,这就限制了它的应用。

专家系统智能控制

专家控制(Expert control)是智能控制的一个重要分支。专家控制的实质是基于控制对象和控制规律各种知识,并以智能方式利用这些知识使控制系统尽可能优化。

专家控制的基本思想是:自动控制理论+专家系统技术。自动控制系统中存在大量的启发式逻辑,这是因为工业控制对象及其环境的变化呈现出多样性、非线性和不确定性,这些启发式逻辑实际上是实现最优控制目标的各种经验知识,难以用一般的数值形式描述,而适于用符号形式来表达,人工智能中的专家系统技术恰恰为这类经验知识提供了有效的表示和处理方法。

知识库和推理机为专家系统的两大要素,知识库存储某一专门领域的专家知识、条目,推理机制按照专家水平的问题求解方法调用知识库中的知识条目进行推理、判断和决策。专家系统与传统自动控制理论的结合,形成了专家控制系统,这类系统以模仿人类智能为基础,弥补了以数学模型为基础的控制系统的不足。

目前专家控制的研究大致包括用于传统PID控制和自适应控制的专家控制和.基于模糊规则的控制方法。

模糊逻辑智能控制

模糊逻辑控制实质上是利用计算机模拟人的模糊逻辑思维功能实现的一种数字反馈控制。人的思维具有模糊逻辑的特点,因此用计算机模拟人的模糊思维,即模糊概念、模糊判断和模糊推理,就是模糊控制的思维科学基础,再和反馈控制理论相结合就可以实现模糊控制。

传统的PID控制系统设计中需要给出被控对象的精确模型。模型的不精确性及不确定性都会影响PID控制性能。相反,模糊控制不需要知道被控对象的精确模型,它是基于控制系统输入/输出数据因果关系的模糊推理控制。

模糊控制不是基于被控对象精确模型的控制方式,因此具有较强的鲁棒性,其稳态精度可以通过引进智能积分等方法达到所要求的精度。此外,还可以将模糊逻辑推理和PID控制相结合,对PID控制参数进行自适应调整,实现无静态跟踪伺服控制。

神经网络智能控制

人工神经网络是利用计算机模拟人类大脑神经系统的联接机制而设计的一种信息处理的网络结构,一般简称神经网络(NN)。神经网络中最基本单元是神经细胞,简称神经元。它是一种多输入单输出的信息处理单元,包括输入处理、活化处理和输出处理三个部分。从控制的观点,神经元模型由加权加法器、单输入单输出线性动态系统和静态非线性函数所组成。它们模拟神经细胞综合处理信息的突变性和饱和性的非线性特征。

神经网络是由大量神经元构成网络,能够根据某种学习规则,通过调整神经元之间的联接强度(权重)来不断改进网络的逼近性能,即神经网络具有非常强的非线性映射能力。正因为如此,神经网络在智能控制、模式识别、故障诊断、系统辩识等领域获得了广泛应用。

除了上述的专家系统、模糊伺服控制、神经网络伺服控制策略外,还有遗传算法等控制。

永磁无刷电动机系统发展现状

1) 设计手段不断完善

随着计算机技术的发展以及电磁场数值计算、优化设计和仿真技术的不断完善,形成了以电磁场数值计算、等效磁路解析求解、场路结合求解等一整套分析研究方法和计算机辅助分析的设计软件。如Ansoft公司、MagneForce公司、Jmag公司均推出各种类型的电机设计软件,以方便快捷地完成从电机的电磁设计计算、损耗计算、优化设计、噪声抑制、特性分析等。针对无刷电机特点,提供多种转子类型、多种绕组型式及主电路的连接方式,以便组合。2006年三季度,加拿大以电磁计算分析著名的Infolytica公司,推出了专门针对永磁无刷电机的Motorsolve设计软件。

这些软件除了对电机进行电磁设计,还可对电机在槽形、绕组、材料等设计变量改变情况下多方案比较分析、电磁场精确计算和电机多目标优化设计,并包括控制电路、控制算法在内的整个设计流程,既可以提供任意时刻电机内电磁场分布数据,又能对电机工作时所关心的各类运行曲线,如转矩、转速、电流、功率、效率等提供结果,同时还能提供齿槽转矩、转矩脉动、转速波动等详细指标参数,并可完成电机的各类正常工况和故障工况的仿真实验,包括起动、堵转、突加突减负载、突然短路等等。

2)分数槽技术应用日益增多?

分数槽绕组技术在永磁无刷电动机中的应用已逐渐增多。如在电动自行车电机中采用三相、40极、36槽;Collmorgen公司Goldline系列交流伺服电机采用4极、18槽,6极、24槽等;松下伺服电机采用6极、9槽,8极、12槽等每极每相槽数q=1/2的分数槽绕组结构。

对于多极的无刷电动机采用分数槽绕组,可以较少的定子槽数达到多槽能达到的效果。采用分数槽绕组有以下优点:

a)电机电枢槽数大为减少,有利于槽利用率的提高;

b)较少数目的元件数,可简化嵌线工艺和接线,有助于降低成本;

c)有可能得到线圈节距y=1的设计(集中绕组),便于采用自动绕线机绕制,提高工效;同时各个线圈端部没有重叠,不必设相间绝缘;

d)线圈周长和绕组端部缩短,电动机绕组电阻减小,铜损随之也减低,提高了电动机的性能。采用分数槽绕组的磁动势谐波远大于整数槽绕组,如图10所示。

3)无槽、无铁心结构电机

无铁心无刷电动机的出现是采用新材料、新工艺的结果。电枢采用耐热性能优越的材料制成刚性整体,可以在高温及高速情况下长期稳定运行;由于电枢无铁心,电感小,完全消除了铁心中的磁滞损耗和涡流损耗,消除了由齿槽效应带来的转矩波动,具有优异的控制性能;运行效率高、温升低、转速范围广;电机的电枢中无齿槽且采用全塑封结构,负载动行时,噪声及振动都很低。

无铁心无刷电机可采用轴向磁场结构和径向磁场结构。轴向磁场结构的电机电枢绕组径向按一定规律分布,在专用模具中固化成形,电枢两侧均为盘状转子体,转子磁体为轴向磁化,两侧转子可同时布置永磁体磁极及转子轭,成双励磁转子结构,也可一侧布置永磁体磁极而另一侧布置转子磁轭,成单励磁转子结构。径向磁场结构电机的电枢绕组轴向按一定规律分布成筒状,其电枢内、外圆处均为筒状转子体,转子磁极为径向磁化,内、外圆可同时布置永磁体磁极及转子轭,成双励磁转子结构,也可在其中一个圆周上布置永磁体磁极,而另一圆周上只布置转子磁轭,成单励磁转子结构。径向磁场结构和轴向磁场结构均可根据要求制造成内转子和外转子结构。图11为径向磁场结构的无铁心无刷电动机典型结构。

典型盘式无刷电动机定子、转子均为圆盘形,采用轴向气隙磁场,可做成有铁心和无铁心两种结构,定子绕组呈径向分布。

无槽结构无刷电动机消除了齿槽效应,具有转矩波动小、运行平稳、噪声低、电枢电感小、定位干扰力矩小等一系列优点,成为很有发展前景的无刷电动机。

小直径的电动机,无槽结构能获得比有槽结构更大的转矩指标;在特殊条件下,例如要求电动机的转矩和功率相对不大,对电动机的体积限制不严,而对电动机的控制要求很高的情况下,采取无槽结构会获得好的效果。

国内无槽无刷电动机已有系列产品,功率范围至30 kW,最高转速可达20 000 r/min。

4)工艺不断革新

在电机制造方面,通过对传统工艺的不断革新,出现了分割型定子铁心结构和连续绕线工艺方法。采用多极集中绕组,减少绕组端部长度,以适应生产自动化,使产品向低成本、低价格方向发展。同时出现了适应不同性能参数永磁材料的瓦型、环型表面粘接结构和各种不同设计嵌入式磁体结构等新的转子磁路结构。?

对于节距y=1分数槽设计,用专用绕线机直接绕制定子线圈,对于外转子结构的电机比较方便,但对于内转子结构的电机,特别是定子内径小的小功率电机,就要困难得多了。为此,分割型定子铁心结构的构思提出来了。一种新型定子铁心结构,把定子铁心每齿分割开来,可以在铁心展开的状态下绕制线圈,以便随时调整线圈,实现规则绕制。绕圈绕制完成后,再把全部磁极对接成圆,形成一个完整的定子。这时,电枢槽的利用率可达85%以上。