新型混合勵磁無刷電機用于 電梯門機系統的分析與仿真

檀 昊

（武漢市特種設備監督檢驗所，武漢 430019）

1 引言

隨著節能環保理念的深入人心，越來越多的電梯生產廠商重視電梯節能技術的研發與應用，越來越多的用戶選擇節能型電梯。電梯除了曳引機，還有門機。因此，門機也是電梯節能的突破口。然而節能不應以犧牲性能為代價，新型混合勵磁高速稀土永磁無刷直流電動機（以下簡稱混合勵磁無刷電機）以其節能且高性能的特點，是電梯門機系統理想的驅動電機。

電梯門機系統通過對開關門電動機的電氣控制，實現開關門的自動調速功能。開門時速度變化過程是：低速→加速至全速→減速→停機，之后靠慣性開門到位；而關門時速度變化過程是：全速起動→一級減速→二級減速→停機，慣性運行至關門到位[1]。不難看出，這要求驅動電機應有較寬的調速范圍。本文所述的混合勵磁無刷電機是指同時采用稀土永磁勵磁和電流勵磁兩種勵磁方式。這種混合勵磁無刷電機的設計思想是：適當降低無刷電機磁鋼充磁方向的厚度，使其能產生電機所需氣隙磁密的70%左右；同時增設勵磁線圈，使其能產生30%左右的增磁、或去磁磁通。混合勵磁無刷電機的控制策略是：電機在基速以下調速時，勵磁線圈通入勵磁電流使其產生增磁磁通；電機在基速以上調速時，勵磁線圈不通入勵磁電流，或通入勵磁電流使其產生去磁磁通[2]。

為了驗證上述設計電想，本文對混合勵磁無刷電機進行了磁路建模和分析，以確認勵磁線圈的增磁和去磁能力，并構建了基于磁路模型的電機仿真模型。在此基礎上，對無刷電機的電流、轉矩和轉速等進行了仿真分析。仿真結果表明，混合勵磁無刷電機能很好地滿足電梯門機系統對驅動電機的調速要求。

2 磁路分析

圖1為混合勵磁無刷電機結構示意圖。轉子磁極采用徑向充磁，考慮到釹鐵硼永磁材料有很高的矯頑力，充磁方向厚度比普通同容量無刷電機有所減小，以降低電流勵磁的勵磁磁阻。轉子磁極下開槽用于嵌放勵磁線圈，勵磁電流通過轉軸上的滑環等構件送入。圖中所示的勵磁磁通與永磁磁通方向相反，即電流勵磁磁通起去磁作用，顯然，改變勵磁電流的方向，電流勵磁磁通則起增磁作用。

圖1 混合勵磁無刷電機結構示意圖

對于采用釹鐵硼磁鋼、徑向磁化結構的稀土永磁電機，為了簡化分析，一般不考慮電樞磁動勢的影響；同時不考慮磁路飽和，即假定電機主磁路的等效磁導恒定。

這里利用解析法求解等效磁路[3]。對于混合勵磁無刷電機的磁路分析，可以分別建立僅有永磁勵磁（不加勵磁線圈）作用下的等效磁路和僅有勵磁線圈勵磁（不加磁鋼）作用下的等效磁路，然后分別計算兩個等效磁路的氣隙磁通，最后疊加得到氣隙合成磁通[4]。圖2、圖3是僅有永磁作用下的磁路分析模型和等效磁路，圖4、圖5是僅有勵磁線圈作用下的磁路分析模型和等效磁路。

圖2 磁鋼作用時轉子磁路分析模型

圖3 磁鋼作用時轉子磁路等效磁路

圖4 勵磁線圈作用時轉子磁路分析模型

圖5 勵磁線圈作用時轉子磁路等效磁路

上圖中，FM、Ff分別為磁鋼磁動勢和勵磁磁動勢；Φ′M、Φ″M分別為磁鋼所產生的總磁通和勵磁線圈通入勵磁電流后的總磁通；Φ′δ、Φ″δ分別為磁鋼所產生的氣隙有效磁通和勵磁線圈通入勵磁電流后所產生的氣隙磁通；Φsm、Φsf分別為磁鋼作用時的漏磁通和勵磁線圈作用時的漏磁通；G'δ、G〃δ分別為磁鋼作用時電機主磁路的等效磁導和勵磁線圈作用時電機主磁路的等效磁導；Gsm、Gsf分別為磁鋼作用時的總漏磁導和勵磁線圈作用時的總漏磁導；G01為磁鋼的內磁導。

磁路計算的有關數據有：混合勵磁無刷電機為36槽40極，磁鋼為NdFeB永磁材料，充磁方向厚hM=2.0 mm，Br=1250×10-3T，Hc=9070 A/cm，氣隙δ=0.8 mm，勵磁線圈匝數Nf= 50匝，最大勵磁電流If=3A。

求解圖3所示的等效磁路，得磁鋼作為磁源時所產生的氣隙有效磁通Φ′δ=2.55×10-4Wb；求解圖5 所示的等效磁路，得勵磁線圈通入最大勵磁電流后所產生的氣隙磁通Φ″δ=6.909×10-5Wb。于是有：

（1）當通入勵磁線圈的勵磁電流起去磁作用時，氣隙合成磁通為

（2）當通入勵磁線圈的勵磁電流起增磁作用時，氣隙合成磁通為

可見，勵磁線圈所產生的勵磁磁通可以使氣隙磁通增大，或減小27.1%左右，與前述設計思想基本吻合。

3 仿真模型

采用Matlab建立混合勵磁速系統的仿真模型，通過仿真實驗對其進行仿真研究。

根據無刷電機的數學模型可以建立其電壓、電磁轉矩、轉子運動等仿真模塊。由于這些模塊已很成熟，在此不作累述，參見文獻[5]。

對于混合勵磁無刷電機，本文提出在無刷電機原有的仿真模型中加入勵磁模塊，構建混合勵磁無刷電機的所謂“雙路”（磁路與電路）仿真模型，這樣可以在其仿真分析時直接研究勵磁電流的作用。混合勵磁無刷電機的勵磁模塊如圖6所示。

圖6 混合勵磁無刷電機的勵磁模塊

將勵磁模塊加入無刷電機原有的仿真模型，同時加入觸發信號模塊和逆變器模塊，得到混合勵磁無刷電機的仿真模型，如圖7所示。

4 仿真結果

混合勵磁無刷電機仿真有關數據：額定電壓UN=48V，額定轉速nN=300r/min，負載轉矩TL=6N?m，極對數p=20，定子每相繞組電阻R=1.5Ω，定子每相繞組電感L=3.72mH，互感M=2.9037mH，轉子轉動慣量J=0.006kg?m2。

圖7 混合勵磁無刷電機的仿真模型

當勵磁線圈不通入勵磁電流的情況下，對無刷電機的定子相電流、電磁轉矩及轉子轉速進行仿真，其波形見圖8、9、10所示；當勵磁線圈通入勵磁電流If= ±3 A，仿真得到其去磁和增磁時無刷電機轉子轉速波形，見圖11、圖12。

圖8 相電流仿真波形

圖9 轉矩仿真波形

圖10 轉子轉速仿真波形

圖11 增磁后的轉速仿真波形

圖12 去磁后的轉速仿真波形

當混合勵磁無刷電機勵磁線圈通入勵磁電流（If=3A），勵磁磁通起增磁作用，此時氣隙磁通為額定磁通，電機為額定轉速nN=300r/min，見圖11；當勵磁線圈未通入勵磁電流（If=0），僅磁鋼產生氣隙磁通，比額定磁通下降約30%，電機轉速上升至400r/min，見圖10；當無刷電機勵磁線圈通入勵磁電流（If=-3A），勵磁磁通起去磁作用，此時氣隙合成磁通比額定磁通下降約60%，電機轉速上升至500 r/min，見圖12。

電梯門機處于低速起動時，勵磁線圈通入3A 勵磁電流，勵磁磁通起增磁作用，混合勵磁無刷電機達到額定氣隙磁通，使電機電磁轉矩增大，電機可靠起動，之后勵磁線圈不通入，或通入-3A 勵磁電流，勵磁磁通起去磁作用，使電機弱磁升速，此時無刷電機最高轉速達500r/min。反之，則是減速過程。由此可見，仿真結果與前述混合勵磁無刷電機控制策略是符合的。

需要說明的是，本文所做的仿真分析并沒有考慮勵磁線圈中勵磁電流的暫態過程。

5 結論

對于合理設計的混合勵磁無刷電機，通過改變通入勵磁線圈勵磁電流的大小和方向，可以在一定范圍內改變無刷電機的氣隙磁通，進而拓寬無刷電機的調速范圍，能很好地滿足電梯門機系統對驅動電機的調速要求。而且此系統還具有體積小、重量輕、能耗低、效率高、特性強、穩定性好的特點，。雖然目前永磁同步電機和異步電機還是占據著主導地位，但是鑒于永磁無刷直流電機的種種優點，相信在未來的門電動機市場中，永磁無刷直流電機占據的份額肯定會越來越多。

[1] 葉安麗.電梯控制技術(第2版).北京：機械工業出版社,2007.7.

[2] Rahman,F.; Dutta,R..A new rotor design of interior permanent magnet machine suitable for wide speed range.Industrial Electronics Society,2003.IECON '03.The 29th Annual Conference of the IEEE，2003，2-6 Nov：699-704.

[3] 唐任遠 等著.現代永磁電機理論與設計[M].北京：機械工業出版社,1997.

[4] 李新華,李朗如.單相永磁同步電動機磁路計算[J].微特電機,1993(2).

[5] 楊浩東,李榕,劉衛國.無刷直流電動機的數學模型及其仿真[J].微電機,2003,36(4)：8-10.