高效永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在太陽能動(dòng)力飛機(jī)中的應(yīng)用

王 真，戴 亮，王思遠(yuǎn)，于 淼，張東寧

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

臨近空間太陽能動(dòng)力飛機(jī)的目標(biāo)要求實(shí)現(xiàn)升限28 000 m，續(xù)航時(shí)間3 個(gè)月以上。其環(huán)境指標(biāo)主要有:環(huán)境溫度范圍一般為－70 ～+55℃;氣壓約為1.59 ～100 kPa，風(fēng)速范圍為0 ～30 m。

由于臨近空間，太陽能動(dòng)力飛機(jī)采用太陽電池及蓄電池供電，需要電機(jī)裝置實(shí)現(xiàn)較高的驅(qū)動(dòng)效率以使電池的使用量降到最低，從而減輕系統(tǒng)重量;為增加太陽能飛機(jī)的有效載荷，還需要盡量減小電機(jī)裝置的重量;電機(jī)裝置的高效率化也能降低電機(jī)裝置的發(fā)熱，提高電機(jī)的使用壽命，使電機(jī)安全可靠運(yùn)行。因此本文針對電機(jī)裝置的輕量化技術(shù)和高效率、高可靠技術(shù)進(jìn)行研究。首先結(jié)合使用環(huán)境條件要求，通過分析各類電機(jī)的特性及各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，采用有限元分析軟件對電動(dòng)機(jī)本體進(jìn)行了滿足高效電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出具有效率高、重量輕、可靠性高等特點(diǎn)的無刷直流電動(dòng)機(jī)。并且針對所設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用了高效率的驅(qū)動(dòng)控制方式，實(shí)現(xiàn)電機(jī)裝置的高效率控制。

1 基本結(jié)構(gòu)和原理

1.1 永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

電機(jī)為組裝式結(jié)構(gòu)，采用徑向磁路結(jié)構(gòu)，其中驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)組裝為一體，確保整個(gè)系統(tǒng)體積緊湊、重量輕。

1.2 主要工作原理

系統(tǒng)原理如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

本電機(jī)為永磁同步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)繞組安放在定子上，采用稀土永磁材料作為轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)矩的獲得是通過驅(qū)動(dòng)器改變電樞線圈電流在不同極下時(shí)的方向，從而使轉(zhuǎn)矩總是沿著一個(gè)固定的方向。電機(jī)采用三相六狀態(tài)的控制方式。

外部電源接入驅(qū)動(dòng)器后，一路接到功率電路端，即由IGBT/MOSFET 組成的3 相半橋電路端;另一路送至驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的開關(guān)電源，產(chǎn)生控制電需要的5 V、15 V 電壓。在系統(tǒng)上電后，CPU 初始化后與上位機(jī)間進(jìn)行串行通信，接收上位機(jī)的起動(dòng)、停止、調(diào)速等指令，對電機(jī)按指令進(jìn)行控制。并將電機(jī)的轉(zhuǎn)速，是否故障等狀態(tài)傳送到上位機(jī)。CPU 檢測電機(jī)電流、母線電壓等信號，對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)是否正常進(jìn)行判斷。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

針對太陽能預(yù)警偵查無人機(jī)螺旋槳對永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求，本文主要研制內(nèi)容如下。

2.1 高效率電機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)

電機(jī)在把輸入的電功率轉(zhuǎn)換成輸出的機(jī)械功率的過程中，在電機(jī)內(nèi)部要消耗一部分功率。消耗掉的功率將對電機(jī)造成兩個(gè)負(fù)面影響:降低了電機(jī)效率，損耗越大，效率越低;在電機(jī)內(nèi)部消耗掉的功率最終將變成熱能，增加了電機(jī)本身的溫升，在一定的散熱條件下，損耗越多，電機(jī)本身的溫升越高。

一般情況下，制造電機(jī)所使用的有效材料越多，例如，銅、永磁體和硅鋼片等越多，電機(jī)的效率越高。但減輕電機(jī)重量可能會(huì)降低電動(dòng)機(jī)效率，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮電動(dòng)機(jī)的損耗和效率問題。

電機(jī)本體內(nèi)的損耗主要由電樞繞組內(nèi)的電損耗(銅損)、電樞鐵心內(nèi)的磁滯損耗和渦流損耗(鐵損)、機(jī)械損耗和附加損耗。下面分析研究在不增加電機(jī)重量的基礎(chǔ)上減少銅損和鐵損的方法。

(1)減少銅損，提高電機(jī)效率

減少電機(jī)銅損主要有兩個(gè)方法:一是通過對不同的極槽配合進(jìn)行計(jì)算篩選，在提高繞組系數(shù)的同時(shí)減少端部電阻引起銅損;二是通過對電機(jī)定子沖片各個(gè)部分的磁密進(jìn)行精確計(jì)算，在保證磁密不飽和的情況下增加槽面積，以便增加繞組截面積，減少繞組電阻，從而達(dá)到減少銅損的目的。

(2)減少鐵損提高電機(jī)效率

鐵損分為磁滯損耗和渦流損耗。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，磁滯損耗與磁密成線性關(guān)系，而渦流損耗與磁密的平方成線性關(guān)系，因此對電機(jī)進(jìn)行有限元分析后再對結(jié)果進(jìn)行研究，在保證定子槽面積的基礎(chǔ)上，調(diào)整局部尺寸，降低電機(jī)磁密，以達(dá)到減少鐵損的目的。同時(shí)，在控制方面，在保證電機(jī)電流可控的前提下，盡量降低開關(guān)頻率，從而減小鐵損。

本文采用18 齒16 極的齒槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如圖3所示)，該設(shè)計(jì)的齒槽配合繞組系數(shù)較高，從而提高電機(jī)效率，電機(jī)仿真的磁密分布圖見圖4，從圖中可以看出電機(jī)各部分磁密分布較合理。同時(shí)針對螺旋槳運(yùn)行要求計(jì)算出在不同電壓輸入條件下電機(jī)的轉(zhuǎn)速效率曲線(見圖5)與轉(zhuǎn)速功率曲線(見圖6)。在此基礎(chǔ)上確定電機(jī)的額定工作點(diǎn)為1 500 r/min，同時(shí)計(jì)算出在1 500 r/min 的額定轉(zhuǎn)速下，輸出功率為1 577 W，電機(jī)本體效率為92%。

圖3 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖4 磁密分布圖

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)速與效率曲線

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)速功率曲線

本文對電機(jī)定子沖片槽形進(jìn)行優(yōu)化，通過合理分布各部分磁密，有效減少鐵損，并使磁密在不飽和的情況下增加槽面積，增加繞組截面積，減少繞組電阻，從而達(dá)到減少銅損的目的，并且在磁軛部分磁密較小處進(jìn)行減重，如圖7 所示。同時(shí)對電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片及磁鋼形狀進(jìn)行分析，優(yōu)化氣隙磁密分布，減少高次諧波，減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。從圖7 中可以看出，電機(jī)采取優(yōu)化后，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩明顯減小，對降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)非常有利。

圖7 優(yōu)化前后對比圖

2.2 一體化高效率驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

為了減輕重量，提高系統(tǒng)可靠性，將驅(qū)動(dòng)器置于電機(jī)內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)。功率模塊直接與電機(jī)機(jī)殼相連，省去了驅(qū)動(dòng)器的散熱器，有效地降低了系統(tǒng)的重量。圖8 為硬件系統(tǒng)框圖。

圖8 硬件系統(tǒng)框圖

本文對整體效率的要求較高，除電機(jī)本體設(shè)計(jì)為高效率電機(jī)，還要求驅(qū)動(dòng)器也具有較高的效率。本文從器件選擇與控制策略兩方面進(jìn)行高效率設(shè)計(jì)。

驅(qū)動(dòng)器的器件選擇方面:(a)由于驅(qū)動(dòng)器在正常給電工作時(shí)，DC－DC 電源轉(zhuǎn)換模塊會(huì)一直給系統(tǒng)的弱電部分進(jìn)行供電，所以需要選擇高效率的DC－DC 轉(zhuǎn)換模塊。(b)MOSFET 是系統(tǒng)的主要功率轉(zhuǎn)換器件，在實(shí)際的系統(tǒng)中，除考慮其散熱設(shè)計(jì)外，所選MOSFET 在驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)的損耗決定了系統(tǒng)整體損耗的大小。因此在設(shè)計(jì)中選擇低開關(guān)損耗與低導(dǎo)通電阻的MOSFET。

驅(qū)動(dòng)器控制策略方面:(a)MOSFET 的開關(guān)損耗與其開關(guān)頻率成正比，因此合理選擇MOSFET 的開關(guān)頻率，在保證電機(jī)電流可控的前提下，盡量降低開關(guān)頻率，可減小系統(tǒng)損耗。(b)系統(tǒng)在中高速區(qū)時(shí)采用方波控制策略，導(dǎo)通相的一相下橋常開，另一相上橋進(jìn)行斬波調(diào)制。這樣可以使調(diào)制的MOSFET數(shù)最少，減少功率器件的開關(guān)損耗。

2.3 溫度控制設(shè)計(jì)技術(shù)

電機(jī)裝置在－70℃低溫情況下會(huì)有控制器電路不能正常工作以及電機(jī)潤滑油粘稠度高等問題。電機(jī)裝置在大負(fù)載運(yùn)行時(shí)，可以依靠自身發(fā)熱量保持溫度，但電機(jī)裝置起動(dòng)或者低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，自身發(fā)熱量不夠，因此需要對電機(jī)進(jìn)行溫控。

通過在電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器上安裝低溫繼電器，當(dāng)溫度低于最低運(yùn)行溫度時(shí)，對裝置進(jìn)行加熱。其中驅(qū)動(dòng)器方面，驅(qū)動(dòng)器的電子元器件工作溫度一般在－40℃以上，同樣需要將驅(qū)動(dòng)器采用溫控的手段將其環(huán)境溫度控制在－40℃以上。本文采用溫度繼電器串聯(lián)加熱板，當(dāng)溫度低于最低運(yùn)行溫度時(shí)，繼電器打開，加熱電路工作，到達(dá)加熱上限值時(shí)，加熱電路停止工作。溫控效果圖如圖9 所示。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部溫度低于－30℃時(shí)，加熱電路開始工作，當(dāng)加熱到－10℃時(shí)停止加熱。由于控制器芯片儲(chǔ)存溫度大都在－55℃，因此要求在環(huán)境溫度低于－55℃時(shí)必須給控制器提供母線電壓。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，若電機(jī)工作于低速區(qū)，正常驅(qū)動(dòng)時(shí)電機(jī)的發(fā)熱量較小，不足以使驅(qū)動(dòng)器環(huán)境溫度在－40℃以上;另一種可行的控制策略是調(diào)整電機(jī)的超前角，使其運(yùn)行在低效率區(qū)，電機(jī)中的電流除產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩外，也產(chǎn)生足夠的加熱功率，使電機(jī)本體和驅(qū)動(dòng)器維持在能夠正常的工作溫度范圍內(nèi)。

圖9 溫控效果圖

3 測試結(jié)果

本文對永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了測試。電動(dòng)機(jī)額定功率1 500 W、額定轉(zhuǎn)矩9.55 N·m、輸入電壓110 V，電機(jī)實(shí)物圖如圖10 所示，電機(jī)反電勢測試波形如圖11 所示，其反電勢測試波形與仿真結(jié)果較為接近，正弦性較好，其結(jié)果與理論分析相符。

電機(jī)加載電流測試波形如圖12 所示。電流波形較好，與仿真波形較接近。在加載測試中，樣機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min 時(shí)對不同角度下的效率進(jìn)行了測試，其具體結(jié)果如表1 所示，結(jié)果表明在超前角7°時(shí)，整體效率可達(dá)到87.1%(電機(jī)本體仿真計(jì)算效率為92%，驅(qū)動(dòng)器效率約為96%、機(jī)械損耗為1%，可以得出電機(jī)系統(tǒng)計(jì)算效率為87.4%，因此計(jì)算值與實(shí)測值較為接近)。同時(shí)對永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了低溫條件下測試，在－70℃條件下，系統(tǒng)運(yùn)行正常。

圖10 樣機(jī)實(shí)物圖

圖11 反電勢測試波形圖

圖12 電流測試波形圖

表1 1 500 r/min 時(shí)樣機(jī)不同超前角下的加載測試數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

本文采用電機(jī)與控制器的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減小了體積，降低了系統(tǒng)的整體重量;使用合理的極槽配合并進(jìn)行優(yōu)化，提高了電動(dòng)機(jī)的效率;采用溫控設(shè)計(jì)技術(shù)，使系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行在低溫環(huán)境下。

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