一種多工況條件下永磁直流無刷電機設計方法

成俊康 胡 昊 陳 晨 白海琳

西安航天動力測控技術研究所 陜西 西安 710025

引言

受新型高性能永磁材料技術的進步、電力半導體器件和專用控制集成電路的發展以及自身優勢性能突出等相關因素的影響,永磁直流無刷電機(PMBLDCM)越來越廣泛地被應用于各種伺服驅動系統和傳動系統中[1]。在進行單一工況的永磁直流無刷電機設計時,通常把工作點設置在最高效率點,以期達到節能增效的目的;然而,在實際工業生產中,電機的多工況運行是一種普遍現象,如何設計電機使得各子工況條件下電機的性能相對較優是一個比較現實的問題。因此,深入地了解并研究多工況條件下永磁直流電機設計技術愈發顯得重要。

1 永磁直流無刷電機一般設計方法

永磁直流無刷電機設計主要是根據其額定值和技術性能指標,并針對設計對象的某些具體工藝要求,選擇重點考慮因素,做到保證重點,照顧一般,并充分考慮其經濟指標[2]。其一般設計方法為:

(1)分析技術指標,參考以往設計經驗,擬定總體設計方案,主要包括確定主要尺寸,確定槽極配合,確定絕緣等級、冷卻方式等等;

(2)根據設計對象的特性及技術要求選擇主要材料,例如有質量要求的其結構支撐件可選擇鋁合金、鈦合金,電磁頻率高的可選擇更薄的牌號更高的軟磁材料,功率密度高的可考慮使用剩磁、磁能積更優的硬磁材料等等;

(3)依據磁路法、有限元分析或者是場路結合的方法進行迭代,詳細電磁設計;

(4)進行結構設計和機械強度校核核算;

(5)必要時進行熱仿真分析、機械時間常數等相關指標的校核;

(6)設計時很多參數是相互矛盾、相互制約的,故需反復設計優化。

在進行多工況條件下電機設計時,常用的方法是對實際多個工況進行分析,然后根據各個工況的優先級確定某一工況為額定工況,并按照通常的永磁直流無刷電機設計方法進行迭代設計。然而,如果設計是基于某一工況的需求來進行的話,那么在該工況條件下,電機的性能諸如效率、電流密度、熱負荷等表征較優,但在其它工況條件及約束條件(諸如尺寸包絡、重量、工作制等)下其性能就未必較優,甚至電機有損壞的風險。那么,如何讓多個工況條件下電機性能綜合較優呢?改變電機的自然機械特性曲線不失為一個好的方法。

眾所周知,對于一個已經設計好的電機,其自然機械特性曲線是表征電機能力固有屬性的一個指標。如若把多個工況分布在一條自然機械特性曲線上不能很好的達到上述目標,那么,設計多條自然機械特性曲線,并根據各個工況的特點,把各個工況合理地分布在合適的自然機械特性曲線上,就能達到多工況條件下各工況電機性能均保持相對較優的目的。

2 多工況條件下永磁直流無刷電機繞組設計方法

在多工況實際運行條件下,本文提出了一種通過改變電機電樞繞組連接方式的方法,使得設計的電機擁有多條自然機械特性曲線,以達到改善多工況條件下電機運行的綜合性能的目的,下面將詳細說明。

(1)獨立雙備份繞組設計。通常的永磁直流無刷電機其連接方式為三相六狀態星形連接,即三相繞組通過引出線引出,中性點固定在電機組件內部。如果把構成每一相的繞組再均分,并保證均分后的繞組其磁動勢完全相同,然后組成兩套完全一樣的三相對稱繞組,這樣就形成了雙余度繞組,其中一套繞組被稱為主繞組、另一套被稱為備繞組。主、備繞組由于完全同相位,故主、備切換前后產品的性能不會發生改變,此結構極大的提高了系統的可靠性。雙余度電機的設計技術請參考相關文獻[3][4][5]。本文用于系統仿真及試驗驗證的獨立雙備份繞組設計,采用的是16極18槽配合,其主、備繞組設計連接圖如圖1所示。

圖1 雙備份繞組設計典型示例

(2)串聯繞組設計。在獨立雙備份繞組設計基礎之上,如果把主備繞組各相首尾連接,串聯起來,就形成了串聯繞組,其結構示意如圖2所示。由于主、備繞組的結構參數及電角度完全相同,因此主備繞組串聯時一定要注意串聯極性,切不可因為聯結問題使得主備繞組磁動勢完全抵消,造成電機不能正常運行的惡果。相對于獨立雙備份繞組,串聯繞組具有以下特征:

圖2 串聯繞組設計結構示意

A.相電阻是獨立雙備份繞組的2倍;

B.每相的有效匝數是雙備份繞組的2倍,且雙備份繞組主備繞組所形成的磁場完全耦合,故理想反電勢系數、啟動力矩系數是獨立雙備份繞組的2倍;

C.理想空載情況下,根據公式U=E=Ke*n0(U—供電電壓,E—理想反電勢,Ke—理想反電勢系數,n0—理想空載轉速)可得,理想空載轉速是獨立雙備份繞組的一半;

D.理想堵轉情況下,根據公式T堵轉=KT*I堵轉=KT*U/R(T堵轉、I堵轉—堵轉轉矩、堵轉電流,KT—啟動力矩系數,R—電阻)可得,堵轉電流是獨立雙備份繞組的一半,堵轉轉矩不變。

綜上,串聯繞組設計所形成的自然機械特性曲線如圖3所示,繞組設計連接典型示例如圖4所示。

(3)并聯繞組設計。在獨立雙備份繞組設計基礎之上,如果把主備繞組各相首并聯在一起,中性點并聯在一起,就形成了并聯繞組。同理,并聯繞組也需注意聯結極性問題。相對于獨立雙備份繞組,并聯繞組具有以下特征:

A.相電阻是獨立雙備份繞組的一半;

B.理想反電勢系數、啟動力矩系數不變;

C.理想空載轉速不變;

D.理想堵轉電流是獨立雙備份繞組的2倍,堵轉轉矩是獨立雙備份繞組的2倍;

通過雙備份繞組設計、串聯繞組設計、并聯繞組設計可獲得三種典型的自然機械特性曲線。在電機實際運行工況情況下,可根據各工況的運行特點,配置合適的自然機械特性曲線,提高多工況條件下電機的綜合性能。

3 系統仿真及樣機驗證

依據某一項目背景,通過一個具體的仿真實例來說明第2章中三種繞組聯結方式對直流無刷電機性能影響。

3.1 電機設計要求及相關參數 主要的設計指標與設計參數如表1所示。

表1 某永磁直流無刷電機相關設計指標及設計參數

3.2 仿真結果及分析 依據實際工況,主要的設計指標與設計參數如表2所示。相對于雙備份繞組,并聯繞組連接方式雖不改變系統的理想反電勢系數、啟動力矩系數,但其效率更高、輸出功率更大,通常可適用于高功率大電流工況,而串聯繞組連接方式能使系統的力矩系數變為原來的2倍,故可適用于大轉矩工況。而雙備份繞組本身具有系統可靠性、系統可切換性的特點,可用于長時工作的工況。

表2 不同繞組設計情況下電機電性能仿真參數比較

3.3 試驗驗證 試驗樣機的外形包絡尺寸為φ67mm×160mm,通過對系統的三相引出線及中性點進行組合連接,形成三種不同的繞組設計方案。試驗樣機的相關實測數據如表3所示。由該表可以看出,不同繞組設計情況下電機實測數據符合仿真結果,繼而驗證了本文提出方法的有效性及可行性。

表3 不同繞組設計情況下電機電性能實測數據比較

4 結論

綜上所述,在多工況條件下,設計不同的繞組形式來改變電機自然機械特性曲線并把工況合理地配置在合適的曲線上能有效提高過程中系統綜合性能。此外,其它提高多工況條件下電機綜合性能的一些方法還需要更深一步展開研究。