新型永磁同步電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng) - 圖文-

1、 新型永磁同步電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)3張好明,孫玉坤(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212013摘要:Halbach 電機(jī)是一種新型永磁同步電機(jī),獨(dú)特的永磁體結(jié)構(gòu)使其磁極磁場(chǎng)呈單邊正弦分布,可增加氣隙磁通密度、削弱轉(zhuǎn)子軛部磁通密度,有利于提高電機(jī)的功率密度和效率、減小電機(jī)的體積和脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。針對(duì)Halbach 電機(jī)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于DSP2407A 的全數(shù)字變頻調(diào)速系統(tǒng),試驗(yàn)結(jié)果表明,此系統(tǒng)性能良好,有利于節(jié)能和環(huán)保。關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速;Halbach 陣列;有限元分析;電機(jī)設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):T M301.2T M351文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):167326540(2008022*Var i a ble

2、 2Frequency Adjust able 2Speed Syste m ofNew Type Permanen t M agnet Synchronous M otorZHAN G Hao 2m ing,SUN Yu 2kun(I nstitute of Electrical and I nfor mati on Engineering,J iangsu University,Zhenjiang 212013,China Abstract:Halbach mot or is a novel per manent magnet (P M mot or .One 2sided and sin

3、us oidal field is p r oducedby the s pecial distributi on of per manentmagnets .The field can increase the air 2gap flux density and decrease the r ot or yoke flux density,which can i m p r ove the power density and efficiency,reduce the volu me and pulsating t orque of the mot or .Full 2digital Var

4、iable 2Frequency Adjustable 2Speed System based on DSP2407A is designed according t o Hal 2bach mot or s distinguishing characteristics,Experi m ent results p r ove that the syste m can work well,which benefits energy saving and envir on mental p r otecti on .Key words:var i a ble 2frequency adjust

5、able 2speed;ha lbach array;f i n ite ele m en t ana lysis ;m otor desi gn 3國(guó)家自然科學(xué)基金(50275067;江蘇省高新技術(shù)(BG20010291Halbach 永磁同步電機(jī)及其優(yōu)點(diǎn)Halbach 電機(jī)是由美國(guó)伯克利實(shí)驗(yàn)室著名學(xué)者Halbach K 提出的一種新型永磁同步電機(jī)123,其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示,圖中箭頭代表永磁體磁化方向。相對(duì)于普通永磁同步電機(jī),Halbach 電機(jī)的最大特點(diǎn)就是其磁極磁場(chǎng)呈正弦分布,這是由其獨(dú)特的永磁體結(jié)構(gòu)所造成的4,同時(shí)該結(jié)構(gòu)還有利于減小電機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和噪聲污染。Halbach 電機(jī)的另一特

6、點(diǎn)可以從圖1有限元分析中看出:磁極磁場(chǎng)在永磁體的一邊大幅度增加,而在另一邊卻大幅度降低,幾乎為零。這使得在永磁材料體積不變的情況下,電機(jī)氣隙磁通密度極大地增加、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)幾乎為零,有利于減小電機(jī)的體積和提高電機(jī)的效率。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)幾乎為圖1Halbach 電機(jī)模型及其有限元分析零,使電機(jī)轉(zhuǎn)速不再受渦流損耗限制。這些特性使得在調(diào)速和伺服系統(tǒng)當(dāng)中,Halbach 電機(jī)比其他永磁同步電機(jī)更優(yōu)越。2設(shè)計(jì)及其有限元校核Halbach 電機(jī)永磁體分布的特殊性(混合均布改變了永磁結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)分布規(guī)律,因此,適用14 于一般永磁同步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方法已經(jīng)滿足不了它的要求,其設(shè)計(jì)必須采用場(chǎng)路結(jié)合的方法,和 有限元分析緊

7、密結(jié)合起來(lái)5。參考普通電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)527,編寫了基于MAT LAB 的Halbach 電機(jī)設(shè)計(jì)軟件和基于ANSYS 的Halbach 電機(jī)有限元分析軟件。在設(shè)計(jì)初期只要輸入電機(jī)相關(guān)參數(shù),程序就會(huì)自動(dòng)運(yùn)行得到電機(jī)的各種參數(shù)與有限元分析結(jié)果,大大節(jié)省了電機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)間。表1就是利用上述軟件所設(shè)計(jì)的一臺(tái)15k W Halbach 永磁同步電機(jī)樣機(jī)的部分參數(shù)。表1樣機(jī)參數(shù)參數(shù)參數(shù)值電機(jī)功率/k W15極對(duì)數(shù)2定子外徑/mm 260定子內(nèi)徑/mm 170氣隙長(zhǎng)度/mm 1額定轉(zhuǎn)速/(r m in -11500永磁體厚度/mm12槽數(shù)目36每槽導(dǎo)體數(shù)45(2路并繞槽滿率0.52 斜槽無(wú)定子直流電阻/0.

8、213平均氣隙磁密/T 0.650實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩/(N m 95.5實(shí)測(cè)效率/%95.7功率因數(shù)0.9755利用有限元分析軟件對(duì)上述樣機(jī)做有限元分析后得到的氣隙磁場(chǎng)分布如圖2所示。由于氣隙磁密近似呈正弦分布,所以其計(jì)算極弧系數(shù)i 2/。有限元分析結(jié)果:B =B g1i =1.032/=0.656設(shè)計(jì)值:B SG =0.650=B -B BG =0.656-0.650=0.006由于有限元采集的是一些離散的數(shù)值,并有一定的人為因素存在,程序設(shè)計(jì)結(jié)果也是采用近似公式計(jì)算得到的,所以和實(shí)際值之間存在一定的差值,但是數(shù)據(jù)相差不大,這說(shuō)明電機(jī)設(shè)計(jì)軟件與有限元分析結(jié)果是一致的。圖2Halbach 電機(jī)氣隙磁場(chǎng)3

9、變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件電路在一般調(diào)速系統(tǒng)中,常采用模擬和數(shù)字電路相結(jié)合的方式。該方式一方面增大了系統(tǒng)的能耗,另一方面又使得系統(tǒng)性能不可靠8210。本文所介紹的基于DSP2407A 全數(shù)字變頻調(diào)速系統(tǒng)原理如圖3所示。市電經(jīng)整流后送給逆變電路,經(jīng)變頻后驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn),進(jìn)行工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。圖3主電路原理圖市電經(jīng)AC /DC 整流后,為了減小加壓起動(dòng)瞬間對(duì)電容和其他電器元件的沖擊作用,本系統(tǒng)加入了基于555定時(shí)和晶閘管的軟起動(dòng)電路:電路經(jīng)大電阻對(duì)電容充電,經(jīng)555定時(shí)后給晶閘管送開(kāi)通信號(hào),晶閘管開(kāi)通后電阻被切除,電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。市電整流后形成的穩(wěn)定直流母線電壓通過(guò)DC /AC 逆變成電機(jī)

10、需要的三相交流電壓,驅(qū)動(dòng)Halbach 永磁同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)。為提高可靠性和效率,逆變橋采用型號(hào)為6MBP50RA120的智能功率模塊(I P M 。在工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,電機(jī)經(jīng)常頻繁制動(dòng),回饋大量的能量,如不加以控制,將對(duì)母線產(chǎn)生極大24 的危害。為了提高能源的利用率,本系統(tǒng)采用BUCK 電路對(duì)電機(jī)制動(dòng)時(shí)回饋的能量進(jìn)行回收,對(duì)超級(jí)電容充電,在電機(jī)下次起動(dòng)時(shí),再把此能量送回電網(wǎng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn);為提高效率,設(shè)計(jì)所采用的BUCK 電路為零電壓多諧振三電平BUCK 電路,BUCK 電路的脈寬調(diào)制信號(hào)由DSP2407A 根據(jù)前后采樣電壓比較后生成。3.2變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的軟件核心是TI 公司出品的1

11、6位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理(DSP 芯片T MS 320F2407A 。T MS320F2407A 具有先進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)和流水線指令集,運(yùn)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于一般的通用CP U;芯片本身還集成了多種外設(shè),如定時(shí)/計(jì)數(shù)器、A /D 轉(zhuǎn)換器等,使得T MS320F2407A 具有高速的信號(hào)實(shí)時(shí)處理和控制能力,非常適合于電機(jī)的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的定時(shí)中斷子程序是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的核心,其原理如圖4所示。 圖4定時(shí)器中斷程序4試驗(yàn)把Halbach 樣機(jī)接入上述設(shè)計(jì)的全數(shù)字變頻調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行試驗(yàn)。圖5為A 、B 、C 三相電流變化波形。從圖中可以看出,三相電流無(wú)論從幅值上還是從相位上都能夠很好地滿足電機(jī)要求,說(shuō)明樣機(jī)性

12、能良好。圖5三相電流波形圖6、7分別為1Hz 和200Hz 時(shí),A 相給定電流i A 和跟蹤電流i A 變化波形。從圖中可以看出,無(wú)論低速還是高速,A 相反饋電流都能夠很好地從幅值和相位上跟蹤給定電流的變化,電流閉環(huán)工作性能良好。圖61Hz電流跟蹤波形圖7200Hz 電流跟蹤波形圖8、9分別為普通永磁同步電機(jī)和Halbach 永磁同步電機(jī)帶載后,力矩電流和速度變化波形。從圖8和圖9電機(jī)帶載后的波形可以清楚地看出:Halbach 永磁同步電機(jī)的力矩電流脈動(dòng)很小,能夠很好地減小脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩、減少電機(jī)運(yùn)行時(shí)制造的噪聲污染。由于本系統(tǒng)采用了i d =0矢量控制方式,力矩與力矩電流成正比。34 圖8 普通永

13、磁電機(jī)速度2電流波形圖9Halbach 電機(jī)速度2電流波形圖10為電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?00r/m in 到1500r/m in的閉環(huán)測(cè)試波形,從圖中可以看出,在額定轉(zhuǎn)速1500r/m in 時(shí)轉(zhuǎn)速誤差很小,不足 0.1r/m in,說(shuō)明調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)性能良好。圖10轉(zhuǎn)速波形5結(jié)語(yǔ)Halbach 電機(jī)是一種特殊的永磁電機(jī)。相對(duì)于傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)來(lái)說(shuō),Halbach 電機(jī)不僅功率密度大、效率高,而且脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩小,有利于提高電機(jī)節(jié)能,減少噪聲污染。本文所介紹的變頻調(diào)速系統(tǒng)能很好地使Hal 2bach 電機(jī)替代傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)而用于調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)中,這有利于進(jìn)一步改善系統(tǒng)的性能?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1Merritt B

14、T,Post R F,D recfuerst G R,et al .Hal 2bach array mot or/generat ors a novel generalized elec 2tric machine J .Halbach Festschrift Syposiu m,1995(2.2Halbach K .Physical and op tical p r operties of rareearth cobalt magnets J .Nuclear I nstru ments and Methods,1981(187:1092117.3Halbach K .Perturbati

15、on effects in seg mented rareearthcobalt magnets J .Nuclear I nstru ments and Methods,1982(198:2132215.4Zhu Z Q,Xia Z,A tallah K,et al .Powder align mentsyste m f or anis otr op ic bonded NDFe B Halbach cylin 2ders C /I EEE I nter mag 2000Conference,2000:3349-3352.5唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.6李鐘明,劉衛(wèi)國(guó).稀土永磁電機(jī)M .北京:國(guó)防工業(yè)出版