永磁直流电机（精选12篇）
永磁直流电机 篇1
摘要：本文分析了永磁材料的常见类型, 剖析了永磁材料的基本性能, 解析了永磁电机的显著特征, 并结合笔者多年相关工作经验, 提出了永磁电机设计过程中需要注意的几点问题。希望能为提升永磁材料在永磁电机中的应用效率, 促进永磁电机可持续发展贡献一份力量。
关键词：永磁材料,永磁电机,分析
0前言
改革开放以来, 社会经济不断发展, 科学技术日新月异, 永磁材料技术也取得了突飞猛进的发展, 特别是第一、二、三代稀土永磁材料的相继出现, 以及其价格的降低为永磁材料在电机中的广泛运用创造了有利条件, 为永磁电机的健康、快速发展奠定了坚实的基础。
1 永磁材料的常见类型与性能
1.1 常见类型
永磁材料的常见类型主要有:第一, 铝镍钴。流行于20世纪80年代, 具有温度稳定性强、耐高温等显著特征;第二, 钐钴。起源于20时间60年代, 具有超强的稳定性, 其磁性能十分适合电机制造。但由于价格较高, 多被用于高科技领域挡住;第三, 铁氧体。价格较低, 被广泛应用于对体积、性能要求较低的电机当中。比如:家用电器电机、玩具用品电机等;第四, 钕铁硼。属于第三代永磁材料, 具有性能强、热稳定性差、易锈蚀等特征。因此, 表面防护措施必不可少。近年来, 钕铁硼材料凭借其其价格低廉的独特优势, 被越来越广泛应用到工业、民用电机中。
1.2 基本性能
永磁材料基本性能主要包括以下几点:第一, 剩磁感应强度。剩磁感应强度与电机气隙磁密的高低具有十分紧密的关系。一般情况下, 磁感应强度值与气隙磁密值成正比例关系。当反电势系数、磁感应强度值、气隙磁密值、转矩常数达到最佳值时, 电机的磁负荷与电负荷处于最优关系中, 电机效率达到最高峰值;第二, 最大磁能积BHmax。BHmax是指永磁材料能够向外提供磁场能量的最高值, 同永磁材料的使用量密切相关。其值越大, 代表永磁材料磁场能量越大, 那么在功率相同的时候, 所需要的永磁材料越少;第三, 内禀矫顽力Hci。Hci是指剩余磁化轻度M为0时, 永磁材料的磁场强度值。Hci与永磁电机的工作并没有直接关系, 但却能够体现永磁材料抗去与拥有磁场的能力。与此同时, 它还与永磁材料温度稳定性具有紧密联系。Hci值越大, 永磁材料工作温度越高;第四, 温度系数。温度系数主要分成:矫顽力温度系数与剩磁感应温度系数两类。温度系数与电机性能关系密切, 温度系数越高, 则代表电机从冷态过渡到热态的指标变化幅度越大;第五, 磁感应矫顽力Hcb。该指标同电机过载倍数、气隙磁密等指标具有紧密联系。Hcb的值越大, 则表明该电机抗退磁能力越大, 能够适应强退磁动态工作环境。
2 永磁电机的显著特征
2.1 性能强
一方面, 永磁电机的气隙磁密能够得到显著提升, 有利于电机指标最优化, 缩减电机体积, 减少电机重量;另一方面, 永磁电机还拥有杰出的控制性能。原因有三点:第一, 稀土永磁材料性能高, 促进电机功率密度、力矩常数、转矩惯量比得到大幅度提升。再者, 科学合理的设计能够显著降低电气时间常数、转动惯量等指标。第二, 当前, 我国永磁磁路设计已经日趋完善。完善的磁路设计与高矫顽力的稀土永磁材料完美结合, 显著提升了永磁电机的抗电枢反应能力, 降低了外部因素对电机控制参量的影响。第三, 永磁材料的使用省去了励磁磁通、励磁电流、励磁绕组电感等参数, 有效减少了可控变量。
2.2 构造简易
永磁电机采用一块或者几块永磁体取代了励磁电机中的极靴和励磁线圈, 使得电机零部件数量大幅度减少, 优化了电机结构。与此同时, 还节省了励磁电刷与电环, 提升了电机工艺, 延长了电机使用年限, 增加了电机的安全性与可靠性。
2.3 效率高, 能耗低
效率高, 能耗低是永磁电机的最为重要的优势之一。目前, 我国大部分的泵类负载电机、风机均改用永磁材料, 其综合节能效果日益突出, 在电机领域发挥着不可替代的重要作用。
3 永磁电机设计过程中需要注意的问题
3.1 永磁材料的利用效率
永磁材料的利用率直接关系到永磁电机的制造成本, 是生产厂家最为关心的重要问题之一。这就要求在永磁电机设计过程当中, 首先分析、研究电机用途, 弄清其需要达到的预订功能, 然后找到相应的重点指标, 最后确定出电机最优工作点、体积、形状与加工工艺。
3.2 抗腐蚀性
易腐蚀性是钕铁硼材料使用过程中不可回避的重要问题, 若不进行有效解决, 会严重影响电机质量。给予电镀层防护是目前抗腐蚀的常用措施, 但是镀层脱落导致电机故障的现象时有发生。因此, 要想永磁材料与永磁电机获得进一步发展, 需要不断提升永磁材料表面防护的水平。
3.3 退磁
磁性材料退磁主要包括:环境退磁、时间退磁、温度退磁等。这就要求在永磁电机设计过程中注意以下几点:第一, 弄清永磁材料内禀矫顽力、矫顽力与工作温度稳定性之间的关系;第二, 分析温度系数对电机性能指标、退磁安全系数的影响力;第三, 不可逆退磁与可逆退磁在电机中的比例, 以及其对电机性能产生的影响。
3.4 分析、设计
永磁体的分撒性增加了永磁电机的设计难度, 也提升了分析永磁磁场数值的困难程度, 一定程度上影响了设计的科学性与合理性。比如:永磁模型建立、计算工程磁路的漏磁系数与局部退磁、计算电枢反应等出现的误差都明显大于电励磁电机。
4 结束语
永磁材料凭借其性能强、效率高、能耗低等显著优势被广泛运用于电机制造中, 促进了永磁电机的快速发展。随着永磁电机的不断发展, 也对永磁材料提出了新的要求, 促进了永磁材料的不断提高与完善。21世纪以来, 永磁电机逐步涉足于工业、农业、航空、国防、航天、日常生活等众多领域, 完全有理由相信永磁材料与永磁电机具有十分广阔的发展前景。
参考文献
[1]杨克信.永磁材料在永磁电机中的应用探讨[J].上海大中型电机, 2004 (04) :26-30.
[2]闫萍, 吴梦艳.现代永磁电机技术的研究[J].防爆电机, 2014, 49 (02) :51-52.
[3]张丽丽.现代永磁电机技术的应用及开发问题研究[J].机电信息, 2015 (09) :96-97.
永磁直流电机 篇2
2.掌握交流伺服电动机机械特性及调节特性的测量方法。
三.实验项目1.观察伺服电动机有无“自转”现象。
2.测定交流伺服电动机采用幅值控制时的机械特性和调节特性。
四.实验说明以及操作步骤隔离变压器输出的固定电压(V相调压器的输入电压)UV′N接至交流伺服电机的励磁绕组。
三相调压器输出的线电压Uuw经过开关S(MEL—05)接交流伺服电机的控制绕组。
G为测功机，通过航空插座与MEL—13相连。
1.观察交流伺服电动机有无“自转”现象测功机和交流伺服电机暂不联接(联轴器脱开)，调压器旋钮逆时针调到底，使输出位于最小位置。
合上开关S。
接通交流电源，调节三相调压器，使输出电压增加，此时电机应启动运转，继续升高电压直到控制绕组Uc=127V。
待电机空载运行稳定后，打开开关S，观察电机有无“自转”现象。
将控制电压相位改变180°电角度，观察电动机转向有无改变。
没有自转现象。
直流电机PWM调速系统设计 篇3
[关键词] 直流电机PWM调速系统
直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制;而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。调节电阻R即可改变端电压，达到调速目的。但这种传统的调压调速方法效率低。
随着电力电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制方法，其中PWM(脉宽调制)是常用的一种调速方法。其基本原理是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。最近几年来，随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。
一、PWM信号发生电路设计
PWM信号发生器是由单片机和PWM脉冲发生电路两部分组成，其原理如图所示。PWM脉冲可由具有PWM输出口的单片机(如80C552，80C198等)通过编程产生，或者由单片机外扩8253来构成脉宽调制器，还可以采用PWM专用芯片。在实践中我们采用通用集成电路4585和4040设计了一种专用的PWM的脉冲发生电路。当l2位二进制串行计数器u4(404o)的RST引脚为“1”高电平)时，Q2-Q9均为“0”(低电平)。当RST为“0”时，CLK引脚每来一个脉冲，计数器加l。当系统晶振频率为12MHz时，Q2-Q9由全“0”变为全“l”的时间为42.5μs。2片4位数值比较器U2，U3(4585)串联组成8位数值比较器，其A组输入端接U4的Q2-Q9，B组输入端由U1的P1口送入预置数N。当A组输入小于B组输入时，U2的l3脚输出低电平，否则U2的l3脚输出高电平，这样在U2的l3脚就产生了脉冲信号，其占空比为(256-N)／256，周期为42．5μs。这里U1选择美国ATMAL公司的AT89C2051，其芯片结构和指令系统与5l系列单片机兼容，内部有2KB闪速存储器，无需外扩EPROM，而且仅有20条引脚，管脚排列参见图。该芯片市场价格便宜，具有良好的性能价格比，特别适用于小型经济型控制器。在本系统中，由U1的Pl口向8位数值比较器U2和U3传送预置数N，改变N就可以改变PWM脉的占空比。
二、直流电机速度闭环控制软件实现方法
u1的P3.3，P3.4分别接升速按钮s1和降速按钮s2。当s1键按下时，将送到P1口的预置数N减1以增大PWM信号的占空比；当s2按下时，将N加1以减小PWM信号的占空比。
在进行软件编程时应加入键盘去抖、速度限幅等处理程序。系统采用计时法测量电机转速。电机的输出轴装有测速盘，其上沿圆周方向均布32个孔，采用透射式光电传感器，其输出信号经施密特触发器整形后输入2051的P3-2口。每当转至小孔处，光电传感器接收到信号，引起2051外部中断。2051的定时器T1设定为16位定时器方式，初始化TH1，TL1为#00H。在外部中断程序中启动定时器T1，然后中断返回。当下一个外部中断到来时，读取TH1，TL1的值，即两孔间电机运行时间t。依据系统的机械结构尺寸，通过计算得出电机各档速度下的T值，组成速度一时间表。当电机处于某档速度时，测量所得到的t值，如比较从速度一时间表中查出的T值大，则说明电机速度比设定的低，此时可通过增大PWM脉冲的占空比提高电机的转速，反之，则通过减小PWM脉冲的占空比提高电机的转速。这样通过软件编程，就实现了直流电机的速度闭环控制。实践中，应采用数字滤波去除抖动或外部干扰的影响。
三、结论
本系统控制原理成熟可靠，运行稳定。该系统是基于现代电力电子技术，采用PWM控制技术构成的无级调速系统，启停时对直流系统无冲击。工作安全可靠、维护量小，从而确保了系统的安全运行。
参考文献:
[1]左玉兰马宗龙:直流电机调速系统的单片机控制[J]．集成电路应用，1999
[2]王福瑞:单片微机测控系统设计大全[M]．北京:北京航空航天大学出版社,1999
[3]王兆安黄俊:电力电子技术．机械工业出版社,2000
[4]莫正康:电力电子应用技术.机械工业出版社，2000
AC永磁电机 篇4
常规交流感应电机被普遍采用,以至于你很难找到一个不使用该类电机的工业设施甚至居住点。然而,在这个对能源敏感的时代,制造商们正努力在设计电机时突破其效率限值。另一方面,由于永磁(PM)电机的转子没有功率损失,因此其效率水平高于感应电机。
虽然永磁电机拥有这一优势和其他优点,但其成本高,安装用于控制的速度编码器也比较麻烦,从而阻碍了它的广泛应用。开发更先进的、使用开环矢量控制方法的策略可缓解这一问题,而且无须采用编码器。解决这一问题后,用户会发现与常_规的感应电机设计相比,额定功率下的交流永磁电机框架较小、重量更轻,因而变得更具吸引力。另一方面,感应电机的成本仍然普遍较低,且在较苛刻的用途中具有更好的承受能力。
交流永磁电机转子的构造与传统的感应电机区别很大,它消除了铜转子产生的损耗,使永磁电机效率大大提高。
两类转子
交流永磁电机与感应电机的相似之处,仅仅在于绕组的定子。由于永磁电机的磁体与转子相连(在表面或嵌入其内部),因此转子不产生电流,从而减少了铜转子的损耗。而这是提高效率的主要原因。
安装于表面的永磁体(SPM)与内部永磁体(IPM)之间的差异,是生产过程中无法考虑到的。这种微妙的变化,会导致电机的运行特性发生显著变化。
交流永磁电机转子的构造与传统的感应电机区别很大,它消除了铜转子产生的损耗,使永磁电机效率大大提高。
IPM的设计方案是将磁铁嵌入转子中,从而使强度增加,并加快电机的运行速度。该设计方案还通过电感的变化产生凸极性,并可根据转子位置在终端测量电感变量。这一概念的详细内容值得更广泛的讨论,其产生的实际作用在于电机除了使永磁体具有扭矩,还产生了磁阻转矩。
SPM设计方案通常用一些胶粘剂将磁铁固定于转子表面,因此粘接强度实际上是最大速度和整体稳健性的决定因素。此外,因为将磁铁安装在转子表面时不会产生凸极性,所以没有磁阻转矩。
速度控制
目前主要有两种用于交流永磁电机的开环速度控制策略(无速度编码器)。第一种开环矢量方法采用电压控制。电压控制模块可根据速度指令和电机电流,计算参考电压。它可计算产生所需扭矩的输出电压。该方法通常用于设计水泵和风机中的SPM。
第二种开环矢量方法采用电流和速度控制算法。该方法可在电机运行时,通过跟踪磁极位置,有效地创建一个虚拟的速度编码器。该方法要使用速度估计器、速度控制器和功能强大、能快速进行计算的电流控制模块。此方法与IPM的设计特点相得益彰,并可进行非常复杂的速度和转矩控制。
永磁同步电机的工作原理 篇5
永磁同步电机的工作原理与同步电机的工作原理是相同的。永磁同步电机在现在应用及其广泛。和感应电机一样是一种常用的交流电机。特点是：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间又不变得关系n=ns=60f/p，ns成为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。
作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频 异步电动机又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。异步电动机按照转子结构分为两种形式:有鼠笼式〔鼠笼式异步电机〕绕线式异步电动机。永磁同步电机的工作原理如下：
永磁同步电机主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。
永磁同步电机的载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。
永磁同步电机的切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。
永磁同步电机交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三 相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。
永磁同步电机的交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。
永磁直流电机 篇6
【摘要】丰润热电公司输煤系统C3和C4胶带拉绳保护开关运行中多次发生接地情况，严重威胁同一直流系统的主机安全运行。专业根据现场实际情况进行了针对性改造，完全杜绝了此类异常发生，避免了直流系统接地后事故扩大的隐患。
【关键词】电动机；控制回路；直流；接地；改造
1.引言
丰润热电公司装机容量2×300MW，输煤系统共有8套胶带负责燃煤输送，目前除1号胶带为单路外，其余七套均为双路互备。其中，C3和C4胶带输送机由6kV电动机传动，其动力开关直流控制回路中并联接入了若干数量的拉绳线开关接点，拉绳开关的作用是在紧急情况下急停运转中的胶带以保护人身或设备安全。
C3和C4胶带输送机6kV动力开关由公用6kV段供电，其直流控制电源和合闸电源与主机设备直流电源共用一套直流系统。
2.问题提出
主辅设备直流系统共用，这样的运行方式严重降低了主机直流设备的可靠性，尤其是作为辅助设备的输煤系统，因环境原因，其绝缘可靠性较低，发生接地的概率较主机高出许多。丰润热电公司在机组运行中，多次发生直流系统接地的异常情况，被迫在运行中查找，查找过程严重威胁机组安全运行，而如继续发展则可能造成设备误动甚至会发生机組停机的事故。
通过对这类缺陷的数据进行统计，显示输煤系统C3和C4胶带电机的拉绳开关问题造成接地的情况占了绝大多数，缺陷消除后直流接地的异常现象即消失。所以必须从源头解决输煤系统C3和C4胶带电机的拉绳开关接地的问题。
3.原因分析
C3、C4胶带电机动力开关跳闸控制接线如图1所示，拉绳开关接点直接接在直流控制回路中，而拉绳开关设备是均匀的分布在胶带就地沿线，其任何一处出现绝缘薄弱点都将影响整个直流系统。
输煤系统因环境较差，必须经常定期打扫卫生，用水冲洗是一个简单高效的方法，但水冲洗对于电气设备可靠性的影响是显而易见的：冲洗中溅水到设备上是很难避免的，直接后果就是绝缘降低甚至到0，即使水并未直接溅到设备上，但环境中仍有冲洗造成的潮气集聚，给设备绝缘带来隐患。针对输煤系统的特殊性，对于C3和C4胶带电机的拉绳开关，专业在设备选型和日常维护中已做了防范工作，例如选密封等级高好的设备、维护中再将接线穿孔等处包裹密封等，但即使如此仍不能完全防止水直冲设备后的绝缘完好，一旦存在薄弱环节就极易造成开关电气部分接地，继而报警。
4.采取措施
因输煤现场粉尘大的实际情况，现有的生产条件下，要保持卫生尚不能做到完全不使用水冲洗，如此，我们必须采取措施以做到从根本上解决水冲洗造成的开关绝缘不良的问题，以确保确保直流系统的可靠运行，我们从两方面着手，一是对现场水冲洗制定措施进行防范，二是从设备被自身进行改造，达到本质安全的目的。
C3、C4胶带电机回路存在的问题，是拉绳开关电气部分接地，通过对问题的思考我们可以找到找到问题的关键，寻求最佳解决方案：将拉绳开关电气部分脱离原直流系统。
在进行综合分析研究后，实施了如下技改方案：
将拉绳开关与直流母线连接处断开，另通过新加装的开关电源QF1转接于交流电源上，开关电源的规范是AC220V转DC24V，同时将图1中的中间继电器KC1更换为DC24V中间继电器K1，并将图1中的中间继电器KC1接点改为继电器K1接点，改造后的原理图如图2所示。经过改造后，拉绳开关接于24V直流中，通过中间继电器K1实现与原220V直流系统“隔离”。
改造中，拉绳开关的安装位置、电流属性均未变，仅在原位置上更换继电器，而最大的“改动”是加装了一个开关电源QF1。
5.实际效果
改造后，运行近一年，已经完全杜绝了因为C3、C4胶带拉绳开关造成的直流接地异常、报警，设备安全可靠性得到了极大的提高。
6.结束语
C3、C4胶带拉绳开关控制回路的原设计在理论上并不存在问题，但在特殊的设备运行环境下，暴露出了回路中存在的潜在安全隐患，通过简单的技术改造，标本兼治取得了良好效果，同时本次回路改造对今后的设计也能起到借鉴作用。
参考文献
[1]卓乐友，董柏林.电气工程电气设计手册（二次部分）中国电力出版社，1998.12
作者简介
永磁直流电机 篇7
1 无刷电机及其控制系统基本结构
无刷电机及其控制系统基本结构如图1所示, 由电机本体、位置传感器、逆变器3部分组成。
永磁无刷直流电机的主要部件有转子和定子, 定子是电机的静止部分, 是由导磁的定子铁芯、导电的电驱绕组及固定铁芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成。转子是电机本体中转动的部分, 主要成分是硅钢片, 用来产生激磁。
永磁无刷直流电机的运动在于电机中逆变器功率器件依据电机转子的位置变化产生不同的触发变化, 进而实现电机控制。因此, 依据准确的位置反馈来进行逆变器的切换是永磁无刷直流电机控制的关键。
最常用、最直接地检测转子位置的器件是角位置传感器, 高精度、高可靠性的传感器影响着整个电机的性能。目前, 最常用的电机反馈传感器是Hall传感器, Hall传感器属于磁敏式传感器, 其性能优良、体积小、便于安装、性价比较高, 可以通过解调、电路控制等过程将传感器的位置信号转换成数字信号, 为数字化控制及智能控制做准备。
2 永磁无刷直流电机控制技术
2.1 反电动势法控制
某些不需要精确反馈控制、产品空间有限的场合可以省去位置传感器, 此时不是采用开环控制, 而是利用电机自身的反电动势来采集反馈信号, 进行解调, 进而控制电机。目前, 反电动势法是技术最成熟、应用最多的一种无位置检测方法。
反电动势法是基于各项反电势随各个转子改变的电机控制技术。该方法将检测获得的反电动势过零点信号延迟电角度30°, 得到6个离散的转子位置信号, 为逻辑开关电路提供正确的换相信息, 进而实现无刷直流电机的无位置传感器控制。反电动势法的关键是判断反电动势过零点的位置, 业内学者提出了众多检测方法, 如端电压检测法、反电动势积分法、反电动势三次谐波法等。
最简单有效的方法是端电压检测法, 通过测量不导通相的端电压, 与电机的绕组中点电压进行比较, 并对三相绕组进行分压阻容滤波, 计算出不导通相反电动势的过零点位置, 再经过延后一定时间进行下一步换相, 从而达到控制电机的目的。
2.2 转矩脉动控制
因为永磁无刷直流电机没有电刷及换向器, 只能在电机内部换相, 所以电机在运行过程中必然产生转矩脉动, 产生转矩脉动的因素主要有2方面:1) 机械齿槽结构引起的转矩脉动;2) 电流换相引起的转矩脉动。
齿槽引起的转矩脉动可以采用定子斜槽或转子斜极来实现, 该方法简单易行, 但无法保证全部消除齿槽引起的转矩脉动。最直接的方法是使用无槽结构电机, 采用钕铁硼等高磁能积稀土永磁材料有效抑制由齿槽引起的转矩脉动, 此方法的缺点是成本较高。
电流换相引起转矩脉动, 是电机运行过程中不可避免的, 因为电机内各项绕组不断变化, 绕组每经过一个相点, 绕组上的电流就会切换, 从而产生电磁转矩的脉动。抑制由电流换向引起的转矩脉动的方法有电流反馈法、滞环电流法、重叠换向法、脉宽调制斩波法等。
2.3 智能控制
传统的电机控制系统具有非线性、变参数、时滞性等缺点, 不利于高性能、高精度电机的控制。因此, 结合先进的控制理论和方法进行控制, 可以有效解决上述问题。
随着控制技术的发展, 人工智能算法的研究及应用越来越广泛, 其中常用的人工智能算法包含人工神经网络、模糊策略、遗传算法、蚁群算法等, 将永磁直流无刷电机的控制与人工智能算法结合, 可以有效解决传统控制方法的缺陷。人工智能算法对物理模型的要求较低, 更适用于非线性问题, 例如模糊控制理论就是基于人类基本活动的实践经验设计开发的。随着计算机硬件技术的发展, 高性能、集成化、小型化的单片机与DSP的出现为实现永磁无刷直流电机的人工智能控制创造了条件。但是, 人工智能算法本身较复杂, 需要考虑各种复杂条件, 不断地进行调试验证, 以保障电机的平稳、精确的运行。
3 永磁无刷直流电机的应用
3.1 汽车行业中的应用
汽车行业是工业产品的精华及先进技术应用的先驱, 永磁无刷直流电机在其中的应用无处不在, 汽车上的自动控制空调、前后调节的电动座椅、自动车门、雨刷器、安全气囊、方向盘上的助力电机等等。另外, 纯电动车的驱动电机也采用永磁直流无刷电机。
3.2 航空航天领域的应用
永磁无刷直流电机在航空航天应用十分广泛, 如飞机机壳喷漆的多自由度机械手, 飞机航电系统中各类自动驾驶设备中的控制电机, 各类陀螺仪表, 载人航天的舱门控制等等。因为航空航天需要高精度的控制及高速动态响应能力, 所以此类电机采用闭环控制以及先进的控制算法。此外, 航空航天领域对电机的可靠性、寿命、三防性能要求较高。
3.3 家用电器中的应用
无刷直流电机在家用电器领域应用十分广泛, 最典型的应用就是变频空调, 通过控制空调缩机的频率, 实现快速制冷、制热, 再根据室内温度智能调节。为了降低空调的成本, 简化系统的配置, 空调压缩机中常采用无位置传感器控制方式, 采用合适的算法同样可以达到伺服控制的目的, 同时也减少了空调的体积。
4 结论
本文浅析了永磁直流无刷电机系统, 介绍了电机本体、位置传感器、逆变器的结构;分析了, 3种常见的电机控制方法, 每一种控制方法在工程应用中都较为常见, 均有其优缺点及继续提升的地方, 最后本文介绍了永磁直流无刷电机在汽车、航空航天、家用电器领域的应用。本文对研究者全面认识直流无刷电机控制系统具有一定帮助, 有利于后续深入研究。
参考文献
[1]夏长亮.无刷直流电机控制系统[M].北京:科学出版社, 2009.
[2]刘刚, 王志强, 房建成.永磁无刷直流电机控制技术与应用[M].北京:机械工业出版社, 2008.
永磁直流电机 篇8
近年来,球形电机的研究受到了广泛的重视,究其原因在于它独特的球形结构可以在一定范围内的任意点处进行定位与控制。本文在分析多自由度电机发展现状与趋势的基础上,针对直流永磁球形电机位置检测进行了相关的分析和研究。
2 球形电机位置检测研究的发展现状
美国佐治亚大学在研究球电机方面取得了卓有成效的成就[12]。他们对基于步进和变磁阻原理的球形电机转子的位置检测,是采用一套滑轨支架测量系统来实现的。其检测原理为在与转子相连的滑轨支架上安装了3个独立的增量式旋转编码器,利用这3个编码器来获取转子的相关位置信息,并通过一些运动学分析,得出相应的求解方法。虽然这种球电机的工作空间较大,但仍存在如下问题:一是位置检测机构不理想,如图1所示的滑动导轨不仅外形庞大,而且在运动中的摩擦力也较大,给驱动力矩增添了很大负担;二是转子和定子间的支撑方式不理想。这里,转子是通过几个滚珠轴承和定子相连接的。由于转子和定子间的摩擦力很大,运行一段时间后,机械磨损造成的位置精度下降是个严重的问题。
最近几年,国内有关研究人员对永磁球形电机的位置检测进行了大量系统的研究[35]。针对电机转子的位置检测,采取了在转子球面上按随机编码规则确定黑、白两种颜色,采用光电传感器对转子上的颜色进行识别,并由此推理计算出转子当前所处的空间位置。求解的过程归结为对状态空间的搜索,其搜索策略是要解决组合爆炸的问题、建立评价函数进行启发式搜索。可见,现有的位置检测方法几乎都是通过大量的枚举或者大量位置数据的搜索来寻优。
在球电机的位置检测过程中,其三维位置检测的困难在于无法像一维那样存在实际的、可以看得见摸得着的旋转轴,虽然三维旋转在空间上事实地存在3根正交的旋转轴,但这个轴无法实际的提取到。因此上述这类方法对实时控制和检测精度都不可能是理想的。而本文提出的一种被动3自由度球关节的设计方法,可以把这3根正交的旋转轴提取出来,使三维位置检测就像一维那么简单和方便。
3 对转子位置的检测方法
3.1 概述
本文所研究的直流永磁球形电动机如图2所示,它是由新加坡南洋理工大学主持开发的直流永磁3-DOF球电机样机[6]。
依据样机进行分析,并重新设计加以改进,为了有效减小转子和定子的机械摩擦,本设计的球电机选用图3所示的被动球轴承来有效解决转子和定子间的摩擦问题,并结合3自由度位置检测的需要,研制了被动3自由度球关节来解决机械摩擦问题。图3a是它的内部结构,由于旋转部分是钢珠滚动的,因此摩擦力很小,可以长期使用。
在位置检测上,采用在球轴承顶端平面放置双轴倾角传感器,在球关节底部旋转轴放置旋转编码器来检测相应信息的方法解决转子的位置检测问题。
3.2 球形电机位置检测的系统模型
本文所使用的双轴倾角传感器检测出的是正常水平时的双轴(如图4a中X,Y)与倾斜后的双轴(如图4b中X′,Y′)的夹角度数。记X′与X之间夹角为α,Y′与Y之间夹角为β。记旋转编码器检测出的角度为γ。
要实现对转子的位置检测,就必须对球面上的点进行定位,而对球面的分割则是关键。考虑到检测的对象是一个空间位置相对固定的标准球体,借鉴地理测绘学中“大地坐标系”这一概念[7],在传统的x,y,z三维空间坐标系中建立一个球面的经纬度坐标系,球面坐标系的位置与半径大小,和转子的位置与半径大小相同,故两球面重合(为了方便观察,绘图时将经纬坐标系半径略大于转子半径),球面上的点用经纬度二维坐标表示,这时球面上某一点运动后的位置,可仅用一组二维坐标表示。这种方法可以成功地将双轴倾角传感器和旋转编码器检测到的α,β,γ三维数据通过一定的计算,转化为经纬度坐标的二维数据,最后再将其换算成传统的x,y,z三维空间坐标,以利于进一步的电机控制运算[89]。这样不仅可以较好地解决球面定位的问题,还可以简化繁琐的高维矩阵计算问题,有利于DSP进行一系列的计算,加快数据的处理速度,提高检测的实时性。
3.3 转子检测经纬度坐标系的建立
参照地球大地坐标系的建立方法建立的转子经纬度球面坐标系如图5所示。
建立方法:将球面坐标系的球心与x,y,z三维空间坐标系的原点重合。球面坐标系北极(北纬90°)对应转子轴所在的位置,x轴过0°经线所在的球割面,并与割面半径重合。y轴过东经90°所在球割面,并与其割面半径重合。
经度的建立:将经度坐标用L表示。它以0°经线为基准,向东西方向算至该点子午线作为该点的经度,由0°到180°计量。 0°经线向东计量的叫东经,缀以“E”;向西计量的叫西经,缀以“W”,如30°W。
纬度的建立:将纬度坐标用B表示。它以赤道面(0°纬线)为基准,向北(Z轴正方向)或向南(Z轴负方向),由0°到90°计量。由赤道面向北(Z轴正方向)计量的叫北纬,缀以“N”;向南(Z轴负方向)计量的叫南纬,缀以“S”,如30°S。为了便于计算,须将E,W,N,S等地理记法设为数学的正负号,如表1所示。
3.4 转子位置检测的算法实现
先将α,β,γ坐标转化为经纬度坐标。
如图5所示,设转子轴位于北极点时为初始位置。根据设计的电机结构,转子永磁体是位于球面赤道上,共8个,每个永磁体之间相隔45°。为了便于分析计算,将其中1个永磁体A的位置置于经度0°,那么,该永磁体的LB坐标就为(0,0),当转子运动时,转子内部球关节中的双轴倾角传感器和旋转编码器便会测出3个角度数据,按照3.2节中的记法,分别将其记为α,β,γ。其中γ角以从北极方向看去的逆时针旋转方向为正方向。
通过计算可知,将倾角α,β,γ换算成该点的LB坐标系统的换算式为
将LB坐标系统换算成x,y,z坐标系统的换算式为
由此可以得出初始位置在(0,0)点的转子运动后所处位置的三维坐标。
3.5 转子上其他任意点的位置检测
由3.4节已经可以得出起点在LB坐标(0,0)处的永磁体运动后的位置,设运动到新位置后,该永磁体的坐标为ri(xi,yi,zi),另一永磁体B点的坐标为rj(xj,yj,zj),c(o1,o2,o3) 为转子上的固定的某一点位置。AC,BC之间的距离公式表示如下:
根据球形电机的运动控制原理,某2个定子线圈通电后产生磁场,即可吸引定子上的永磁体产生转动。假定线圈A′,B′组合而成的线圈满足运动控制需要的通电条件,设线圈A′点的坐标为sm(xm,ym,zm)、线圈B′点的坐标为sn(xn,yn,zn),C′点为转子运动后A,B点分别运动到A′,B′点时,C点所处的位置。根据电机的结构和运动控制方案,A,B点之间的距离和A′,B′点之间的距离是相等的。
由电机设计可知,A,B和C点是在转子表面,A′,B′是在定子表面,并且忽略转定子间的空气间隙,假定转子和定子半径相等,因此,它们的各点坐标均在以下集合中:
式中:R为球体半径。
因为C′是C点旋转后的位置,显然它也在集合T内。
根据下式:
即可算出C′点的坐标为C′(o′1,o′2,o′3)
由此可知,只要转子永磁体的相对位置固定不变,球体上任意点的位置均可测出。
4 系统硬件组成
由于球形电机本身存在运动实时性高、方向多样化等不确定因素较多,故对控制系统的精度、速度均有较高的要求。本系统的控制器是以TMS320LF2407A DSP为核心,根据双轴倾角传感器和旋转编码器输出的球关节三维倾角数据,综合处理成位置检测信号,最终可算出球形电机转子上某一点运动前后所处的位置坐标。
本系统采用的双轴倾角传感器采用2只360°/S陀螺传感器与双轴倾角传感器结合,可以实现快速倾角功能,测量范围可达±90°,以TTL232方式与上位机进行通讯。
旋转编码器采用规格为1 000脉冲/r的增量型光电式旋转编码器,采用A,B两相输出,用以测量旋转角度[1011]。
显示模块采用LCD1602字符型液晶显示模块,16脚(带背光)接口,显示容量为16×2个字符。
在考虑芯片电平连接时,因采用的双轴倾角传感器为TTL电平方式,故其RXD,TXD可直接与DSP2407的SCI异步串行发送引脚(SCITXD)和SCI异步串行接受引脚(SCIRXD)相连。LCD1602字符型液晶显示模块的电压为+5 V,而DSP2407的I/O口输出电压为3.3 V,故需要电平移位器74LVC4245从中来进行电平转换,具体连线如图6所示。
5 运算实例
按照上文的位置检测算法,用VC++6.0开发系统编译出了运算人机界面,如图7所示,在左框内输入双轴倾角传感器和旋转编码器实时输出的α,β,γ值,即可直接显示出初始位置在(0,0)点的永磁体运动后的x,y,z坐标值。例如,用以下几组数据做实验,设R=1,运算结果如表2所示,运用Matlab进行仿真,坐标和转换计算器界面如图8所示。将仿真结果与真实球体三维倾斜实验后的结果进行对照可知,该方法测出的点的位置是准确的。
6 结论
直流永磁球形电机作为一种全新理念的电机,具有多种传统电机无法比拟的优点,但是由于其结构和运动方式的特殊性,导致其转子位置检测方法不同于传统的单自由度旋转的电机,关于此问题的研究,国内外还处于初步的探索阶段。本文以TMS320LF2407A DSP为核心,搭建软硬件检测平台,深入分析和研究3自由度球电机的基本工作原理,针对球电机的三维位置检测的困难,提出了一种被动3自由度球关节的设计方法,从而可以有效地解决球电机的位置检测问题。
摘要：针对当前球形电机研制中遇到的定子和转子间接触摩擦力过大的问题,以及在转子三维位置检测中实时性和准确性难以实现的困难,提出一种被动3自由度球关节的设计思想,即可以采用双轴倾角传感器和旋转编码器分别检测出相应的角度,并通过分析计算,可以有效地确定转子永磁体的位置。最后通过仿真结果可知,该方法可以实现对转子的位置检测。
关键词：球形电机,双轴倾角传感器,旋转编码器,位置检测
参考文献
[1]Lee K M,Pei J.Kinematic Analysis of a Three Degree-of-freedom Spherical Wrist Actuator[C]∥Advanced RoboticsFifth International Conference,1991,1:72-77.
[2]Lee K M,Kwan C K.Design Concept Development of aSpherical Stepper for Robotic Applications[J].IEEE Trans-actions on Robotics and Automation,1991,7(1):175-181.
[3]王群京,雍爱霞,陈丽霞,等.一种永磁球形步进电机转子位置的检测方法[J].中国电机工程学报,2006,26(22):92-96.
[4]雍爱霞.一种简单高效的永磁球形步进电机位置检测的方法[J].微电机,2010,43(9):85-88.
[5]过希文,王群京,李国丽.多自由度永磁球形电动机控制策略的研究与发展[J].微特电机,2011,39(2):72-76.
[6]Yan Liang,Chen I-Ming,Lee K M,et al.Empirical For-mulation of Torque Output for Spherical Actuators withLow-cost Rotor Poles[C]∥IEEE/ASME InternationalConference on Advanced Intelligent Mechatronics,2009,1:1625-1630.
[7]朱华统,杨元喜,吕志平.GPS坐标系统的变换[M].北京:测绘出版社,1994.
[8]Yan Liang,Chen I-Ming,Son Hungsun,et al.Analysis ofPole Configurations of Permanent-magnet Spherical Actua-tors[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2010,15(6):985-989.
[9]Zhang Liang,Yan Liang,Chen Weihai,et al.Current Op-timization of 3-DOF Permanent Magnet Spherical Motor[C]∥IEEE Conference on Industrial Electronics and Applica-tions,2011,6:1111-1116.
[10]赵仁德,曲华龙.电机的定点DSP控制中转速测量新方法[J].电气传动,2010,40(6):72-74.
直流电机常规试验问题 篇9
公司炼铁厂3#高炉上料主卷扬采用他励式直流电机 (图1) 拖动, 电机型号ZD2-132-2B, 容量250 k W, 电枢电压440 V, 电枢电流617 A, 励磁电压220 V, 励磁电流16 A。2014年12月, 该电机在更换碳刷和拆装清灰维护后, 对其进行电气试验测试, 主要试验内容是励磁绕组T、电枢绕组S、补偿绕组C、换向绕组H等4个线圈绕组的绝缘电阻值和直流电阻值。仅从现场得出的数据结果初步看, 并没有什么故障, 但是试验过程中出现的1个现象值得关注。分别测试励磁线圈t1t2、t5t6直流电阻时发现, 当试验仪器接通线圈通电后, 首先仪器对线圈充电时间明显过长, 其次电阻值稳定时间过长。针对这一现象, 结合该电机前两次的试验数据 (表1) 进行分析。表1中的数据, 其中2014年3月的数据是直流电机大修出烘房后6 h的试验数据, 5月和12月分别是电机使用过程中停机维护时所测数据。由于该电机处于在线带负载状态, 无法测试电枢绕组S的片间电阻, 因此没有电枢绕组的直流电阻数据。
2.分析
(1) 从绝缘电阻数据直观分析。明显看出使用过程中两次所测各绕组绝缘电阻呈明显下降趋势。按照电力行业标准DL/T596-1996, 使用1000 V摇表测试, 各绕组的绝缘电阻应≥0.5MΩ, 因此绝缘电阻符合标准要求。绝缘水平降低的原因和该电机使用环境和空气湿度有很大关系, 不能武断做出绝缘材料老化的判定。
(2) 从各绕组的直流电阻测试数据分析。补偿绕组C和换向绕组H的串联电阻3次实测数据误差为2.1%, 励磁绕组t1t2的实测误差为16%, 励磁绕组t5t6的实测误差为18.61%。
根据电力行业标准DL/T 596-1996, 直流电机绕组的直流电阻值 (不包括电枢绕组的片间电阻) 与出厂数据或以往所测数据比较, 相差一般≤2%, 由此可见励磁绕组的直流电阻值远远超标准值。
(3) 从试验过程的现象分析。对线圈的充电时间长, 同时所测数据稳定时间长, 表明励磁绕组的磁通量发生改变, 绕组线圈的电感量变大。电机线圈是感性负载, 对线圈通直流电后, 在开始瞬间, 试验仪器与被测线圈所组成的回路中没有电流I, 该时间段即为充电时间t0, 然后在一定的时间t1内, I慢慢增大, 直至电感作用消失, 线圈成为纯电阻特性, 回路电流才达到最大值稳定。根据欧姆定律, 电压相同, 试验仪器所计算出的直流电阻值R应该就是慢慢减小直至平稳的过程, 两者的曲线关系见图2。
3.结论
通过对比励磁绕组直观的直流电阻数据, 以及间接的电感量分析, 可以判断出该直流电机励磁绕组存在故障隐患, 从而导致绕组线圈的直流电阻值和电感量发生改变。
(1) 影响直流电阻值的常见因素。线圈引出线固定或焊接松动, 线圈匝间短路, 多层并绕线圈断股或脱焊等。
(2) 影响线圈电感值变化因素。在铁芯不发生改变情况下, 线圈匝数、线径、线圈长度三者与线圈电感值有着对应关系。
基于上述两点因素, 结合现场电机运行环境, 综合判断该电机励磁线圈匝间短路或绕组断股的可能性极大。2015年1月, 换下该直流电机, 抽芯检查维护, 维修人员在一组励磁线圈上明显发现线圈断股并且该组励磁绕组框架存在松动和轻微变形, 经过单组线圈更换和框架调整固定后, 该直流电机隐患得以消除, 性能得以恢复。
针对重要电气设备的电气预防性试验, 不应单从某一次的实测数据就做出性能判定, 既要结合以往历史数据, 而且不能只看数据结构, 更要注重整个试验过程中的各种现象, 这样才能做到不漏判、不误判。
摘要：直流电机常规试验主要针对各组线圈的绝缘电阻、直流电阻值、绕组极性和空气间隙, 单独从试验数据往往不能发现问题, 但是结合整个试验过程和以往数据, 却能诊断出电机潜在隐患缺陷。
永磁电机优化设计技术综述 篇10
在一定的约束条件下,调整参数或结构等因素,使电机部分指标得到改善的方法称为电机优化设计。永磁电机定子结构和交流异步电机基本一致,而转子形式多种多样,另外考虑到永久磁体的特殊性,常规设计方法常常不能取得满意的效果,必须拓展新的优化方法。
1传统优化方法
针对某一特定指标而进行的优化常常表现为最值问题,但是当各变量间相互影响或优化变量以及约束较多时,通过逐个分析各参数与目标性能间的关系难以找到最优点,而必须依靠优化算法。
传统优化方法的理论基础是古典极值理论和传统随机算法,包括以下几大类:
1.1解析法和数值法
如果问题可以用显式表达,并且能够求导数,那么微分法就可以解决其中的无约束优化问题,而拉格朗日乘子法和库恩—图克定理可以解决有约束优化问题。这些方法都需要计算目标函数的导数,但由于电机优化问题常常难以用显式表达,更不要说求导数,所以这类方法难以直接用于电机优化问题。
1.2直接搜索法
这类方法通过迭代直接计算函数值寻优,不要求显式表达,更不要求可导,因而在电机优化领域应用广泛,如0.618法、分数法、插值法、步长加速法(Hooke-Jeeves法)、鲍威尔法等。其中,前三种方法是一维优化方法,其余的均为多维优化方法。
1.3有约束优化问题求解方法
这一类方法有两种,第一种构造一个罚函数,当约束条件不满足时该函数受到制约,条件满足时该函数不受约束,从而将有约束优化问题化为序列无约束问题,包括序列无约束极小化法(SUMT)、序贯加权因子法(SWIFT)等;第二种是把目标函数或约束函数加以线性近似,再应用线性规划方法去逼近最优解。
2新型优化方法
和传统优化方法不同,近年来人们通过对物理、自然或社会现象的模拟,提出了一些新型优化方法,在此作简要介绍。
2.1模拟退火算法
Simulated Annealing,简称SA,它模拟了固体退火过程,由S.Kirkpatrick于1983年提出。其原理是,在某一初温下,随着温度的降低,遵循概率突跳特性在空间寻找目标函数最优解,因而能概率性地脱离局部最优解,其局部搜索能力很强[1]。但这种方法对搜索空间整体的了解不够,阻碍了对全局最优点的搜索,严重影响了优化效率的提高。
2.2禁忌搜索算法
Tabu Search,简称Tabu,由F.Glover等人于1986年提出。这种方法能记录优化过程中已经搜索过的区域,从而最大限度避免了无效探索,既保证了搜索的多样性,又提高了后续优化过程的针对性。但其不足是优化速度有待提高,而且判据方面也不够成熟[2]。
2.3差异进化算法
Differential Evolution,简称DE,由加州大学的Rain Storn于1994年提出[3]。这种方法源于遗传算法,但不需要进行解码、编码,直接进行产生种群、变异、交叉与选择操作,其核心是将待优化的解向量当做进化的基本个体,随机产生解个体组成群体,再通过施加加权差异产生新个体和群体。这种算法对初始值无要求,具有并行运算特性,速度快、适应性强,但存在早熟问题。
2.4免疫算法
Immune Algorithm,简称IA,亲和度高的抗体容易被选择,亲和度低的抗体则被淘汰,优质抗体通过变异产生新抗体,实现局部搜索。通过克隆抑制亲和度低的抗体,保留亲和度高的变异抗体,通过在抗体群中加入随机抗体实现更新。这种方法具有所需函数信息少,全局性和鲁棒性好的优点,但也存在收敛速度不高和未成熟收敛现象[4]。
2.5粒子群算法
Particle Swarm Optimization,简称PSO,源于对鸟群捕食行为的模拟。基本思想是在搜索空间内确定一群具有一定速度和位置的初始粒子,粒子的位置对应于潜在的解,将其代入适应度函数计算适应度值从而评价粒子的优劣。这种方法对初始值的依赖较大,容易遇到早熟和收敛性差的问题[5]。
2.6人工神经网络算法
Artificial Neural Network,简称ANN,基于对大脑信息处理机制的模拟而来。其基本思想是输入学习样本,通过学习信号的正向传播得到期望和实际输出的误差,再用反向传播根据误差的大小对网络的权值和阈值进行调整,进行反复调整和训练实现优化。这种方法具有很强的非线性拟合能力,以及自学习、联想存储等优点,但也有学习速度慢、网络训练失败可能性大以及容易陷入局部极小点等不足[6]。
2.7专家系统
Expert System,简称ES,本质上是植入了人类在某一领域专门知识的智能化计算机程序,以专家的经验和知识为依据引导优化过程。其核心包括三个部分,即知识库、推理机、用户接口。专家系统具有知识与处理相分离的统一结构,便于处理不完整、不确定的知识,易于实现系统框架的复用,但规则之间的关系不透明,当规则较多时搜索效率很低,同时也不具备学习能力[6]。
2.8遗传算法
Genetic Algorithm,简称GA,20世纪70年代由Holland提出。过程如下:首先是编码,将问题空间映射到编码空间,然后通过复制、交叉、变异等操作模拟进化过程,搜索空间得到最优解,最后将最优解逆映射到原空间。这种方法具有自适应、随机和并行的特点,因而全局搜索能力强、速度快,但优化后期局部搜索能力不足[7]。
2.9田口方法
Taguchi,是田口玄一于20世纪50年代初创立的一种质量管理技术,但由于其有效和简便的特点,在工程与实验等领域也得到了广泛应用。其从组合数学理论中的正交拉丁方发展而来,待考察变量的取值称为水平,而变量称为因素,它只需要一个部分因子矩阵,就可以在各个水平对任一因子进行比较,从而大幅降低实验次数。图1中有3个待优化的变量,每个变量如果有3个可能值,遍历法需要探索33=27种可能的方案,而田口法使用的正交表是L9(33)=9,工作量大大降低。显然,随着因素和水平的增多这种差距还会急剧增大[8]。
2.10模式搜索
Pattern Search,简称PS,Hooke和Jeeves于1961年提出[9],是直接法的一种。这种方法在参考点周围寻找更优点,并以此点为基点,新的搜索沿参考点到基点方向,称此方向为“模式”,模式移动沿着基点向新的参考点进行。交替进行模式移动与探测搜索从而逼近最优点,如图2所示。模式搜索算法不要求导数,简单直观,易于用计算机程序实现,但速度比较慢。
3优化算例
原型电机是某110st-m02020型永磁电机,转子和定子均为DW465_50硅钢片,面装式转子,N35SH永磁体,定子为星形绕组。将永磁电机定转子内外径、极对数、槽数等固定,优化变量确定为磁极厚度thk、气隙长度t、磁极偏心距offset、极弧系数emb、齿槽宽bs0五个,其测量结果如表1所示。根据以上参数在Ansoft Maxwell 15软件中进行参数化建模,如图3所示。
直接采用模式搜索法优化,经过77次迭代计算完成优化;以相同的起始点采用遗传算法优化,经过118次迭代计算完成优化;采用Taguchi方法进行优化,经过5轮试验(相当于61次迭代计算)完成优化。
然后采用两种新型混合优化方法试验:
(1)先采用田口法,当优化效率降低比较明显后,以田口法选定的优化点为初始点改用模式搜索法继续优化,简称为Taguchi-PS方法。
(2)先采用遗传算法,当优化效率降低比较明显后,以遗传算法选定的优化点为初始点改用模式搜索法继续优化,简称为GS-PS方法。
本文在选择最优点时,对畸变率和基波幅值进行综合考虑,即首先应保证气隙磁场基波幅值不小于0.75 T,在此基础上畸变率越小越好。
原型电机和优化结果如表1和图4所示,可见:
(1)田口、遗传和模式搜索这三种单一算法均能有效进行优化。其中Taguchi方法效果最好;遗传算法和模式搜索法的结果比较接近,前者在优化后期容易发生跳变,后者结果受起始点影响较大。
(2)Taguchi-PS和GA-PS两种复合算法结果比较接近,较Taguchi方法结果有一定改善,进一步向全局最优点逼近,在精度一定的前提下降低了计算量。
4结语
对于永磁电机的优化来说,从一个较合理的原型电机出发,以上各种算法均能有效进行优化。PS优化和GA优化的结果比较接近,但模式搜索法对起始点较为敏感,容易收敛于局部最优点;遗传算法在优化的后期容易发生跳变,优化效率较低;Taguchi和遗传算法相似,逼近全局最优点的精确性不够;新型的Taguchi-PS和GA-PS两种混合算法较好地结合了两种算法的优势,能够进一步提高优化质量,避免了优化后期大量低效率的迭代计算。因此,根据需要将不同的方法合理结合起来,有可能创造出效果更好的新型算法。
摘要：在分析电机优化设计技术文献的基础上,对永磁电机优化设计方法进行了介绍与归纳。用一个算例介绍了田口算法、遗传算法、模式搜索及两种新型复合方法在永磁电机优化中的应用。最后总结了永磁电机优化设计技术当前存在的问题与未来的发展趋势。
关键词：永磁电机,设计,优化算法,数值方法
参考文献
[1]范镇南,韩力.电机优化设计技术发展情况[J].电机与控制应用,2006,33(8):3-7.
[2]邢文训,谢金星.现代优化计算方法[M].北京:清华大学出版社,2005.
[3]宋战平,刘京,梁莉,等.基于差异进化算法反演参数的隧道稳定性分析[J].地下空间与工程学报,2013,9(3):558-565.
[4]田银,谢延敏,孙新强,等.基于人工免疫算法和RBF神经网络的板料成形变压边力优化[J].机床与液压,2015,43(7):5-9,27.
[5]张庭场,耿光飞.基于改进粒子群算法的中压配电网无功优化[J].电网技术,2012,36(2):158-162.
[6]Bose B K.Modern power electronics and AC drives[M].Beijin:China Machine Press,2003.
[7]Sadeghi M H,Darabi A.Optimization of a new type of hysteresis motor using genetic algorithm[C]//Environment and Electrical Engineering(EEEIC),20109th International Conference on:479-482.
[8]Srikomkham P,Ruangsinchaiwanich S.Optimal rotor design of a PSC motor using Taguchi method and FEM[C]//Electrical Machines and Systems(ICEMS),2010International Conference on:1341-1346.
永磁直流电机 篇11
1、永磁铁氧体2012年市场容量超百亿元，行业前景广阔；
2、电机用永磁铁氧体产量居国内第一，市场地位突出；
3、募投项目进一步优化产品结构和产能布局；
广东江粉磁材股份有限公司（以下简称“江粉磁材”，代码002600）已于15日登陆中小板，该公司是国内最大的电机用永磁铁氧体生产商，致力于为下游电机、电子变压器产品的提供核心部件，产品广泛应用于于汽车、计算机及办公设备、电动工具、LED 等行业，其中，电机用永磁铁氧体产量居国内第一。
财务数据显示，江粉磁材2008-2010年营业收入分别为5.52亿元、5.09亿元、7.69亿元，年均复合增长率为18.02%，去年同比增长51.08%；净利润分别为6526万元、6476万元、10623万元，年均复合增长率为27.59%，去年同比增长64.04%。
江粉磁材此次所募资金将投向年产15000吨高性能电机用永磁铁氧体磁瓦技改项目、年产5000吨JPM-2E高性能干压异方性永磁铁氧体材料和制品开发项目等4个项目，募投项目的实施将改善江粉磁材的产品结构，进一步提升其盈利能力。
地位突出 研发优秀
江粉磁材主营铁氧体磁性材料产品，具体包括永磁铁氧体、软磁铁氧体，公司是国内最大的电机用永磁铁氧体元件生产企业。在永磁铁氧体领域，初具规模的企业约有150家，但10000吨级以上企业仅有江粉磁材等几家企业；而在软磁铁氧体领域，1000吨级以上的企业约为60家，江粉磁材产能直逼10000吨大关。在产能稳步推进的同时，江粉磁材严控质量，强化产业链结构，凭借优越的性能和稳定的质量，江粉磁材旗下的产品大面积应用于国内外知名厂商，如德昌电机集团、日本万宝至马达株式会社、光宝集团、台达电子等，市场地位极为突出。
江粉磁材“规模强势、质量领先”的基础则是强大的研发能力。通过30多年持续不断的积累和创新，江粉磁材已取得近20项专利，其最新产品JPM-7烧结永磁铁氧体材料与日本TDK公司的FB9系水平相当。江粉磁材积极谋求与高校、科研机构的强强合作，分别于华中科技大学、五邑大学等签署战略合作协议，业已获得多项成果。此外，江粉磁材积极组建高标准研发团队，为公司提供智力支持。经由上述渠道，江粉磁材研发实力远远超过行业平均水平，处于绝对领先地位。
前景广阔 渠道卓越
磁性材料是工业与信息化发展的基础性材料，多年来一直受到国家产业政策的大力支持，根据工信部的规划，磁性材料已被列为电子材料技术中的重点技术，未来5-15年将重点建设。此外，永磁铁氧体行业市场需求量在2012年将达到77.61万吨，市场容量为107 亿元；而软磁铁氧体行业市场需求量将达到42.94万吨，市场容量为138亿元。但该行业对产品的稳定性要求较高，而稳定性取决于企业的研发及生产实力，在这样的行业背景下，作为龙头的江粉磁材将会获得更多的机遇。
事实上，江粉磁材的渠道及客户资源也会其提供了可靠的支持。江粉磁材目前客户数量超过1000家，且具有较高的稳定度，其中包括日本万宝至马达株式会社等数十家战略合作伙伴。经过长期的探索，江粉磁材已经将不同地区、不同类型的客户群及渠道商形成了完整的供应链结构，可实现高效协同、配合稳定的供求关系，对降低成本、提高效益贡献极大。
募投优化产品结构
江粉磁材的募投项目包括4个项目，分别是年产15000吨高性能电机用永磁铁氧体磁瓦技改项目，年产5000吨JPM-2E高性能干压异方性永磁铁氧体材料和制品开发项目，年产3000 吨环保、高性能粘结永磁铁氧体技改项目，磁性材料技术研发中心技术改造项目。
稀土永磁电机技术及应用探讨 篇12
近年来, 为了降低油田开发中的耗电大户—抽油机的电能损耗, 油田公司开始在抽油机上推广使用稀土永磁电机, 鄯善采油厂从2003年开始逐步在个别抽油机上试用稀土永磁电机, 经过使用后发现, 稀土永磁电机节能效果非常显著, 是一种非常好的抽油机节能电机, 完全可以广泛应用为抽油机的驱动电机, 以替代目前大量使用的三相异步电机。
一、抽油机机械采油节能的必要性
由于三相异步电机的转矩与定子电压的平方成正比, 起动时很大的起动电流在较长的配电线路上产生较大的电压降, 从而限制了电动机起动转矩的上升, 给抽油机起动造成困难, 这也就是有些配电线路较长的油井抽油机起动困难的主要原因。如果通过提高电动机装机功率的办法来增加起动能力, 由于功率较大的电动机的起动电流更大, 起动时的电压降更大, 这样就导致了电动机起动转矩增加并不多, 甚至更加不利于起动。因此, 各种异步节能电动机只能起到一定的治标作用, 不可能从根本上解决抽油机驱动电机的“大马拉小车”问题, 这是由异步电动机的机理决定的。
目前机械采油所用抽油机的配套三相异步电动机明显存在“大马拉小车”的问题。电机自身损耗很大, 功率因数很低, 这造成了电能的极大浪费。因此, 开展抽油机机械采油系统的节能工作势在必行。
二、稀土永磁电机节能的基本原理
电动机是以磁场为媒体进行机电能量转换的一种机电产品。根据电机学原理, 异步电动机的转速不可能等于气隙内旋转磁场的同步转速, 这是因为在转子绕组内要产生感应电动势和感应电流, 才能产生电磁转矩, 这是基本条件, 因此异步电动机又称感应电动机。为了使转子绕组上有电流流过, 除感生方式外, 也可以采用传导方式, 这是同步电动机内转子电流的产生方法。
为了建立机电能量转换所需的气隙磁场, 电动机磁路需有一定的磁势源来进行励磁, 因此电动机分为两种类型:一种是电励磁式, 即靠外接电源供给能量进行励磁, 如直流电动机、交流励磁电动机和一般的同步电动机;另一种是永磁式, 即利用永磁材料的固有特性, 经预先磁化 (冲磁) 后, 不再需要外加能量就能建立永久磁场, 这就是永磁电动机。
稀土永磁电机是一种同步电动机, 但不需要普通同步电动机的励磁绕组和集电环, 结构上酷似异步电动机那样简单, 在系统上也不象普通同步电动机那样需要励磁调节系统。它具有体积小、重量轻、结构简单、效率高、功率因数高、运行稳定、维护简单、性能优良等一系列特点, 集中了异步电动机和同步电动机的优点, 而又克服了两者的缺点。它可以代替异步电动机和同步电动机用在任何场合, 如用在交流变频调速系统中, 将比异步电动机调速系统的性能更加优良。
永久磁铁在经过外界磁场的预先磁化以后, 在没有外界磁场的作用下仍能保持很强的磁性, 并且具有N、S两极性和建立外磁场的能力。因此, 可以用来取代发电机或电动机的电励磁。这种采用永久磁铁作为励磁的电机, 称为永磁电机。
概括起来可总结为三点:
1. 不需励磁电源, 转子使用了永磁材料;
2. 没有励磁绕组, 降低了电机自身的损耗;
3. 功率因数高, 可以节约大量无功补偿容量。
三、TNYC系列抽油机专用稀土永磁电机简介
1. TNYC系列抽油机专用稀土永磁电机的特点
TNYC系列抽油机用三相永磁同步电动机是以Y系列电动机为基础, 其转子镶嵌稀土永磁材料--钕铁硼而制成的新型抽油机用节能驱动装置。它除保留了原来异步电动机结构简单、使用方便、经久耐用等全部优点外, 还具有功率因数和效率高且曲线平坦、起动转矩大、过载能力强等一系列优点, 非常适合于抽油机的特殊运行工况。使用该产品可以使抽油机的装机功率降低一个等级, 彻底解决抽油机驱动电机的"大马拉小车问题"。其外形和安装尺寸则与Y和Y2系列电动机完全一致, 现场换用非常方便, 如与新抽油机配套使用则效果更佳。与普通Y系列异步电机相比, 抽油机专用永磁同步电动机具有如下特点:
(1) 运行效率高
永磁同步电机为同步工作方式, 转子转速与定子旋转磁场完全同步, 与异步电机相比, 无转差损耗;与普通同步电机相比, 转子不需外加励磁电源, 消除了励磁损耗。因此, 永磁同步电机的额定效率可达到94%以上, 高于普通异步电机约4个百分点。更为重要的是, 通过优化设计, 抽油机专用永磁同步电动机轻载时在一定范围内的效率还高于额定值, 最高可达96%左右, 且此最高效率区恰好位于电机的平均负载率所在的区域, 使得高效区得到了展宽, 大大提高了整个冲程内的平均运行效率。而轻载时异步电机的效率已远低于其额定值, 两者在整个负载变化范围内的平均效率差值高达10%以上, 且由于抽油机大部分时间是工作于轻载状态, 因此, 平均有功节电率还可高于此值, 使节电效果更加理想。
(2) 运行功率因数高
同步电动机功率因数的大小由其转子励磁电流来决定, 永磁电机的功率因数则通过其转子永磁体磁场的强弱来决定, 因此可获得任意高的功率因数。经过优化设计, 抽油机专用永磁同步电动机的额定功率因数设计在0.98左右, 且在轻载时还高于额定值, 甚至在一定范围内还可起到补偿电容器的作用, 从而保证整个冲程内的自然平均运行功率因数在0.9以上。由于异步驱动电机的平均运行功率因数在0.4左右, 因此无功节电效果相当显著。
(3) 起动力矩大、起动电流小、过载能力强, 装机功率降低
永磁同步电动机采用异步起动方式, 可以直接起动。为了从根本上解决抽油机驱动电动机的“大马拉小车”问题, 抽油机专用永磁同步电动机的起动力矩和过载能力均提高1个机座号, 最大起动转矩倍数达到3.6倍, 既大大降低了电机的装机功率, 又有效降低了电机的运行损耗, 提高了节电效果。通过改进设计, 在保证起动力矩不降低的前提下, 起动电流得到明显降低。
(4) 是DSM (电力需求侧管理) 技术强有力的技术保障
TNYC系列抽油机专用高效永磁同步电动机应用后, 平均运行电流下降50%以上, 可使6/10KV配电线路上的损耗降低50%以上 (线损与电流的平方成正比) , 极大地降低了配电网和配电变压器上的运行损耗, 为DSM技术提供强有力的技术支持。
(5) 节省补偿电容器
TNYC系列抽油机专用高效永磁同步电动机应用后, 由于自然功率因数可达0.9以上, 完全可以省掉补偿电容器, 进而减少补偿设备的投资和维护费用。由于补偿电容器本身的质量问题等原因, 在户外使用极易衰减老化, 维护工作量很大, 很难起到应有的补偿效果。特别是由于是静态补偿, 补偿后的功率因数在0.7以下, 难以满足要求。
(6) 挖掘电网潜在容量
TNYC系列抽油机专用高效永磁电机应用后, 电机的视在功率降低了50%以上。也就是说, 有一半左右的电网容量被重新开发出来了, 相当于电网的供电能力提高了1倍, 或者说相当于新建了1个变电所。这部分容量可以用来为加密井等新的产能建设项目供电, 减少变电所的建设费用, 极大提高电网的利用率, 充分挖掘电网的潜在容量。
(7) 更换容易、维护方便
TNYC系列抽油机专用高效永磁同步电动机选用时至少可比普通异步电动机降低一个机座号, 现场更换方法与原异步电机相同, 非常容易。其维护要求也与普通异步电机相同, 非常方便。该系列电机的磁钢温度可达150℃, 每台电机出厂时都进行严格的质量检验, 而且具有较完善的售后服务措施, 完全可以满足用户的要求。
四、稀土永磁电机技术发展趋势
1. 向高效节能方向发展
高效是指满载时效率高, 节能是指综合节能效果。如效率相同, 但使用对象不同, 节电效果也不同。一般的稀土永磁同步电机, 平均节电率高达10%, 某些专用稀土永磁同步电机, 如油田抽油机用电机, 节电率高达15%~20%。
电机节能是一项系统工程, 应该从各个方面寻求降低电能消耗的方法。系统输入功率包括配电电源、电动机的控制、电动机本身、电动机与负载的连接以及最终被驱动的负载匹配。例如, 根据国家统计局1989年统计, 全国各类泵类、风机约有3700多万台, 总配套装机容量1.1亿KW, 每年耗电量占全国用电量的1/3。国际先进水平是:风机、水泵本身运行效率一般在85%以上, 系统运行效率是80%左右。而目前我国国产设备的本体设计效率为75%, 系统运行效率不到30%, 电源浪费十分严重。这种状况目前并未改变。
欧美等工业发达国家, 提高电动机效率重点放在异步电动机上, 英国三相异步电动机的用电量占电动机总用电量的86%。美国和欧盟在37k W以下的电动机台数占总装机台数的95%, 所以把节能重点放在异步电动机上是理所当然的。
根据我国国情, 高性能的稀土永磁材料已实现产业化, 钕铁硼的产量现已居世界第一位, 钕铁硼的价格也趋向合理。计算结果统计资料表明, 中小型永磁同步电动机的效率可提高5%, 节电率10%, 某些专用永磁同步电机节电达15%~20%。所以发展永磁同步电动机是新世纪电机工业技术发展趋势之一。
2. 向机电一体化方向发展
要提升传统机电产品的水平, 必须紧紧抓住机电一体化这个环节。实现机电一体化的基础, 是发展各种机电一体化需用的各种高性能稀土永磁电机, 如数控机床用伺服电机, 计算机用VCM音圈电机。一台60把刀加工中心, 要配备30台伺服电机。变频调速稀土永磁同步电机和无刷直流电机是机电一体化的基础。
3. 向高性能方向发展
现代化装备向电机工业提出各种各样的高性能要求, 如军事装备要求提供给各种高性能信号电机, 移动电站, 自动化装备用伺服系统及电机, 航空航天用高性能、高可靠性永磁电机, 化纤设备用高调速精度变频调速同步电动机, 数控机床、加工中心、机器人用高调速比稀土永磁伺服电机, 计算机用高精度摆动电机及主轴电机等等。
4. 向专用电机方向发展
电机所驱动的负载千变万化, 如全部采用通用型电动机, 在某些情况下, 技术经济很不合理。因此国外大力发展专用电机, 专用电机约占总产量的80%, 通用电机占20%。而我国恰恰相反, 专用电机只占20%, 通用型电机占80%。专用电机是根据不同负载特性专门没计的, 如油田用抽油机专用稀土永磁电机, 节电率高达20%。这方面的节能潜力很大。电机工作者不仅要研究电机本身, 更应当研究所驱动负载的特性, 设计出性能先进、运行可靠、价格合理的稀土永磁电机产品。
5、向轻型化方向发展
航空航天产品, 电动车辆、数控机床、计算机、视听产品、医疗器械、便携式光机电一体化产品等, 都对电机提出体积小、重量轻的严格要求。有些还对产品形状提出要求, 如信息产品提出扁平化, 世界上最小的电机已达到Φ0.8mm、102mm, 用于医疗检测。
五、促进稀土永磁电机推广应用的建议
1. 自上而下要高度重视电机节能工作
自十一届三中全会以后, 国家开始重视节能工作, 明确提出:“开发与节能并重, 把节能放在首位”的能源方针。这一方针, 对开展、推动电机节能工作指明了方向。对我们油田而言, 各级领导、各级主管部门、各级管理人员都应该不断提高认识, 高度重视电机节能工作的有效开展。为此, 应当大力开展节能宣传教育活动, 增强企业全民节能意识, 特别是各级主管部门应把电机节能工作列入日常工作日程, 采取主管部门干预的办法, 淘汰耗能大的落后电机产品, 逐步推广新型节能电机。
2. 大力开展节能电机效果评价工作
目前存在的低效电机不能淘汰, 高效电机无法推广这一情况, 是和没能很好地开展节能电机的效果评价工作有关的。
因此, 为了能够大力推广节能电机新产品, 各级主管部门应有针对性地、很好地开展节能电机效果评价工作。
3. 电机选用时应和电机厂家密切联系, 合理选型。
使用单位在选电机时往往容量过大, 大马拉小车情况严重。电机负载率低, 不仅在价格上多投资, 而且能源浪费严重。负载率低的原因, 除选配人员思想保守外, 认为选配容量大一点的电机, 使用起来安全可靠。此外也有实际问题, 如电机的连接尺寸, 所传动机械的起动转矩、峰值功率大、机械产品在运转过程中负载有变化等, 如油田抽油机起动时需要较大的功率, 正常运转时, 功率就降低了。这样就需电机设计者与电机使用者密切结合, 研究设计起动转矩倍数高的产品。从而在选用电机时就可以减小配套电机容量, 这样既能减少投资, 又能节约能源。