交流永磁电机

交流永磁电机（精选8篇）

交流永磁电机 篇1

在当前大多数三轮农用运输车上, 广泛采用了永磁交流发电机。其优点是没有整流器和换向装置, 结构简单, 运行可靠, 易于维修, 且在负载状态下能自动调节电流使负载电压基本保持恒定, 缺点是永磁体会退磁及低转速时输出特性较差 (电压低) 。

1.定子线圈的修理

(1) 局部修理。

当线圈松动, 搭铁、抽头折断时可不必拆除线圈, 只进行局部修理。

①线圈松动:

线圈本身无短路、断路和碰铁故障, 只是在定子槽中有松动现象, 可在槽楔下塞入竹片或木片, 将线圈压实。若原槽楔损坏, 可另换新楔。

②线圈搭铁:

应先确定搭铁部位, 再把搭铁处用绝缘纸隔开, 并涂上绝缘漆。

③线圈抽头折断:

若断头在外部, 可直接焊好。若断头在线圈内部, 应从定子槽内取下线圈断头的一边, 焊好后, 用新绝缘纸垫好, 再涂上绝缘漆。

(2) 定子线圈的重绕。线圈损坏严重, 局部无法修复时, 应重绕。

①拆除旧线:

拆时应记录下线圈的线径、匝数及绕向, 以便重绕时参考。无现成模具时, 还应测出线圈的长、宽、厚等尺寸, 以便自制模具时参考。

②绕线圈:

一般按原用线号, 如发电机磁力很弱, 又无充磁能力时, 也可用小一号导线, 每只线圈多绕10%～20%匝。把绕组模具装到绕线机上, 导线抽头长60 mm, 缺口内预置棉线绳, 导线上套上绝缘管, 绕成线圈后, 再留抽头100 mm, 用棉线捆扎后, 拆开模具取下线圈。为使嵌线时不致弄错极性, 应把首只线圈翻转180°, 使两个对置的线圈绕向相反, 而嵌线后极性相同。用棉纱把此组的两只线圈并排捆好, 以防松散。

③嵌线:

在定子槽内放置好绝缘纸, 分别嵌入每组对置的两只线圈, 使过桥线的两端位于一侧, 塞入塑料板槽楔 (也可用竹楔) 。为使在后端盖接线方便, 每组线圈的首端抽头, 均应靠近端盖上的接线口, 焊好各接头, 并用棉线把各抽头沿线圈外围结扎。

检查有无短路, 断路、搭铁故障, 各线圈极性是否正确。当三根火线抽头在一起用单格蓄电池向定子各组同时通电时, 每只线圈中所产生的极性均应一样。最后进行浸漆绝缘处理。

2.爪极永磁转子的充磁

(1) 转子的拆卸。

①撬开锁片, 拧下爪极磁铁的压紧螺母, 压出磁体。沿两段磁体之间, 用手锯锯开环氧树脂浇注层后, 拆成两段。

②将带导磁片的磁环放于开水中煮后, 趁热剔除缝隙中的环氧树脂, 分开导磁片取出磁环。

(2) 磁环的充磁方法。

①将磁环夹在充磁机极掌中间, 使磁环的南极与充磁机的北极相对应。

②接通电源, 每次2～3 s, 连续进行4～5次即可。每接通电源一次, 要转动一下磁芯的位置, 以便获得均匀的充磁效果。在接通电源期间, 可用木棒轻击磁体以助磁化。

③充磁完毕后, 将各导磁片装上, 并用树脂类粘接剂粘合, 涂上填料后, 在常温下自行干燥, 不采用加温固化, 以防退磁。填料硬化后, 在车床上车光。

(3) 转子填料的配方。

①环氧树脂填料:

634环氧树脂100 g, 滑石粉20 g, 118固化剂30 g, 二甲苯2～3 g。

②脲醛树脂填料 (代用品) 。

脲醛树脂胶100 g, 蓄电池壳粉40 g, 石棉15 g, 氯化铵1～2 g。

(4) 爪极转子的安装。

先任意组装一段, 注意要保证两导磁片的中心定位突起位于同一侧。安装磁环时注意极性关系, 原则是同极性端相靠近, 可用试验办法检验:把没装导磁片的第二个磁环与之相靠合, 如吸力较大, 说明异极性相靠, 如“斥”力大, 说明同极性相靠, 符合安装时极性要求。在保证这一安装要求的前提下, 组装第二段导磁片, 最后用环氧树脂浇注填封。常温固化后, 在车床上检查并车去凸起的爪片。

3.星形转子的充磁

JF101 (或F30) 型发电机采用星形凸极式永磁转子。其充磁方法有下列两种:

(1) 用充磁机充磁。

万能试验台上的充磁接块为方形体, 为保证充磁时与转子极面接触良好, 应重做两个带弧面的充磁接块和弧形半圆护套, 半圆护套用5～6 mm的软钢制成, 内径与星形转子外径一样。充磁时, 套在其余四个暂不充磁的磁极上。

先找正极性, 即充磁机的N极对着被充磁转子的S极, 充磁机的S极对着被充磁转子的N极。每对磁极充磁时, 通电4～5次, 充完一对, 转过120°, 再充相邻的一对, 直至充完。

找极性的方法可借助于指南针。也可通过吸力与斥力的作用, 凭感觉方法找, 将转子任意两极放到充磁接块间, 转动位置, 在某一位置感到吸力变大, 说明极性找对了。

(2) 直接在发电机上充磁。

采用这种方法充磁时, 不必拆开发电机, 直接利用定子线圈通电后所产生的强磁场对转子充磁。充磁电源可用12 V蓄电池或220 V单相交流电, 将发电机上三个火线接线柱用截面不小于30 mm2的导线连接起来后, 接电源开关, 定子线圈的公共端接开关的另一根线。

充磁完毕后, 可用手转动皮带轮检查充磁效果。若每转60°, 感到转动较费力, 说明充磁效果好, 否则表明磁性不够, 可按上述方法重复进行充磁。

交流永磁电机 篇2

矢量控制是交流电机的一种高性能控制技术，最早由德国学者Blaschke 提出。其基本思想是根据坐标变换理论将交流电机两个在时间相位上正交的交流分量转换为空间上正交的两个直流分量，从而把交流电机定子电流分解成励磁分量和转矩分量两个独立的直流控制量，分别实现对电机磁通和转矩的控制，然后再通过坐标变换将两个独立的直流控制量还原为交流时变量来控制交流电机，大大提高了调速的动态性能。随着新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电机（PMSM）成为近年来发展较快的一种电机。它具有气隙磁密度高、转矩脉动小、转矩/ 惯量比大的优点，与传统的异步电机相比，节能效果明显、效率高、结构轻型化、维护容易、运行稳定、可靠性高、输出转矩大，得到了越来越广泛的应用和重视，是目前交流伺服系统中的主流电机。永磁同步电机的数学模型

永磁同步电机模块可工作于电动机方式或发电机方式，运行方式由电机电磁转矩符号决定（为正则是电动机状态，为负则是发电机状态）。对永磁同步电机模型作如下假设：不考虑铁心饱和，忽略端部效应；涡流损耗、磁滞损耗忽略不计；定子三相电流产生的空间磁势及永磁转子的磁通分布呈正弦波形状，忽略磁场的高次谐波；不考虑转子磁场的突极效应；永磁材料的电导率为零，永磁体的磁场恒定不变。运用坐标变换理论，可以得到在同步旋转的两相坐标系下（d-q）的永磁同步电机的数学模型。

电压方程为：

udRidPdq

uqRiqPqd

定子磁链方程为：

dLdidf

qLqiq

电磁转矩方程为：

Tenp(iqdidq)

式中：ud、uq、id、iq、d、q分别为d-q 轴上的定子电压、电流和磁链分量；R 为电机定子绕组电阻；Ld和Lq分别为永磁同步电机d-q 轴上的电感；f为永磁体在定子上产生的耦合磁链；ω 为d-q 坐标系的旋转角频率；Te为电机电磁转矩；np为磁极对数；p 为微分算子。空间电压矢量PWM 控制方法

空间矢量PWM（SVPWM）是近年来的一个研究热点。采用SVPWM 设计逆变器，可以大大减少开关动作次数，并且有利于数字化实现。空间矢量（SVPWM）法也称为磁链追踪型PWM 法或磁通正弦PWM 法，磁链追踪型PWM 法从电动机的角度出发的，着眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形旋转磁场。空间矢量法是一种无反馈型工作模式，它是以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的工作模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定变频器的开关模式，形成PWM波。空间矢量法是目前国际上比较先进的变频调速控制模式，由于其供给电动机的是理想磁链圆，因此，电压谐波分量少，转矩脉动小，电动机工作比其他方式更平稳，噪音更低，同时也提高了电动机的工作效率及电源电压的利用效率。

三相逆变器的6只开关管可形成8 种基本的电压空间矢量，它包括6 个有效电压空间矢量V1~V6和2个零电压空间矢量V0、V7。PMSM 矢量变换控制方法

由其数学模型可知，永磁同步电机是一个非线性的控制对象，且d 轴电流分量id和q 轴电流分量iq之间存在耦合，为使永磁同步电机具有和直流电机一样的控制性能，通常采用id=0 的线性化解耦控制，即始终控制定子电流矢量位于q 轴上，和转子磁链矢量正交。

Tenpfiq

式中：f为一个恒定的值，只要保证定子电流与d轴垂直，就可以通过q轴电流分量iq快速控制电磁转矩，达到与直流电机同样的控制性能。

矢量控制的基本思想是将交流电机模拟成直流电机的控制规律进行控制。首先，通过电机轴上安装的编码器检测出转子的位置，并将其转换成电角度和转速，给定转速和反馈转速的偏差经过速度PI调节器计算得到定子电流参考输入iq*。定子相电流ia和ib通过相电流检测电路被提取出来，然后用Clarke变换将它们转换到定子两相坐标系中，使用Park 变换再将它们转换到d、q 旋转坐标系中。坐标系中的电流信号再与它们的参考输入id*和iq*相比较，其中id*=0，通过电流PI 控制器获得理想的控制量。控制信号再通过Park 逆变换，经过SVPWM产生6路PWM 信号并经逆变器控制电机转速和转矩。PMSM 矢量控制系统仿真

MATLAB下的Simulink和SimpowerSystems包括各种功能模块，容易实现永磁同步电机矢量控制系统的仿真建模，直观而且无需编程，使系统设计从方案论证到硬件设计更为便捷，大大缩短了系统设计的时间。在Matlab7.0的Simulink环境下，搭建了采用iq=0的矢量控制双闭环系统仿真模型。PMSM系统建模仿真的整体结构包括PMSM本体和三相电压型逆变器模块（Simulink的SimpowerSystems库中已提供）、坐标变换模块以及SVPWM生成模块，按照转子磁场定向原理搭建的PMSM 控制系统模型如图1所示。

图1 PMSM控制系统仿真模型

其中SVPWM 的算法分析及仿真系统如下。

扇区号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ重新定义为Ⅲ、Ⅰ、Ⅴ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅱ后，根据下式计算扇区号N。

Nsign(V)2sign(Vsin60)Vsin304sign(Vsin60Vsin30)

为了便于SVPWM 算法的实现，定义如下变量：

X3VT/VDC

Y(33VV)T/VDC 2233VV)T/VDC 22Z(对于不同的扇区T1、T2，按表1 取值。

在仿真程序中，T1、T2 赋值后还要对其进行饱和判断，为了防止T1+T2>T 而发生饱和，设定若饱和发生则：

t1t2t1TPWM

t1t2t2TPWM

t1t2在一般的情况下，T1+T2

Ta(TT1T2)/4

TbTaT1/2 TcTbT1/2

则在不同的扇区内根据表2 对微控制器或数字信号处理器的比较寄存器Tcm1、Tcm2、Tcm3进行赋值，就可得到所需的电压空间矢量脉宽调制波形。

将上述模块连接生成SVPWM 整体模型，如图2 所示。

图2 SVPWM整体仿真模型 仿真结果及分析

仿真算法使用Matlab7.0 中Simulink 环境下的Variable-step，最大步长设为1e-6。给定PWM 周期TPWM = 0.1ms，逆变器直流母线电压400 V，PMSM 电机参数设置为：电机功率P = 1.2 kW，定子相绕组电阻R=2.875Ω，定子d、q 相绕组电感Ld=Lq=8.5 mH，转动惯量J=0.008 kg·m2，极对数p=4。在t=0时刻，给电机加负载转矩T=0起动，给定转速为600 rad/s；在t=0.05时刻，给定转速变为1000rad/s;在t=0.1时刻，负载转矩T=2N·m，仿真时间为0.2s。图3-给出了仿真实验波形。

图3 三相电流波形

图4 转速波形

图5 转矩波形

6.结论

CM500系列交流永磁伺服电机 篇3

CM500系列产品采用高性能稀土永磁材料和独特的电磁优化及结构设计, 机壳采用高强度铝材, 外形美观实用, 重量轻, 散热效率高;IP54高防护等级S1长时期工作制, 三防输出连接器, 充分保证产品卓越的可靠性能。

CM500系列产品的转子特殊结构和工艺, 保证电机高速运转平稳可靠;高性能的永磁材料和优化的电磁及结构设计、高精度反馈元件 (旋转编码器) , 使电机本身输出转矩脉动小, 运行平稳, 速度精度高。

交流永磁电机 篇4

1 交流永磁同步电机的数学模型

交流永磁同步电机主要由定子和转子两部分构成。定子中的三相绕组通过三相交流电产生旋转磁场;转子通常是在圆柱型铁磁材料内或表面装配有高性能的永久磁铁,比如稀土磁性材料或钕铁硼等以获得较强磁场,且转子磁场分布为正弦或近似正弦波形。当定子获得经过变频的三相电而在电机内部产生旋转磁场时,由定子和转子磁场的相互作用而产生转矩,该转矩推动转子以定子磁场同步的转速旋转,从而达到变频调速的目的。

为了便于分析,将电机作如下假设[2,3,4]:定子三相绕组对称,气隙均匀,忽略端部效应;忽略磁场饱和及铁损的影响,磁路是线性的;变频器提供理想三相电,忽略高次谐波;忽略转子轴的摩擦阻力。

电机电压平衡方程式为:

电机磁链平衡方程式为:

电机转矩表达式为:

电机运动方程为:

式中Ua、Ub、Uc为三相定子绕组电压;ia、ib、ic为三相定子绕组电流;ψa、ψb、ψc为三相定子绕组磁链;R、L、ψfr分别为定子各相绕组的电阻、电感、转子磁场的等效磁链;TL为负载转矩;λ、J、ω分别为电机极对数、转子转动惯量、转子电气角速度。

上式说明交流永磁同步电机是一个多变量耦合、非线性时变系统,直接利用传统线性控制理论无法实现对它的有效控制,因此必须对它进行变换和化简才有可能运用经典控制理论进行调节器的设计。

2 坐标变换与磁场定向控制

图1显示了交流永磁同步电机定子和转子坐标系。为了有效地应用磁场定向控制理论,首先将三相对称系统转换成两相正交系统,再将两相正交系统旋转θ角以便对直轴和交轴分量分别控制。

电压变换与电流变换相同,文中以电流变换为例。定子三相电流至两相正交电流的相互变换如下:

由于定子三相对称电流ia+ib+ic=0,因此零序电流分量可忽略。

定子坐标系两相正交电流与转子坐标系两相正交电流的旋转变换为:

将公式(5)至(8)代入公式(1)至(3)整理可得:

上两式中:电流向量为Idq=[id iq]T,电压向量为Udq=[ud uq]T,Rs=R,Ls=3L/2,。

由公式(9)和(10)可知,当ω不变时经过坐标变换后的电流是线性定常系统,特别是ψfs为常数时电磁转矩与iq成正比,这样可以通过控制电流的转矩分量iq来完成对电机电磁力矩的线性控制,从而获得良好的性能。

3 解耦及等效控制模型

将公式(9)进行Laplace变换可求出其传递函数结构如图2所示。

由图可见交直轴分量相互耦合,无法实现Ud和Uq分别对id和iq的控制,因此需要进行解耦。

采用现代控制理论的状态反馈解耦法[5],设电流环动态方程为:

其中。

加入状态反馈矩阵K后可得图3所示的电流环结构图。态反-=

Vdq为等效直交轴电压向量,Vdq=[Vd Vq]T,此时系统状态方程可以写成:

为了实现解耦[6],应使系统传递函数矩阵变成对角矩阵,即

从而可以求出K矩阵为:

经过解耦后公式(9)变为:

公式(4)变为:

其等效传递函数框图如图4所示。由此可见,尽管新的数学模型还是多变量的,但重要的是其交直轴分量已被解耦,可以分别实施独立的控制。

4 交流永磁同步电机的磁场定向控制

图5显示了交流永磁同步电机的磁场定向控制系统结构图。主回路采用电压型逆变器;控制部分可由微处理器、DSP或FPGA来实现[7,8],它主要用来完成电机定子电流和转子转速的采样,坐标系的旋转和变换,电流和速度PI调节器的实现及SPWM波形的生成。由于系统未覆盖恒功率弱磁调速区域,因此未对电流激磁分量进行调节,对转矩电流分量的调节位于转子磁场坐标系中。

5 系统调节器的设计

转矩电流调节器的设计原则是[9,10]:快速跟踪性能,克服电压扰动及反电动势影响,设置最大电流限制提供过流保护。经过解耦后转矩电流调节回路的实际传递函数结构图如图6所示,由SPWM波控制的IGBT逆变器可近似等效为带有放大倍数的一阶惯性环节,其传递函数为:Kp/(1+Tps);与直流电机相似,由于该方案未对定子电流激磁分量进行控制,可忽略反电动势,转矩电流分量与定子电压的传递函数为:(1/Rs)/(1+Tqs);故其电流环结构图变为图7。按典型I型系统设计可求出电流调节器的参数。

图中iqref为q轴电流给定量,iq为q轴电流实际量,Δiq为q轴电流差,Vqref为q轴电压给定量,Vq为q轴电压实际量,Ki为电流PI调节器比例系数,τi为电流PI调节器积分时间常数,Kp为变频器放大倍数,Tq为转矩电流环时间常数,Tp为变频器等效惯性时间常数。

速度调节器的设计原则是:动态跟随性好,静态无误差和具有较强的抗干扰能力。电流调节器在中频段可近似为一阶惯性环节,其传递函数为:(1/β)/(1+Tms);故角速度环结构图如图8所示,按典型Ⅱ系统设计可求出角速度环PI调节器参数。

图中ωref为电机给定转速,Δω为电机转速给定量与实际量之差,β为电流反馈的比例系数,Kω为速度PI调节器比例系数,τω为速度PI调节器积分时间常数,Tm为转矩调节等效延时。

6 MATLAB仿真结果

根据上述理论,针对一台1.1 k W交流永磁同步电机的电流和角速度双闭环控制,计算设计了电流和转速PI调节器。为了验证理论分析的正确性,文中利用MATLAB软件进行了仿真实验[11]。图9为用POWERLIB构造的系统结构图。图10为ωref=400 rad/s时的单位阶跃响应工作波形,由上至下依次为三相定子电流波形、两相交直轴定子电流波形、转速响应波形、转子位置角波形和电磁力矩波形。图11为IGBT逆变桥的相电压、线电压和相电流的启动工作波形。

由上述波形可以看出,在电机转子加速的启动过程中,id和iq被解耦,由于iq直接控制电磁力矩Te,因此两者波形相同,电机的机械角速度线性增加,超调量少,基本无振荡现象,过渡过程短(约为15 ms),显示了较好的伺服性能。

交流永磁同步电机的参数:定子电阻2.875Ω,定子绕组交直轴等效自感为8.5e-3 H,转子主磁通为0.175 Wb,转子的转动惯量为0.8e-3 kg·m2,转子摩擦系数为0,转子磁极对数为4,功率为1.1 kW,额定电压为220 V。

7 结语

文中针对交流永磁同步电机,根据电机矩阵理论和磁场定向控制理论,介绍了一种采用现代控制理论进行解耦并简化其数学模型的方法。该方法可以在其等效数学模型建立后运用经典控制理论设计调节器。MATLAB仿真实验结果证明了该法的可行性和有效性。需要指出的是理论上计算得出的参数具有较好的指导性和参考性,但系统调试时仍需根据具体情况进行适当调整,这样可以得到更加理想的效果。

摘要：介绍了一种采用磁场定向理论控制交流永磁同步电机的调速系统,应用现代控制理论对电机直交轴耦合分量进行了解耦,并利用经典控制理论设计了电流环和角速度环调节器。MATLAB仿真结果证明了该方法的有效性,但系统调试时仍需根据具体情况适当调整以得到更理想的效果。

关键词：交流永磁同步电机,磁场定向控制,MATLAB仿真

参考文献

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交流永磁电机 篇5

随着永磁同步电动机的广泛应用, 以永磁同步电动机作为被控对象的控制系统研究得到了越来越多的关注, 并己成为了当前的热点课题。文章从三相交流永磁同步电机的结构出发, 分析其工作原理, 建立起简单的数学模型。控制系统采用TI公司的DSP芯片作为系统控制器和PI作为控制算法, 进行相应的硬件系统和软件系统设计。

1 矢量控制的基本原理

经典的SPWM控制主要目的是使逆变器输出电压尽量接近正弦波。也就是说, 希望输出的PWM电压波形的基波成分尽量大, 谐波成分尽量小。由于电流波形还会受负载参数的影响, 而且交流电机需要输出三相正弦电流的最终目的是在空间产生圆形旋转磁场, 从而产生恒定的电磁转矩。因此, 可以将逆变器和电机视为整体, 按照跟踪圆形旋转磁场的方法来控制PWM信号, 这样的控制方法叫做“磁链跟踪控制”。由于磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的, 所以称之为“电压空间矢量控制”。

2 系统硬件设计

系统硬件包括以下几个部分:DSP控制模块, IPM模块, 系统的主电源与开关电源模块, 位置与速度传感器信号处理模块, 电流采样与处理模块, 主电路保护模块, 故障信号处理模块等。硬件整体结构如图1所示:

由图1可知, 控制部分采用了TI公司生产的TMS320F2407DSP作为处理器。该处理器主要负责执行系统整体控制策略, 处理输入输出信号及产生PWM信号, 此外也负责实现RS232、CAN总线及JTA6等接口的通信功能。IPM是系统的主电力驱动模块, 内部不仅集成了高性能IGBT开关器件及其驱动电路, 还具有过流、短路、过热及欠压等故障信号的输出, 是完成电机变频控制逆变环节的电力电子器件;电源部分为系统的各个模块进行供电。系统大体分为控制模块、驱动模块、人机交互模块三个部分。

3 系统软件设计

在硬件基础上根据交流永磁同步电机控制系统需要实现的各项功能进行软件设计, 是本控制系统中很重要的一部分。只有把硬件和软件紧密配合、协调一致, 才能构成高性能的应用系统。整体程序分为主程序和中断服务子程序两大部分。主程序主要作用是完成系统初始化和相关参数变量的赋值, 然后进入循环等待状态, 当中断信号到来时响应并执行相应的中断服务子程序。

中断服务子程序包括PWM中断服务子程序和外部中断保护子程序。整个矢量控制系统的主要控制思想:电流检测反馈、速度和位置采集、速度和电流的PI调节、矢量变换以及SVPWM等功能都在PWM中断服务子程序中完成。此中断模式以一定周期循环执行。PWM频率的选择要与电机的机电常数相适应, 文章选择的PWM频率为10KHz即采样周期T为100us。系统软件的中断服务子程序流程框图如图2所示。

4 结束语

文章研究并设计了基于DSP的交流永磁同步电机控制系统, 并收到了较好的控制效果。交流永磁同步电机控制是一个复杂的课题, 由于学识水平、时间等各方面的限制, 与系统特定功能的实现还有一段距离, 有待于在将来的科研实践中进行进一步的研究, 在后续研究中可以采用譬如模糊控制等更为先进的控制算法, 可以对硬件选型进行优化, 并优化软件编程。

摘要：随着电力电子技术、微电子技术、电机制造技术、现代控制理论和计算机技术的发展, 交流永磁同步电机交流矢量控制系统以其控制精度高、可靠性强等优点得到了广泛的应用。由于受电机参数变化、负载扰动等因素的影响, 要获得高性能的永磁同步电机矢量控制系统, 必须设计高精度和高可靠的伺服控制器, 使系统具有较强的适应性和较强的抗干扰能力。因而, 文章研究基于DSP的交流永磁同步电机矢量控制系统。

关键词：永磁同步电机,伺服控制器,DSP,矢量控制

参考文献

[1]李一凡.基于DSP的永磁同步电动机控制系统研究[D].哈尔滨工程大学, 2007.

[2]符曦.高磁场永磁式电动机及其驱动系统[M].北京:机械工业出版社, 1997:60-83.

[3]吴志友.基于DSP的交流电机矢量控制系统的研究[D].大连交通大学, 2007.

[4]陈伯时.电力拖动自动控制系统与运动控制系统[M].北京:机械工业出版社, 2004.

浅谈永磁材料和永磁电机 篇6

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.

AC永磁电机 篇7

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。

稀土永磁电机技术及应用探讨 篇8

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。