現代電機技術及其應用

1、現代電機技術及其應用黃蘇融（上海大學自動化系200072, email: srhuang）摘 要：傳統(tǒng)的交流電機設計思想是約束在正弦波電壓源供電與徑向磁場結構基礎上。然而,電力電子逆變器與電機的結合，以及開關磁阻電機、無刷直流電機、軸向磁場電機和橫向磁場電機的出現則打破了這一傳統(tǒng)理念，促使電機設計技術新的變革和創(chuàng)新，導致了逆變器供電電機。逆變器供電電機的設計則建立在電機本體和逆變器的最佳融合以及與電子驅動負載 轉矩特性的配合上。本文論述了現代電機技術的主要發(fā)展過程、現狀與近期的研究熱點。關鍵詞：逆變器供電電機 汽車線控電子化 現代電機設計1引言電機設計是傳統(tǒng)電氣工程的一個重要分支，早在二十世紀

2、二十年代至二十世紀三十年代初期，異步電機、同步電機等傳統(tǒng)電機設計技術的研究已達到頂峰。在被稱之為電機設計技術研究的第一個黃金年代的這一時期1,幾乎所有的交流電機設計被約束在正弦波電壓源供電基礎上，這就不可避免地導致傳統(tǒng)的異步電機和同步電機必須采用正弦分布的定子繞組 以最佳匹配正弦波電壓源供電。電力電子變換器的發(fā)展，給電機設計研究者提供了打破正弦波電壓源供電約束的可能性；然而，在相當長的一段時期內，交流電機設計仍然被束縛在正弦波逆變器電壓源供電基礎上。二十世紀七十年代， 隨著電力電子技術的發(fā)展，電流控制型逆變器首先在異步電機驅動系統(tǒng)中成功應用。開關磁阻電機研究熱的興起和無刷直流方波電機理論的不斷

3、完善，促使電機設計理念產生新的變革和創(chuàng)新。于是，電機研究者開始探索思考：難道三相仍是交流電機的最佳相數嗎？正弦波電壓源仍是電機的最好波形嗎？甚至徑 向氣隙磁場結構是電機的唯一結構嗎？電力電子逆變器與電機的結合，永磁材料的廣泛應用和新型軟磁鐵芯的不斷出現，導致了電機結構、設計、性能和制造技術方面的革命，促使逆變器供電電機家族（Converter FedMachines）迅速壯大。主要有開關磁阻電機、雙凸極永磁電機、無刷直流永磁電機、無刷永 磁同步電機、軸向磁場電機、橫向磁場電機和具有磁場控制能力的永磁電機等。八十年代初期發(fā)展至今的逆變器供電電機技術被稱之為電機設計的第二個黃金年代1?，F代電機設計

4、是建立在逆變器供電電機基礎上，典型的逆變器供電電機驅動系統(tǒng)如圖1所示。當今，電流控制型電壓源PWM逆變器（CRPWM）已成為高性能電機控制器的基本部分；逆變器供電電機的設計和系統(tǒng)性能仿真被建立在電機本體和逆變器的最佳融合以及與電(59877014)本研究項目與美國威斯康星大學T.A.Lipo教授合作并得到中國國家自然科學基金資助子驅動負載轉矩特性的配合上。現代電機設計技術的發(fā)展，不僅促進了電機學科不斷向前發(fā)展，而且?guī)恿松逃迷O計軟件的開發(fā)，目前國際電工界公認的設計軟件有Ansoft, Magsoft和Speed等。Ansoft軟件已提供了從電機概念設計、自動產生有限元分析和系統(tǒng)仿真模型到深 入

5、分析直至含控制電路、控制算法在內的電子驅動系統(tǒng)仿真。圖1典型的逆變器供電電機驅動系統(tǒng)2現代電機的幾個研究熱點與發(fā)展趨勢電機與電力驅動系統(tǒng)是傳統(tǒng)的老學科。近年來，隨著世界軍事技術革命和工業(yè)電氣自動化的需求以及世界經濟一體化發(fā)展的趨勢，推動了新型逆變器供電電機的研究和發(fā)展。當前，高密度、高效率、輕量化的電子驅動系統(tǒng)的研發(fā)已成為軍事裝備的一個技術制高 點。在某些軍事領域，如艦艇、坦克等的內燃機動力系統(tǒng)將逐步被小型緊湊的高密度電力驅 動系統(tǒng)所取代。具有快速響應能力的高密度電力驅動系統(tǒng)大大提高了坦克等軍用車載的快速 應戰(zhàn)能力。在艦艇推進動力系統(tǒng)中，高密度低噪聲的電力驅動系統(tǒng)取代體積龐大的內燃機動力系統(tǒng)后

6、，不僅提高艦艇的快速應戰(zhàn)能力和隱蔽性，而且小型緊湊的高密度電力驅動系統(tǒng)便于安置在艦艇的適當位置而不易被對方火力所擊中，使得艦艇推進系統(tǒng)更具有安全性、可靠性2-3。高密度、高效率、輕量化也是各種車輛驅動系統(tǒng)和航空發(fā)動機一高密度發(fā)電機組的 關鍵性能指標。近年來，運用航空發(fā)動機一高密度發(fā)電機組技術開發(fā)的高密度、高效率、輕 量化的備用電源和移動電源在國際市場上供不應求。高密度、低成本、具有寬廣的恒功率調速范圍的車輛牽引電機的研發(fā)是一個頗有挑戰(zhàn)性 和競爭性的課題。高性能、低成本的電子驅動和電子伺服系統(tǒng)的研發(fā)是國際電工界的一個新 的熱點。為此，促進了內置式永磁同步電機驅動系統(tǒng)，具有弱磁結構的永磁電機驅動系

7、統(tǒng)、 同步磁阻電機驅動系統(tǒng)、雙凸極永磁電機驅動系統(tǒng)和開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的深入研究4。汽車線控電子化(X-by-wire)技術的發(fā)展，給電子驅動系統(tǒng)和電子伺服系統(tǒng)的發(fā)展帶來了 極大的機遇和挑戰(zhàn)，圖2是下一代線控電子化概念汽車模型。線控電子化技術將汽車各種電子轉向、牽引、制動、懸掛等各種獨立的控制系統(tǒng)進行線控電子化連接，實行一體化底盤控制系統(tǒng)。線控電子汽車四輪轉向和電子牽引系統(tǒng)采用四個車輪電機及其伺服技術，可以不需要機械聯接，每個輪子上都會有一個DSP信號處理器，通過裝在每個輪子上的電機來控制轉向和牽引，使汽車四輪轉向變得非常容易，靈活性和安全性大大提高。線控制動系統(tǒng)(Elec.Brake-by

8、-wire)直接對車輪進行制動控制與牽引控制，使汽車迅速剎車或減速，防止事故發(fā)生。圖3是線控電子動力轉向系統(tǒng)(Elec. Power Steering)，在這個系統(tǒng)中不僅削減了相當多的機械部件，如液壓泵等；而且節(jié)能10%左右。linillWMHfeD*#*«tCoDllni AJ(Jit -FourWBuiFvrTMvifww-Whwl EIrna!奸VftvtF QIkIfalLiatrii-WlFV wHh IPiHjr-WfbMlMtfpPW-Mh*Hwt Fwp-CIlHut*Provkta* p<hw vi. im KCjttef MhsfiBwb- hMC rqpM

9、>OfM麗H CihrFHU CMH|dr*M«rUntil Unique McHbiNty M<3tdr 福御Unil (MPU)tamarH N«i¥liJ« 聊MhhUmnlKwR l4djr tlrurtu-ra And tilariDr PHfHtaiFtackLBD Th JI I.BKtWOfWM JMf Khrftea10圖2下一代線控電子化概念汽車模型EPAS SCHEMATIC ARPAmGEMEM圖3線控電子動力轉向系統(tǒng)隨著汽車線控電子化技術的應用，安全集成系統(tǒng)、自動巡航系統(tǒng)等軍事高新技術將逐步運用到汽車上；遇有緊急事故

10、，安全集成系統(tǒng)自動運用防抱死制動裝置和牽引力控制裝置，汽車便自動剎車或轉向， 防止事故發(fā)生，使汽車的安全性、舒適性、智能性提升到最大限度。汽車電子化技術的發(fā)展， 使得汽車用電機及其驅動裝備快速增長，汽車工業(yè)將由傳統(tǒng)汽車向電子化汽車過渡，機械驅動向電子驅動發(fā)展。 許多傳統(tǒng)的汽車機械部件將逐步減少，汽車的操縱性以及汽車的總體結構大大改善，汽車設計的靈活度也大大增加，汽車的零部件將進行脫胎換骨的更新與產業(yè)結構調整。為提高車輛電力驅動系統(tǒng)零部件在全球的競爭力，產品的高可靠性和低成本至關重要。由此，采用鐵氧體磁鋼聚磁結構的永磁電機、車輪電機、汽車動力傳動與電機一體化部件的研發(fā)成為一個新的熱點，車輛電力電

11、子專用集成模塊IPEC的研發(fā)是一個新的技術制高點。圖5牽引電機、逆變器與水冷結構一體化部件3. 開關磁阻電機與雙凸極永磁電機的發(fā)展電流控制型電源和變磁阻概念電機的結合導致了開關磁阻電機驅動系統(tǒng)，也稱為雙凸極電機驅動系統(tǒng)。1980年，英國學者P.J.Lawrenson及其同事們在IEE會議上系統(tǒng)地介紹了他 們的工作成果，在國際上奠定了現代開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的地位7。20年來，雙凸極電機驅動系統(tǒng)作為一種新型調速系統(tǒng)已成功地用于車輛牽引、風機、泵及卷揚機等工業(yè)應用領域。1994年至1998年期間，美國學者T.A.Lipo教授及其助手們提出了多種雙凸極永磁電機 和具有磁場控制能力的雙凸極永磁電機，引

12、起了汽車工業(yè)界和美國空軍的興趣8-12,雙凸極永磁發(fā)電機已應用于美國空軍的戰(zhàn)斗機發(fā)動機的起動發(fā)電裝置13。圖6是幾種典型的雙凸極電機結構。4. 橫向磁場電機的發(fā)展二十世紀八十年代德國學者Weh教授及其助手們提出了一種新型高密度電機一橫向磁場電機14，橫向氣隙磁場電機被建議用作牽引電機和推進電機14-17。圖7是幾種典型的橫向磁場環(huán)形繞組電機結構，圖 8是用于美國海軍艦艇推進系統(tǒng)的20 MW橫向磁場電機15。常規(guī)結構的三相6/4極雙凸極電機7雙凸極永磁電機8-9帶有磁場繞組的雙凸極永磁電機帶有機械弱磁調節(jié)的雙凸極永磁電機1210-11圖6典型的雙凸極電機結構U型定子鐵芯兩相環(huán)形繞組結構E型定子鐵

13、芯兩相環(huán)形繞組結構C型定子鐵芯單相環(huán)形繞組結構圖7典型的橫向磁場環(huán)形繞組電機結構圖8美國海軍艦艇推進系統(tǒng)的20 MW橫向磁場電機結構5. 軸向磁場盤式電機的發(fā)展進入二十世紀九十年代后，軸向磁場盤式電機的發(fā)展引起了人們的興趣，并成功應用于汽車發(fā)電機和電動車輛的車輪電機18-20,圖9是幾種典型的軸向氣隙磁場輻射式盤形繞組電機結構，圖10是幾種典型的車輪電機傳動系統(tǒng)。高密度高效率低噪聲的艦艇電力推進系統(tǒng)的研發(fā)推動了軸向磁場盤式電機的深入研究。1998年至2001年期間，上海大學與美國威斯康星大學T.A.Lipo教授合作提出了多種新型高密度軸向磁場盤式電機結構，并對軸向磁場電機的設計技術和性能分析評

14、估方法展開了深入的研究，同時還探索了具有磁場控制能力的軸向磁場永磁電機模型1-2, 21-27。圖11是具有磁場控制能力的 TORUSNS型盤式永磁電機結構，該電機被建議應用于混合型電動汽車的電力驅動裝置中。單定子、單轉子軸向磁場電機雙定子、單轉子軸向磁場電機單定子、雙轉子軸向磁場電機圖9典型的軸向磁場輻射式盤形繞組電機結構Vehide body圖10典型的車輪電機傳動系統(tǒng)rotor core magnet ironpiece 'stator .core field windingsa-c *a 互 bL- -EE.lf-FIFn>w.ltl>lcAltJ-E 一圖11具有

15、磁場控制能力的 TORUS NS1盤式永磁電機結構6. 軸向磁通環(huán)形繞組永磁電機的發(fā)展隨著汽車電氣自動化技術的發(fā)展，低成本、高密度車用電機開發(fā)是車輛電氣自動化產業(yè)面臨的的一個難題。1998年至1999年期間，上海大學和美國威斯康星大學合作開發(fā)了單相軸向磁通環(huán)形繞組永磁電機，如圖12所示。該電機的特點是，采用鐵氧體磁鋼的聚磁結構既能滿足低成本要求又可改變定子磁極的軸向長度來達到高氣隙磁通密度數值；環(huán)形定子繞組的最大優(yōu)點是，該繞組匝鏈所有磁極的磁通并且無繞組端部，有利于提高電機密度。 該電機存在的問題是，電機的轉矩脈動大、起動性能差。2000年至2001年期間，上海大學和美國威斯康星大學采用軟磁粉

16、末鐵芯開發(fā)了兩相軸向磁通環(huán)形繞組永磁電機，如圖11所示。軟磁粉末鐵芯的應用既解決了三維磁路結構電機的迭片困難又降低了定子鐵芯加工費用，兩相軸向磁通環(huán)形繞組永磁電機結構有效地降低了電機的轉矩脈動和提高起動性能，被建議用作汽車起動電機/發(fā)電機裝置和風機調速系統(tǒng)。軸向氣隙環(huán)形繞組永磁電機模型軸向氣隙環(huán)形繞組永磁電機樣機徑向氣隙環(huán)形繞組永磁電機樣機徑向氣隙環(huán)形繞組永磁電機模型圖12單相軸向磁通環(huán)形繞組永磁電機徑向氣隙環(huán)形繞組永磁電機模型徑向氣隙環(huán)形繞組永磁電機樣機圖13兩相軸向磁通環(huán)形繞組永磁電機7. 結束語本文論述了現代電機技術及其應用的發(fā)展。新一代逆變器供電電機是建立在電機本體和逆變器的最佳融合以

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