高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的研究

高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的研究

0高速電機(jī)的定義近年來(lái)，磁體設(shè)計(jì)理論、能源電子技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)和控制理論的發(fā)展促進(jìn)了高速磁體無(wú)刷直流電機(jī)理論的完善。目前該領(lǐng)域是國(guó)際研究的熱點(diǎn),由于高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)具有功率密度高、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn),在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如,核材料的離心分離裝置、高速陀螺儀、旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)能裝置、高速電動(dòng)工具等?！案咚匐姍C(jī)”的定義本身并不是非常明確,對(duì)于大功率(數(shù)百千瓦或兆瓦級(jí))電機(jī)而言,每分鐘上萬(wàn)轉(zhuǎn)已是“超高速”了,但對(duì)于小功率(千瓦級(jí))電機(jī)而言,“高速”或“超高速”往往是指每分鐘10萬(wàn)轉(zhuǎn)以上。在高速和超高速運(yùn)行情況下,電機(jī)的運(yùn)行特性和常規(guī)電機(jī)有很大不同,對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)和控制技術(shù)提出了一系列新的研究課題。本文介紹了高速電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題,研制了2.3kW,15萬(wàn)r/min的高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)樣機(jī)和控制系統(tǒng),并結(jié)合空載試驗(yàn)對(duì)定子鐵耗和軸承損耗進(jìn)行了計(jì)算。1高速永磁機(jī)的關(guān)鍵1.1清度及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)理論,定子鐵耗表達(dá)式為:PFe=CFeK0(BB0)2(ff0)1.5GFe(1)f=np60(2)ΡFe=CFeΚ0(BB0)2(ff0)1.5GFe(1)f=np60(2)式中:CFe——修正系數(shù);K0——在磁通密度為B0、磁場(chǎng)頻率為f0的條件下測(cè)得的定子鐵耗,W/Kg;GFe——定子鐵心的質(zhì)量;n——電機(jī)的轉(zhuǎn)速;p——電機(jī)的極對(duì)數(shù)。為了降低磁場(chǎng)的頻率,減小定子鐵耗,一般轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)設(shè)計(jì)為1。參照式(1),可以通過(guò)降低K0來(lái)進(jìn)一步減小定子鐵耗,K0是由定子材料決定的。定子疊片最常用的是0.5mm和0.35mm的硅鋼片。硅鋼片越薄,K0越低,定子鐵耗越小。本文介紹的樣機(jī)采用價(jià)格較高的0.2mm硅鋼片加工定子鐵心,更薄的硅鋼片比較少見(jiàn),價(jià)格更高,且加工也不是很方便。由于高速電機(jī)的電磁頻率很高,選擇導(dǎo)線時(shí)要考慮集膚效應(yīng)的影響,采用相互絕緣的多股細(xì)導(dǎo)線并聯(lián)而成,每根細(xì)導(dǎo)線的半徑由式(3)確定:r≤(ωμσ)?1/2(3)r≤(ωμσ)-1/2(3)其中:r——導(dǎo)線的半徑;ω=2πf,f=2500Hz;μ——導(dǎo)線的磁導(dǎo)率;σ——導(dǎo)線的電導(dǎo)率。對(duì)于本文介紹的電機(jī),導(dǎo)線半徑r要小于0.94mm,因此繞組采用21股0.60mm的高溫銅漆包線并聯(lián)而成。額定運(yùn)行時(shí)的電流有效值為43A,電流密度為7.25A/mm2。對(duì)于一對(duì)極的永磁無(wú)刷直流電機(jī),定子槽數(shù)可以是3、6、12等。文獻(xiàn)分析對(duì)比了三種不同的定子結(jié)構(gòu),結(jié)果表明:2極6槽集中繞組結(jié)構(gòu)不僅繞組端部短,有利于減小轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度,提高轉(zhuǎn)子的固有頻率,而且有利于減小空間諧波引起的轉(zhuǎn)子渦流損耗。加工完成的定子如圖1所示。1.2空氣軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題在于:(1)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué);(2)轉(zhuǎn)子渦流損耗。電磁軸承需要非常復(fù)雜的控制系統(tǒng),軸承本身的體積可能比電機(jī)大得多,且長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性(尤其在振動(dòng)嚴(yán)重的場(chǎng)合)難以保證?？諝廨S承結(jié)構(gòu)稍微簡(jiǎn)單一些,但需要壓縮空氣,整個(gè)系統(tǒng)體積很大,耗能較多。本文采用精密的滾珠軸承,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中圖2(a)的軸承集中在轉(zhuǎn)軸一端,以便軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì),這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為單端式軸承支撐結(jié)構(gòu);圖2(b)的軸承分別放置在轉(zhuǎn)軸兩端,這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為兩端式軸承支撐結(jié)構(gòu)。采用有限元軟件對(duì)兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析,分析結(jié)果如圖3和表1所示。從表1可以看出,將單端式軸承支撐結(jié)構(gòu)改為兩端式軸承支撐結(jié)構(gòu),能夠提高轉(zhuǎn)子的臨界頻率,轉(zhuǎn)子實(shí)物如圖4所示。為了提高轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度,降低轉(zhuǎn)子渦流損耗,永磁體表面包裹一層高機(jī)械強(qiáng)度、低電導(dǎo)率的玻璃絲。2度比定額鐵心磁場(chǎng)為了實(shí)現(xiàn)高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行,采用帶霍爾位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)專(zhuān)用控制芯片MC33035作為控制系統(tǒng)的控制器。其基本構(gòu)成框圖如圖5所示。轉(zhuǎn)子位置信號(hào)通過(guò)互差120°電角度的三個(gè)霍爾位置傳感器編碼得到?；魻栯娐钒遄龀呻姍C(jī)的端壓板,為了減小布線長(zhǎng)度,中間的霍爾電路板安裝時(shí)反向180°。轉(zhuǎn)子永磁體長(zhǎng)度比定子鐵心兩端各長(zhǎng)2mm,用于提供霍爾位置傳感器所需磁場(chǎng)。高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)試驗(yàn)裝置采用高精度滾珠軸承,在有潤(rùn)滑的情況下,電機(jī)空載穩(wěn)定運(yùn)行于10萬(wàn)r/min,其電流波形如圖6所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示,其中空載損耗主要包括定子鐵耗、繞組銅耗、軸承損耗和風(fēng)摩損耗等。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高,空載損耗逐漸增大。文獻(xiàn)采用Bertotti分離鐵耗計(jì)算模型對(duì)高速電機(jī)的鐵耗進(jìn)行了詳細(xì)分析。本文采用電磁場(chǎng)有限元軟件對(duì)空載定子鐵耗進(jìn)行了計(jì)算,通過(guò)計(jì)算定子有限元磁場(chǎng)信息,查詢(xún)損耗曲線而得到。損耗曲線是定子材料在不同頻率情況下測(cè)試的定子鐵耗隨磁通密度變化的數(shù)據(jù)。0.2mm的硅鋼片WGT-200的損耗曲線如圖7(a)所示,電機(jī)額定轉(zhuǎn)速空載運(yùn)行時(shí),定子鐵耗分布如圖7(b)所示。由于永磁體表面包裹玻璃絲保護(hù)環(huán),轉(zhuǎn)子表面光滑,氣隙較大,轉(zhuǎn)子風(fēng)摩損耗并不嚴(yán)重。空載損耗減去計(jì)算的定子鐵耗和繞組銅耗近似等于轉(zhuǎn)子軸承損耗,如圖8所示。高速運(yùn)行時(shí),定子鐵耗和軸承損耗十分嚴(yán)重,10萬(wàn)r/min運(yùn)行時(shí),定子鐵耗和軸承損耗分別為353W和169W。3高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)備試驗(yàn)研究由于高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)功率密度高、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn),在很