（电机与电器专业论文）基于自适应观测器的可控磁通永磁同步电机控制系统研究.pdf

a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm a c h i n e ( p m s m ) h a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o nb y r e s e a r c h e r si nt h em o t o ra n dc o n t r o ls y s t e mf i e l d s b e c a u s eo fi t se x c e l l e n t p e r f o r m a n c ef o rs m a l lc u b a g e ，g r e a tp o w e rd e n s i t ya n dg o o de f f i c i e n c y t h eu s e o fi t i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ew i d e s p r e a d i ti sd i f f i c u l tt oa d ju s tt h ep e r m a n e n t m a g n e t i cf l u xw h i c hl e a d st o t h eh a r d n e s so fr i s i n gs p e e da b o v er a t e dv a l u eb y p m f l u x w e a k e n i n g i nt r a d i t i o n a lp m s m t h ei n t e r i o rc o m p o s i t e r o t o r c o n t r o l l a b l e f l u xp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm a c h i n ei san e w s t r u c t u r em o t o r i tm a k e sf u l lu s eo ft h ea d v a n t a g e so fn b f e bp e r m a n e n tm a g n e t ( p m ) ，w h i c hh a s h i g hr e m a n e n tf l u xd e n s i t y r ) a sw e l la sc o e r c i v ef o r c e ( 鼠) ，a n da l n i c op m ，w h i c h h a sh i g h b u tl o wh pt h e s ep m sa r ef i t l yp l a c e di nt h er o t o rs p a c e s ，a n dt h e i rs i z e s a r ed e c i d e da p p r o p r i a t e l yt om a k et h e mw o r kw e l lt o g e t h e r w i t ht h ep r o p o s e d s t r u c t u r e ，t h es p e e do fp m s m sc a nb ec o n t r o l l e db yaf i e l d w e a k e n i n gr e g i m ei n s i g n i f i c a n t l yw i d er a n g ew i t h o u tl o s i n ga n yb a s i cp e r f o r m a n c eo f t h em o t o r i nt h i sp a p e r ，t h ep r i n c i p l eo fi n t e r i o rc o m p o s i t e - r o t o rc o n t r o l l a b l e f l u xp m s m i sr e s e a r c h e da n da n a l y z e di nd e t a i l a c c o r d i n gt oi t sc h a r a c t e r i s t i c ，t o g e t h e rw i t h t h em e t h o d so fv e c t o rc o n t r o la n dt h ew e a km a g n e t i cc o n t r o l ，t h ec o r r e s p o n d i n g c o n t r o ls t r a t e g yh a sb e e np r o p o s e da n dc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d w h e nt h e m a c h i n eo p e r a t i n gs t e a d i l y , t h ev e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yi sa p p l i e dt ot h es y s t e m ，w h i c h m e a r t st h ed - a x i sc u r r e n t 珀= 0a n dt h e nt h ea r m a t u r ec u r r e n te q u a l st oq - a x i sc u r r e n ti q w h e nt h em a c h i n en e e d st oo p e r a t ea th i g ho rl o ws p e e d ，i tc a nb ea c h i e v e dw i t ht h e h e l po fm a g n e t i cf l u xc o n t r o l l e rt of u l f i l lt h em a g n e t i cf l u xa d j u s t m e n t t h r o u g ht h e c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fg i v e ns p e e d 陀f ，a c t u a ls p e e d ，d i r e c t - a x l ec u r r e n t da n d c r o s s a x i sc u r r e n t q ，t h em a g n e t i cf l u xo b s e r v e dv a l u ea c q u i r e db yt h em a g n e t i cf l u x o b s e r v e ra sw e l la st h em a c h i n e sh i s t o r yw o r k i n gc o n d i t i o n ，t h ea m p l i t u d ea n ds i z eo f d i r e c t a x i sc u r r e n ti dc a nb eo b t a i n e d b yi m p o s i n gad a x i sc u r r e n tp u l s ew h o s e d i r e c t i o na n da m p l i t u d ec a nb ec h a n g e di nt h es t a t o rw i n d i n g s ，t h u st h em a g n e t i cf l u x o fr o t o rm a g n e th a sc h a n g e da sw e l la sa c h i e v e dt h ew e a k n e s so fm a g n e t i s m a f t e r m a g n e t i z a t i o nt h em a c h i n e r e t u r n st os t e a d yo p e r a t i o nw i t ht h e 妇= 0 d u r i n gt h ep r o c e s so ff i l e d w e a k e n ，t h eo b s e r v a t i o no fr o t o rf l u xi s o fu n i q u e i m p o r t a n c e ，w h i c hi n f l u e n c e st h ew e a k n e s sm a g n e t i s mr e s u l td i r e c t l y t h et r a d i t i o n a l m e t h o d so ff l u xo b s e r v e r sa r eb a s e do nt h ei n v a r i a b l es y s t e m ，p o s s i b l yc a u s i n gt h e e r r o ro fs y s t e m i no r d e rt oe s t i m a t ep a r a m e t e r so fp m s mo n l i n ea n dr e a l - t i m e ，a m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ef l u xo b s e r v e ri sp r o p o s e di nt h ep a p e r t h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t si l l u s t r a t et h ev a l i d i t ya n de f f i c i e n c yo f t h ep r o p o s e dm e t h o d k e y w o r d ：i n t e r i o rc o m p o s i t e - r o t o r , c o n t r o l l a b l e f l u x ；p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm a c h i n e ；v e c t o rc o n t r o l ；m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v e ；f l u xo b s e r v e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得一丞鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：同礁坞签字日期： 炒7 年f 月菇日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤垄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 瓜攉鸱 签字日期：1 邓瞄日 导师签名： 、 懈1 签字日期：加7 年j 月罗日 v 第一章绪论 1 1 永磁同步电机的发展 1 1 1 永磁同步电机的发展概况 第一章绪论 电机是以磁场为媒介进行机械能与电能相互转换的电磁装置。为在电机内建 立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法。一种是在电机绕组内 通电流产生，既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电 流流动，例如普通的直流电机和同步电机；另一种是由永磁体来产生磁场，既可 简化电机结构，又可节约能量，这就是永磁电机【1 2 】。 永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的。上世纪8 0 年代之前，特 别是价格相对较低的钕铁硼永磁体出现之前，人们使用稀土钴作为永磁材料，而 其价格昂贵，高性能的永磁电机的只是局限于航空、航天等要求高性能而价格不 是主要因素的高科技领域。进入9 0 年代以来，随着钕铁硼永磁材料性能的不断 提高和完善，特别是其热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低，以及电力 电子器件的进一步发展，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得 越来越广泛的应用，稀土永磁电机的研究开发进入了一个新的阶段【3 】。一方面， 稀土永磁电机向大功率化，多功能化和微型化等方向发展，另一方面，永磁电机 的设计理论、计算方法、结构工艺和控制技术等方面的研究工作出现了崭新的局 面，相关的学术论文和科研成果大量涌现，形成了以电磁场数值计算和等效磁路 解析求解相结合的一整套分析研究方法和计算机辅助设计软件。 永磁同步电动机的发展与永磁材料、电力电子技术、计算机技术、电机控制 理论的发展密不可分。随着永磁材料性能和电力电子器件性能价格比的不断提 高，现代控制理论、微机控制技术和电机制造工艺的迅猛发展，新磁路结构的不 断涌现，在永磁同步电动机理论分析、设计和运行控制中不断出现许多有待进一 步深入研究的新课题。 1 1 2 永磁同步电机的特点 与电励磁电机相比，永磁电机具有以下特剧1 】： ( 1 ) 取消了励磁系统损耗，提高了效率； ( 2 ) 取消了励磁绕组和励磁电源，结构简单，运行可靠； 第一章绪论 ( 3 ) 稀土永磁电机结构紧凑，体积小，重量轻； ( 4 )电机的形状和尺寸灵活多样。 由于永磁电机的这些显著优点，因而在航空航天、国防、工农业生产和日常 生活的各个领域有着广泛的应用，正向在大功率化、高功能化和微型化发展，永 磁电机的品种和应用领域不断扩大。 一 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，永磁体提供的磁通替 代电励磁同步电机的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配 费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因 无需励磁电流，无励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而永磁同步电 动机是近年来研究较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。 1 2 永磁同步电机的控制策略 任何电动机的龟磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。直流电动 机的主磁场和电枢磁场在空间互相正交，因此可以独立调节；交流电机的主磁场 和电枢磁场互不垂直，互相影响。因此，长期以来，交流电动机的转矩控制性能 较差。经过长期研究，目前的交流电机控制有恒压频比控制、矢量控制、直接转 矩控制等方案。随着电力电子技术的发展，其调速方法及应用得到了迅速的发展。 1 2 1 恒压频比控制 恒压频比控制是一种开环控制。它根据系统的给定，利用脉宽调制技术逆变 为所期望频率的输出电压，使电动机变速运转。在一些动态性能要求不高的场所， 由于开环变压变频控制方式简单，至今仍普遍用于一般的调速系统中。 但因其依据电动机的稳态模型，无法获得理想的动态控制性能。因此，要想 获得较好的动态性能，必须依据电动机的动态数学模型。永磁同步电动机的动态 数学模型为非线性、多变量，它含有角速度c o 与定子直轴电流站或交轴电流晶 的乘积项，因此要得到精确的动态控制性能，必须对c o 和如、厶解耦。近年来， 研究出了各种非线性控制器用于解决永磁同步电动机的非线性特性【4 】。 1 2 2 矢量控制 高性能的交流调速系统需要现代控制理论的支持，对于交流电动机，目前使 用最广泛的当属矢量控制策略。自1 9 7 1 年德国西门子公司f b l a s c h k e 提出矢 量控制原型5 1 ，该控制方案就倍受青睐。因此，对其进行深入研究。矢量控制的 基本思想是：在普通的三相交流电动机上模拟直流电机转矩的控制规律，通过磁 第一章绪论 场定向坐标矢量变换，将三相交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩 电流分量，并使这两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别调节，以获得像直流 电动机一样良好的动态特性。矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置 ( 频率和相位) 的控制。矢量控制的目的是改善转矩控制性能，最终的实施是对妇、 乇的控制。由于定子侧的物理量都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转， 因此调节、控制和计算都不方便。需借助复杂的坐标变换进行矢量控制，而且对 电动机参数的依赖性很大，难以保证完全解耦，会影响控制效果 6 - 1 0 】。 1 2 3 直接转矩控制 直接转矩技术由德国学者d e p e n b r o c k 首先提出【l ，其主要是针对异步电机。 直接转矩控制不同于矢量控制技术，其不需要磁场定向和矢量变换来间接控制转 矩，而是直接控制磁链和电磁转矩，在静止坐标系中直接计算电机磁链和转矩的 实际值，经磁链和转矩的b a n g b a n g 控制产生磁链和转矩的增、减控制信号，然 后对开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。从而解决了矢量控制技 术中使用电机参数多，控制性能收转子参数变化的影响大，转矩通过控制电流和 磁链来间接控制，矢量变换计算复杂等不足。近年来，随着现代控制理论和智能 控制理论的引入，使直接转矩控制技术得到了进一步改善和提高 1 2 - 1 8 1 。然而，直 接转矩控制的弱点也很明显，在稳态运行时，转矩、电流及定子磁链脉动较大， 特别是在低速运行时，磁链与转矩的估计受电机的参数影响严重。目前，许多学 者尝试着将直接转矩控制应用于永磁同步电机。但直接转矩控制需要在运行中保 持定子磁链幅值为额定值，然而这对于永磁同步电机来说并不合理。因为当负载 变化时，定子交轴电流就会相应变化，相应的定子交轴磁链就发生变化，要保持 定子磁链幅值的恒定，就必须改变直轴电流，以维持定子磁链不变，但i d 不仅 会影响电机转矩，而且会使铜耗增加。另外现代永磁电机大都使用稀土钕铁硼永 磁体，其对温度敏感，随着转子温度的变化，转子磁链幅值变化也很大，这对于 控制磁链的幅值不变也非常不利 1 9 - 2 2 】。 1 2 4 弱磁控制 永磁同步电动机在低速时为恒转矩运行控制区，而弱磁控制可以实现高速时 能输出恒定功率，有较宽的调速范围。较强的弱磁能力能够在逆变器容量不变的 情况下提高系统性能，或者说在保持系统性能不变的前提下降低电机的最大功 率，从而降低逆变器的容量1 2 引。因此，对永磁同步电动机进行弱磁控制并且拓宽 弱磁范围有着重要的意义。弱磁控制通常有两种主要方法，即从改进控制方法角 度提高永磁同步电动机的弱磁能力，从电机结构设计提高永磁同步电动机的弱磁 第一章绪论 能力。研究人员在此方面做了深入的研究。永磁同步电动机的转子磁场由永磁体 产生，因此，不可能直接被减弱。其弱磁控制是利用直轴电枢反应使电机气隙磁 场减弱，从而达到等效于减弱磁场的效果【2 4 。2 7 1 。其大多数都是从控制策略的角度， 来提高永磁同步电机的弱磁性能。但永磁电机弱磁的根本原因是因为其磁路结 构，因此许多学者在永磁电机的结构上进行了尝试。例如采用在永磁段加磁阻段 的复合转子结构永磁同步电动机 2 8 - 3 1 】、混合励磁永磁同步电动机 3 2 - 3 6 1 以及可控磁 通永磁同步电动机 3 7 - 3 8 】。本文研究的主要内容即在内置混合式转子可控磁通永磁 同步电机基础上进行的。 1 2 5 先进的控制策略 随着各种新的控制理论的引入与完善以及计算机等相关技术的发展，一些新 的控制方法，如自适应控制、变结构控制、神经网络控制等也已经应用于永磁电 机的控制系统中【3 9 - 4 6 1 。自适应控制是为了应对控制对象的复杂化：动态特性不可 知性而产生的。目前自适应控制已广泛用于永磁同步电动机控制系统中进行参 数辨识，克服电机参数不准确带来的影响。另一方面自适应控制被用作进行速度 和位置的辨识，从而省去速度和位置传感器，降低系统成本，提高系统可靠性。 滑模变结构控制方法由于在电机动态运行时，对外界的干扰并不敏感，而且能避 开负载或参数变化时对电机动态性能的影响，近年来，被国内外学者用于永磁同 步电动机控制系统。将人工神经网络应用到永磁同步电动机控制中，解决了在永 磁同步电动机控制中最为复杂的系统的动态特性变化、系统的不确定性问题，利 用这种控制方法，能够获得满意的控制效果。相关的研究还在进一步深入中。 1 3 本课题研究目的及内容 1 3 1 研究目的和意义 主要对内置混合式转子可控磁通永磁同步电机的矢量控制与增去磁控制进 行了研究。内置混合式转子可控磁通永磁同步电机的最大优点是：在不增加逆变 器容量的情况下，利用三相定子绕组施加直轴电流矢量站脉冲产生的直轴电枢磁 动势，来控制永磁同步电机永磁气隙磁场的强与弱，随后由转子上的永磁体保持 住，可以在很宽的调速范围内运行，而没有过多的电枢损耗，也不会牺牲电机其 它性能指标，是真正意义上的弱磁宽调速。 在磁链控制中，需要通过加幅值和方向均可控的直轴电流矢量，对永磁同步 电机永磁气隙磁场的强与弱进行控制，而电流的方向与大小，与此时刻电机的转 4 第一章绪论 子磁链密切相关，因此，实时观测到准确的转子磁链对磁链控制至关重要。磁链 的检测方法有直接检测法和模型法两种。直接检测法虽然精度较高，但是需要在 电机定子内表面装贴霍尔元件或者在电机槽内埋设探测线圈，而且往往会遇到不 少工艺和技术问题，所以不适宜采用。传统的磁链观测一般采用闭环观测模型法， 通过检测电机的定子电压、电流及转速等易的物理量，实时计算转子磁链的模型 值和空间位置。此方法虽然算法稳定，可以尽快地收敛，并对测量噪声干扰具有 抑制作用，但是当电机参数发生较大变化时，其对参数的变化缺乏适应性。解决 问题的最直接最有效的手段是对电机参数进行在线辨识，采用具有参数自适应的 状态观测器来估计电机的转子磁链。 在矢量控制过程中，经典的p w m 控制目的是使逆变器的输出电压尽量接 近正弦波，然而电机控制的最终目的是产生圆形旋转磁场，从而产生平稳的电磁 转矩。如果基于这一目标，把逆变器和电机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来 控制p w m 电压。这样的控制方法就是磁链跟踪控制，磁链跟踪的轨迹是靠电压 空间矢量相加得到的，所以又称电压空间矢量控制。 本课题的目的是通过对内置混合式转子可控磁通永磁同步电机的研究，综合 矢量控制和模型参考自适应的磁链观测器的优点，设计出一种基于自适应观测器 的可控磁通永磁同步电机控制系统，并对该系统进行仿真研究。 1 3 2 研究的主要内容 围绕如何提高内置混合式转子可控磁通永磁同步电机的调速系统性能展开， 深入研究了电机的各种调速控制方法，并对其矢量控制和磁链控制进行了详细深 入的探讨和分析。在此基础上，通过在磁链观测中引入模型参考自适应的方法， 对转子磁链进行实时在线观测。 分析了内置混合式转子可控磁通永磁同步电机的基本结构和运行原理，结合 矢量控制和增去磁控制的原理，详细阐述了电机在稳定阶段和增去磁阶段的控制 过程。提出针对此电机的控制策略，给出了在每个阶段电机控制的的流程，设计 了控制系统。给出了电机的控制系统框图。 在其矢量控制的过程中，利用于空间矢量脉宽调制的可控磁通永磁同步电机 的磁链定向控制方法同传统的有限的离散电压矢量不同，该方法依据电压空间矢 量控制原理，可实现电压矢量的近似连续调节，从而有效减小了转矩脉动，极大 地提高了系统的性能。在简要介绍空间矢量脉宽调制原理的基础上，对其进行了 深入的仿真分析。仿真和实验结果证明了这一方法有利于提高电机控制性能。 通过对内置混合式转子可控磁通永磁同步电机增去磁控制的深入分析，提出 了基于模型参考自适应的磁链观测器。建立了转子永磁磁链的自适应观测模型， 第一章绪论 将转子磁链和电机运行中变化最大的参数定子电阻作为可变参数，以定子电流状 态模型作为可调模型，借助p o p o v 超稳定理论，推导出转子磁链和定子电阻的自 适应律，对转子磁链和定子电阻进行了在线辨识，实时观测到磁链的值。 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下对模型参考自适应观测器的模型进行仿真，得 到转子永磁磁链的仿真模型。结合电机的总的控制系统，验证模型参考自适应观 测器的可行性。结果表明，在模型参考自适应观测器下，系统有较好的稳定性， 参数的收敛性也较好。这种模型参考自适应观测器对定子磁链观测的准确度更 高、克服了由于系统在运行过程中参数的变化而产生的观测不准确的现象，对转 子磁链和定子电阻等电机参数变化的鲁棒性更强。 第二章内置混合式转子可控磁通永磁同步电机 第二章内置混合式转子可控磁通永磁同步电机 2 1 永磁材料及其磁特性 永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的。纵观永磁电机发展历史， 每当出现一种新的永磁材料，就会使电机的结构和功能出现新的变革，促进电机 的设计理论、计算方法和结构工艺的研究提高到一个新的阶段。随着新的永磁材 料的继续出现、永磁材料性能的进一步提高和电力电子元件性能的不断完善，永 磁电机的理论研究和产品开发将会得到进一步发展，性能更好，功能更全，产品 的附加值更高，在工业和民用产品中的应用领域将会更广泛。 2 1 1 永磁材料和永磁电机的发展 众所周知，永磁材料的用途正在日益扩大，这是由于其磁性能的提高引起的。 随着永磁材料磁性能的提高，就能设计并生产出小型、轻便和高效的元件及其装 置，从而扩大其应用领域。所以，永磁材料的发展历史，就是永磁材料磁性能不 断提高的过程。永磁材料的主要磁性能指标是剩余磁感应强度屡( 简称剩磁密 度) 、矫顽力鼠和最大磁能积( b h o m 戤。 我国是世界上最早发现永磁材料的磁特性并把它应用于生产实践的国家。早 在两千多年前，我国古代人民就开始使用天然磁石制作的指南针，在航海、军事 等领域发挥巨大的作用，成为我国古代四大发明之一。 世界上第一台电机就是永磁电机，由于当时永磁材料的磁性能低，制成的电 机非常笨重，随即被电励磁电机所取代。1 9 4 0 年以后，具有较高剩磁的铝镍钴 永磁材料和具有较高矫顽力的铁氧体永磁材料相继出现，永磁电机重新获得生 机，在微特电机领城占有重要位置。但是，铝镍钴永磁虽然剩磁密度高，而其矫 顽力较低、易退磁；铁氧体永磁的剩磁密度较低，使用范围受到一定限制。至六 十年代后期第一代稀土永磁合金( s m c 0 5 ) 和七十年代第二代稀土永磁合金 ( s m 2 c o l 7 ) 的出现，虽然原料钐与钴价格昂贵，但永磁体的磁性能好，使永磁 电机有了较大的发展。1 9 8 3 年钕铁硼稀土永磁的问世被列为世界十大重要科技 成果，举世瞩目。由于钕资源丰富，以廉价的铁取代昂贵的钻，价格相对低廉， 永磁磁性能好，极大地推动了永磁电机的开发。稀土永磁磁性能优异，兼有铝镍 钴和铁氧体永磁的优点，具有很高的剩磁密度和矫顽力，以及很大的磁能积。稀 土永磁连同功率电子器件和微型计算机已被公认为促进电机发展的三大支柱。稀 第二章内置混合式转子可控磁通永磁同步电机 土永磁电机的发展与应用前景广阔。 在永磁电机产品结构方面，在过去几十年里，铝镍钴和铁氧体永磁体各占一 半市场。铁氧体永磁则以廉价的优势占据低档电机的市场。铝镍钴应用市场逐渐 减少，钕铁硼则以其优异的磁性得到迅速发展，最终大部分永磁电机中的永磁体 将被钕铁硼永磁体所取代。但由于铝镍钴永磁温度稳定性高，在高精度测速电机 等信号类微电机中仍然会占有一席之地。 2 1 2 铝镍钴永磁材料及其磁特性 铝镍钴( a i n i c o ) 永磁材料是2 0 世纪3 0 年代研制成功的。当时，它的磁 性能最好，温度系数又小，因而在永磁电机中应用的最多最广。6 0 年代以后， 随着铁氧体永磁和稀土永磁的相继问世，铝镍钴永磁在电机中的应用逐步被取 代，所占比例呈下降趋势。 铝镍钴永磁分铸造型和粉末烧结型两种。铸造型的磁性能较高。粉末烧结型 的工艺简单，可直接压制成所需形状。在永磁电机中常用的是铸造型。铝镍钴永 磁的显著特点是温度系数小，因此，随着温度的改变磁性能变化很小，目前仍被 广泛应用于仪器仪表类要求温度稳定性高的永磁电机中。 铝镍钴永磁材料的剩磁密度较高，最高可达1 3 5 t ，但是它的矫顽力很低， 通常小于16 0 k a m 。它的退磁曲线呈非线性变化，如图2 1 所示。铝镍钴永磁的 l 4 1 2 1 0 0 8 h 0 6 0 4 o 2 h ( k a m 。) 1 1 n l o2 一i n g t 4 03 一l n g t 3 24 一i n g t 7 25 - - l n g 3 2 h6 - - l n g 3 27 一一l n g 5 2 图2 1 铝镍钴永磁体的退磁曲线 内禀退磁曲线与退磁曲线很接近，内禀矫顽力鼠i 与矫顽力风b 相近且很小。由 于铝镍钴永磁的回复线与退磁曲线并不重合，在一般的永磁电机磁路设计制造时 第二章内置混合式转子可控磁通永磁同步电机 要注意它的特殊性，由它构成的磁路必须事先对永磁体进行稳磁处理，即事先人 工预加可能发生的最大去磁效应，人为地决定回复线的起始点的位置，使永磁电 机在规定或预期的运行状态下，回复线的起始点不再下降。铝镍钴永磁电机一旦 拆卸、维修之后再重新组装时，还必须进行再次整体饱和充磁和稳磁处理，否则 永磁体工作点将下降，磁性能大大下降。为此铝镍钻永磁电机的磁极上通常都有 极靴，且备有再充磁绕组，使其可以再次充磁来恢复应有的磁能。依据铝镍钴永 磁材料矫顽力低的特点，在使用过程中，严格禁止它与任何铁器接触，以免造成 局部的不可逆退磁或磁通分布的畸变。另外，为了加强它的抗去磁能力，铝镍钴 永磁磁极往往设计成长柱体或长棒形。 铝镍钴永磁硬而脆，可加工性能较差，仅能进行少量磨削或电火花加工，因 此加工成特殊形状比较因难。铝镍钴永磁含战略物资钴，价格贵。 而在内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机中，放置铝镍钴永磁体，就 是利用铝镍钻永磁材料剩磁密高和矫顽力低的特点。铝镍钴永磁体的充磁是在永 磁同步电动机由变频器驱动运行过程中根据运行速度的高低由定子直轴电流矢 量豇脉冲产生的电枢磁动势随时控制完成的，为了不使为其充磁的豇脉冲过大以 造成逆变器容量过大，铝镍钴磁化方向厚度较短，为扁平形。 2 1 3 钕铁硼永磁材料及其磁特性 钕铁硼( n d f e b ) 永磁材料是1 9 8 3 年问世的高性能永磁材料。它的磁性能 高于稀土钴永磁。室温下剩磁密度毋现可高达1 4 7 t ，磁感应矫顽力鼠可达 9 9 2 k a m ，最大磁能积高达3 9 7 9 k j m 3 ，是目前磁性能最高的永磁材料。由于钕 在稀土中的含量是钐的十几倍，资源丰富，铁、硼的价格便宜，又不含战略物资 钴，因此钕铁硼永磁的价格比稀土钴永磁便宜得多，问世以来，在工业和民用的 永磁电机中迅速得到推广应用1 47 | 。 钕铁硼永磁材料的不足之处是居里温度较低，一般为3 1 0 - 4 1 0 左右；同时 温度系数较高，剩磁密度研的温度系数可达一o 1 3 k ，内禀矫顽力鼠i 的温 度系数可达- ( o 6 o 7 ) k ，在高温下使用时磁损失较大。由于钕铁硼永磁材 料的温度系数较高，造成其磁性能热稳定性较差。一般的钕铁硼永磁材料在高温 下使用时，其退磁曲线的下半部分要产生弯曲，这可以由图2 2 所示的在不同温 度下牌号为n t p 2 5 6 h 的钕铁硼永磁体的内禀退磁曲线和退磁曲线看出。由图可 见，随着温度的升高，剩磁密度和矫顽力随之有些降低，但是其内禀矫顽力减小 的非常快，抗去磁能力大大减弱。因此，使用普通钕铁硼永磁材料时，一定要校 核永磁体的最大去磁工作点，以增强其可靠性。对于工作温度较高的电机，要选 择超高矫顽力钕铁硼永磁材料。 9 第二章内置混合式转子可控磁通永磁同步电机 它其中含有铁和钕容易锈蚀，也是它的一大弱点。所以要对其表面进行涂层 处理。常用的涂层有环氧树脂喷涂、电泳和电镀等，一般涂层厚度为1 0 - - - 4 0 9 m 。 不同涂层抗腐蚀能力不一样，环氧树脂涂层抗溶剂、抗冲击能力、抗盐雾腐蚀能 力良好；电泳涂层抗溶剂、抗冲击能力良好，抗盐雾能力极好；电镀有极好的抗 溶剂、抗冲击能力，但抗盐雾能力较差。因此需要根据永磁体的使用环境来选择 合适的保护涂层。 h ( k h n l 。) 图2 - 2 不同温度下钕铁硼永磁体( n t p 2 5 6 h ) 的内禀退磁曲线和退磁曲线 铝镍钴永磁体虽然剩磁密度高但是矫顽力却很低，而钕铁硼永磁体不仅剩磁 密度高而且矫顽力也很高，钕铁硼的价格比铝镍钴低许多。如果在可控磁通永磁 同步电机中安排一定的钕铁硼，势必能够提高其性能并降低成本。在此思想的启 发下，通过对磁路的分析和研究，提出内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电 机。 2 2 永磁同步电机的结构和分类 永磁同步电机根据供电方式可以分为自启动永磁同步电机和逆变器供电运 行永磁同步电机两种，如图2 3 所示。自启动永磁同步电机的转子上有阻尼绕组， 该绕组在电机启动时可提供电磁转矩以克服永磁体产生的齿槽转矩。一旦电机启 动后，磁阻转矩或同步转矩将把转子拖入同步转速。自启动永磁同步电机是以某 一特殊场合设计的，它的转速与供给的电源一致，无需专门的控制器。 现在大部分永磁同步电机都由逆变器供电。在对系统精度和动态响应性能要 求不高的场合，如风机水泵等电机上，可以直接采用变压频比控制。变压频比控 制容易造成同步电机失步，因而要求电机具有较稳定的性能，此时可以采用具有 第二章内置混合式转子可控磁通永磁同步电机 阻尼绕组的永磁同步电机，其电机结构与自启动永磁同步电机一致。该方式下， 无需位置传感器就可以实现电机调速，相对异步电机又提高了效率。 在高性能电机控制中，可以从与电机转子同轴的霍尔传感器、光电编码器或 者旋转变压器得到转子位置信息。转子位置反馈信息保证了电机系统和逆变器一 直处于同步状态，称为自控式永磁同步电机，其转子上无需阻尼绕组，因而可以 简化转子结构。自控式永磁同步电机的分类要从电机本体和控制方式两个方面来 考虑。根据电机产生的反电动势波形不同，自控式永磁同步电机可以分为反电动 势为梯形波的电机和反电动势为正弦波的电机。在控制方式上可以分为以方波电 流驱动的无刷直流电机控制方式和以正弦波电流驱动的永磁同步驱动方式。一般 情况下反电动势为梯形波的电机采用无刷直流驱动方式，反电动势为正弦波的电 机采用永磁同步的驱动方式。然而，控制策略和电机本体是两个相对独立的系统， 反电动势为梯形波的无刷直流电机也可以采用永磁同步控制方式，而永磁同步电 机也可以采用无刷直流电机的控制方式。 永磁电动机 自启动电动机逆变器供电 k - 有阻尼绕组工厂 厂- 厂七 凸出式插入式切向式径向式混合式 图2 3 永磁同步电机的分类 无刷直流电机是延续了传统直流电机的思想，而将直流励磁改为永磁体励 磁，将电刷和换向器等一套机械换流装置用电子换流装置替代。为进行顺利换相， 无刷直流电机运行需要离散的位置信号，它一般由装在电机定子上的霍尔器件等 提供。无刷直流电机的控制比较简单，一般情况下控制器的结构也较为简单，因 而实际应用非常广泛。 永磁同步电机的控制方式是连续的，其位置信号一般是连续而实时的，可以 第二章内置混合式转子可控磁通永磁同步电机 由光电编码器、旋转变压器等位置传感器提供，也可以由些无位置传感器算法 提供。与无刷直流电机控制方式不同，永磁同步电机不存在明显的换相概念，某 一相在任何时刻都有可能导通，是由实时控制中的具体情况而定。 根据永磁体在转子上的位置不同，永磁同步电机可以分为永磁体内置式和永 磁体表面式电机。其中表面式根据永磁体是否嵌入转子铁心中，又分为凸出式和 插入式，如图2 _ 4 所示。 凸出式永磁同步电机转子永磁体一般为瓦片形，用合成粘胶粘于转子铁心表 面。对于功率稍大的电机，永磁体与气隙之间可以用无纬玻璃丝带加以捆绑保护。 ( a ) 凸出式( b ) 插入式 图2 _ 4 表面式永磁同步电机转子结构 插入式永磁同步电机永磁体嵌入转子铁心中，两永磁体之间的铁心成为铁磁 介质突出的部分。在凸出式永磁同步电机中，由于永磁体的相对磁导率接近真空 磁导率，等效气隙基本均匀，所以交、直轴电感基本相等，是一种隐极式同步电 机。插入式永磁同步电机的交轴方向的气隙比直轴轴小，交轴的电感也比直轴大， 是一种凸极式永磁同步电机。相对而言，由于永磁体的存在使得凸出式永磁同步 电机定子和转子之间的有效气隙较大，因而定子的电感较小。 内置式永磁同步电机按永磁体磁化方向可分为径向式、切向式和混合式。如 图2 5 所示。 ( a ) 径向式( b ) 切向式( c ) 混合式 图2 5 内置式永磁同步电机转子结构 第二章内置混合式转子可控磁通永磁同步电机 内置式永磁同步电机转子由于内部嵌入永磁体，永磁体外表面与定子铁心之 间有铁磁物质制成的极靴，极靴可以放置铸铝笼或铜条笼，起阻尼或( 和) 起动 作用，动稳态性能好，广泛应用于要求有异步起动能力或性能高的永磁同步电机。 内置式转子内的永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁 阻转矩也有助于提高电动机的过载能力和功率密度，而且易于“弱磁扩速。 径向式结构优点是漏磁系数小，转轴上基本不需要隔磁处理，极弧系数容易 控制，结构简单，运行可靠，转子机械强度高，近年来应用较为广泛。切向式漏 磁系数较大，并且需采用相应的隔磁措施，但可以得到更大的每极磁通，适合极 数较多的场合。混合式集中了径向式和切向式转子结构的优点，转子可为安放永 磁体提供更多的空间，空载漏磁系数也较小，但其制造工艺更加复杂，制造成本 也较高，转子机械强度也有所下降。 2 3 内置混合式转子可控磁通永磁同步电机 2 3 1 内置混合式转子可控磁通永磁同步电机电机结构 可控磁通永磁同步电机由v l a d oo s t o v i c 于2 0 0 1 年首先提出。4 极可控磁通 永磁同步电机的基本结构如图2 - 6 所示，电机的定子与传统的交流电机的定子一 样；转子结构比较特殊，四个磁极的磁通由四块径向为扇形并且切向磁化的铝镍 钴永磁体提供；各块铝镍钴永磁体两侧是导磁性能良好的软磁性材料，构成转子 永磁磁极极靴的一半：两个极靴之间放置非磁性材料；转轴由非磁性材料制成。 可见，由永磁体、软磁性材料和非磁性材料做成一个如同三明治那样夹层结构的 永磁转子，用机械的方法固定在一根非磁性的轴上，再在转子外表面用非导磁合 金圆筒紧箍固定，构成具有一定机械强度的完整转子。其中，铝镍钴永磁体具有 剩磁密度辟很高但矫顽力皿却很低的特点，它容易被外部磁场磁化，可控磁通 永磁同步电动机就是利用其这一特点来实现永磁磁通可控的。 定子 永磁体 非磁性材料 软磁性材料 转轴 合金圆筒 图2 - 6 可控磁通永磁同步电机横向剖面图 第二章内置混合式转子可控磁通永磁同步电机 但v l a d oo s t o v i c 所提出的三明治式转子结构的电机有很多不足。首先永磁 体选用的是剩磁密度高但矫顽力低的铝镍钴永磁材料，永磁体径向为扇形，切向 磁化，磁化方向厚度是变化的。为了使强磁化时，磁化方向厚度较短的永磁体底 部也能够正向磁化，并能够获得足够强的气隙永磁磁通，则必须加大永磁体底部 厚度，使得扇形永磁体的顶部很厚。在转子直径一定的情况下，造成相当于磁极 的极靴弧长变短，电机极弧宽度降低。当电机的极对数较多时，这种切向磁路结 构会使得电机极弧系数很低。其次，当铝镍钴磁化方向较厚时，则正向强磁化永 磁体时所需要的妇脉冲幅值就会很大，使得逆变器的容量增大，系统造价高。再 次由于铝镍钴永磁材料的磁性能低且价格较高，而且其永磁转子结构复杂，机械 强度较低。 内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电动机是一种新结构的电机。其在不 同极对数的电机转子空间内科学地放置两种永磁体，分配好两种永磁体的尺寸， 使两种永磁体在磁性能上合理配合，充分利用钕铁硼永磁体剩磁密度屏和矫顽 力鼠都很高，而铝镍钴永磁体研很高但鼠却很低的特点，在保障电机各项基本 性能的前提下，能够实现真正意义上的永磁同步电机弱磁调速，而且弱磁范围很 宽。 4 极内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机的横向剖面图如图2 7 所 示。电机定子铁心由硅钢片冲剪叠压而成，采用4 极三相感应电动机定子。为了 减小电机的齿槽转矩和杂散损耗，将定子铁心斜一个定子齿距；转子铁心也由硅 钢片冲剪叠压而成，转子冲片上冲有用于嵌入永磁体的4 个w 形槽，每个w 形 槽中都分别插入铝镍钴和钕铁硼永磁体。转子冲片是一个相互完全贯通的整体结 构，机械强度相对较高。转轴可以是导磁的，可以使用机械性能较好的普通中碳 钢，轴导磁还会提高电机性能。 定子铁心 转子铁心 转轴 图2 74 极内置混合式转子可控磁通永磁同步电机横向剖面图 第二章内置混合式转子可控磁通永磁同步电机 钕铁硼永磁体的磁化方向如图中单箭头所示，根据它们磁化方向近似认为钕 铁硼处于径向磁路位置。由于钕铁硼的剩磁密度和矫顽力都很高，因此要合理选 择钕铁硼平行四边形横截面非磁化方向的宽度，使其尽可能多地贡献磁通量，电 机气隙永磁主磁通主要由其产生；选择平行四边形横截面磁化方向的厚度，除主 要从防止电机在出现非常极端的情况下定子绕组联合产生的电枢反应去磁磁动 势造成钕铁硼出现不可逆去磁考虑外，还应该顾及永磁体成本、材料利用率和加 工工艺性，以及转子极弧系数。 处于切向磁路位置的铝镍钴磁化方向如图2 7 中双箭头所示，它们可以由正 反向豇脉冲产生的直轴电枢磁动势正反向磁化。图2 8 、2 - 9 分别为正反向最强 磁化后空载时的磁力线分布图和气隙磁密波形曲线。由图2 8 可见，正向最强磁 化后，铝镍钴仅贡献很少的磁通；由图2 - 9 可见，反向最强磁化后，铝镍钴将钕 铁硼所贡献的磁通在转子内部短路。经过正反二种极端磁化后，电机的永磁气隙 磁场由很强变为很弱。 图2 8 正向最强直轴电枢磁动势磁化后空载时磁力线分布和气隙磁密波形 图2 - 9 反向最强直轴电枢磁动势磁化后空载时磁力线分布和气隙磁密波形 正向、反向强磁化后，即强助磁与强弱磁后，空载时气隙基波磁密值分别为 0 8 6 4 t 和0 2 1 4 t ，弱磁倍数为o 8 6 4 0 2 1 4 = 4 0 4 。 6 极内置混合式转子结构可控磁通永磁同步电机的剖面图如2 1 0 所示。为了 第二章内置混合式转子可控磁通永磁同步电机 增大交轴磁路的磁阻，以减少交