现代电机技术及其应用

1、现代电机技术及其应用黄苏融（上海大学自动化系200072, email: srhuang）摘 要：传统的交流电机设计思想是约束在正弦波电压源供电与径向磁场结构基础上。然而,电力电子逆变器与电机的结合，以及开关磁阻电机、无刷直流电机、轴向磁场电机和横向磁场电机的出现则打破了这一传统理念，促使电机设计技术新的变革和创新，导致了逆变器供电电机。逆变器供电电机的设计则建立在电机本体和逆变器的最佳融合以及与电子驱动负载 转矩特性的配合上。本文论述了现代电机技术的主要发展过程、现状与近期的研究热点。关键词：逆变器供电电机 汽车线控电子化 现代电机设计1引言电机设计是传统电气工程的一个重要分支，早在二十世纪

2、二十年代至二十世纪三十年代初期，异步电机、同步电机等传统电机设计技术的研究已达到顶峰。在被称之为电机设计技术研究的第一个黄金年代的这一时期1,几乎所有的交流电机设计被约束在正弦波电压源供电基础上，这就不可避免地导致传统的异步电机和同步电机必须采用正弦分布的定子绕组 以最佳匹配正弦波电压源供电。电力电子变换器的发展，给电机设计研究者提供了打破正弦波电压源供电约束的可能性；然而，在相当长的一段时期内，交流电机设计仍然被束缚在正弦波逆变器电压源供电基础上。二十世纪七十年代， 随着电力电子技术的发展，电流控制型逆变器首先在异步电机驱动系统中成功应用。开关磁阻电机研究热的兴起和无刷直流方波电机理论的不断

3、完善，促使电机设计理念产生新的变革和创新。于是，电机研究者开始探索思考：难道三相仍是交流电机的最佳相数吗？正弦波电压源仍是电机的最好波形吗？甚至径 向气隙磁场结构是电机的唯一结构吗？电力电子逆变器与电机的结合，永磁材料的广泛应用和新型软磁铁芯的不断出现，导致了电机结构、设计、性能和制造技术方面的革命，促使逆变器供电电机家族（Converter FedMachines）迅速壮大。主要有开关磁阻电机、双凸极永磁电机、无刷直流永磁电机、无刷永 磁同步电机、轴向磁场电机、横向磁场电机和具有磁场控制能力的永磁电机等。八十年代初期发展至今的逆变器供电电机技术被称之为电机设计的第二个黄金年代1。现代电机设计

4、是建立在逆变器供电电机基础上，典型的逆变器供电电机驱动系统如图1所示。当今，电流控制型电压源PWM逆变器（CRPWM）已成为高性能电机控制器的基本部分；逆变器供电电机的设计和系统性能仿真被建立在电机本体和逆变器的最佳融合以及与电(59877014)本研究项目与美国威斯康星大学T.A.Lipo教授合作并得到中国国家自然科学基金资助子驱动负载转矩特性的配合上。现代电机设计技术的发展，不仅促进了电机学科不断向前发展，而且带动了商用设计软件的开发，目前国际电工界公认的设计软件有Ansoft, Magsoft和Speed等。Ansoft软件已提供了从电机概念设计、自动产生有限元分析和系统仿真模型到深 入

5、分析直至含控制电路、控制算法在内的电子驱动系统仿真。图1典型的逆变器供电电机驱动系统2现代电机的几个研究热点与发展趋势电机与电力驱动系统是传统的老学科。近年来，随着世界军事技术革命和工业电气自动化的需求以及世界经济一体化发展的趋势，推动了新型逆变器供电电机的研究和发展。当前，高密度、高效率、轻量化的电子驱动系统的研发已成为军事装备的一个技术制高 点。在某些军事领域，如舰艇、坦克等的内燃机动力系统将逐步被小型紧凑的高密度电力驱 动系统所取代。具有快速响应能力的高密度电力驱动系统大大提高了坦克等军用车载的快速 应战能力。在舰艇推进动力系统中，高密度低噪声的电力驱动系统取代体积庞大的内燃机动力系统后

6、，不仅提高舰艇的快速应战能力和隐蔽性，而且小型紧凑的高密度电力驱动系统便于安置在舰艇的适当位置而不易被对方火力所击中，使得舰艇推进系统更具有安全性、可靠性2-3。高密度、高效率、轻量化也是各种车辆驱动系统和航空发动机一高密度发电机组的 关键性能指标。近年来，运用航空发动机一高密度发电机组技术开发的高密度、高效率、轻 量化的备用电源和移动电源在国际市场上供不应求。高密度、低成本、具有宽广的恒功率调速范围的车辆牵引电机的研发是一个颇有挑战性 和竞争性的课题。高性能、低成本的电子驱动和电子伺服系统的研发是国际电工界的一个新 的热点。为此，促进了内置式永磁同步电机驱动系统，具有弱磁结构的永磁电机驱动系

7、统、 同步磁阻电机驱动系统、双凸极永磁电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统的深入研究4。汽车线控电子化(X-by-wire)技术的发展，给电子驱动系统和电子伺服系统的发展带来了 极大的机遇和挑战，图2是下一代线控电子化概念汽车模型。线控电子化技术将汽车各种电子转向、牵引、制动、悬挂等各种独立的控制系统进行线控电子化连接，实行一体化底盘控制系统。线控电子汽车四轮转向和电子牵引系统采用四个车轮电机及其伺服技术，可以不需要机械联接，每个轮子上都会有一个DSP信号处理器，通过装在每个轮子上的电机来控制转向和牵引，使汽车四轮转向变得非常容易，灵活性和安全性大大提高。线控制动系统(Elec.Brake-by

8、-wire)直接对车轮进行制动控制与牵引控制，使汽车迅速刹车或减速，防止事故发生。图3是线控电子动力转向系统(Elec. Power Steering)，在这个系统中不仅削减了相当多的机械部件，如液压泵等；而且节能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丽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图2下一代线控电子化概念汽车模型EPAS SCHEMATIC ARPAmGEMEM图3线控电子动力转向系统随着汽车线控电子化技术的应用，安全集成系统、自动巡航系统等军事高新技术将逐步运用到汽车上；遇有紧急事故

10、，安全集成系统自动运用防抱死制动装置和牵引力控制装置，汽车便自动刹车或转向， 防止事故发生，使汽车的安全性、舒适性、智能性提升到最大限度。汽车电子化技术的发展， 使得汽车用电机及其驱动装备快速增长，汽车工业将由传统汽车向电子化汽车过渡，机械驱动向电子驱动发展。 许多传统的汽车机械部件将逐步减少，汽车的操纵性以及汽车的总体结构大大改善，汽车设计的灵活度也大大增加，汽车的零部件将进行脱胎换骨的更新与产业结构调整。为提高车辆电力驱动系统零部件在全球的竞争力，产品的高可靠性和低成本至关重要。由此，采用铁氧体磁钢聚磁结构的永磁电机、车轮电机、汽车动力传动与电机一体化部件的研发成为一个新的热点，车辆电力电

11、子专用集成模块IPEC的研发是一个新的技术制高点。图5牵引电机、逆变器与水冷结构一体化部件3. 开关磁阻电机与双凸极永磁电机的发展电流控制型电源和变磁阻概念电机的结合导致了开关磁阻电机驱动系统，也称为双凸极电机驱动系统。1980年，英国学者P.J.Lawrenson及其同事们在IEE会议上系统地介绍了他 们的工作成果，在国际上奠定了现代开关磁阻电机驱动系统的地位7。20年来，双凸极电机驱动系统作为一种新型调速系统已成功地用于车辆牵引、风机、泵及卷扬机等工业应用领域。1994年至1998年期间，美国学者T.A.Lipo教授及其助手们提出了多种双凸极永磁电机 和具有磁场控制能力的双凸极永磁电机，引

12、起了汽车工业界和美国空军的兴趣8-12,双凸极永磁发电机已应用于美国空军的战斗机发动机的起动发电装置13。图6是几种典型的双凸极电机结构。4. 横向磁场电机的发展二十世纪八十年代德国学者Weh教授及其助手们提出了一种新型高密度电机一横向磁场电机14，横向气隙磁场电机被建议用作牵引电机和推进电机14-17。图7是几种典型的横向磁场环形绕组电机结构，图 8是用于美国海军舰艇推进系统的20 MW横向磁场电机15。常规结构的三相6/4极双凸极电机7双凸极永磁电机8-9带有磁场绕组的双凸极永磁电机带有机械弱磁调节的双凸极永磁电机1210-11图6典型的双凸极电机结构U型定子铁芯两相环形绕组结构E型定子铁

13、芯两相环形绕组结构C型定子铁芯单相环形绕组结构图7典型的横向磁场环形绕组电机结构图8美国海军舰艇推进系统的20 MW横向磁场电机结构5. 轴向磁场盘式电机的发展进入二十世纪九十年代后，轴向磁场盘式电机的发展引起了人们的兴趣，并成功应用于汽车发电机和电动车辆的车轮电机18-20,图9是几种典型的轴向气隙磁场辐射式盘形绕组电机结构，图10是几种典型的车轮电机传动系统。高密度高效率低噪声的舰艇电力推进系统的研发推动了轴向磁场盘式电机的深入研究。1998年至2001年期间，上海大学与美国威斯康星大学T.A.Lipo教授合作提出了多种新型高密度轴向磁场盘式电机结构，并对轴向磁场电机的设计技术和性能分析评

14、估方法展开了深入的研究，同时还探索了具有磁场控制能力的轴向磁场永磁电机模型1-2, 21-27。图11是具有磁场控制能力的 TORUSNS型盘式永磁电机结构，该电机被建议应用于混合型电动汽车的电力驱动装置中。单定子、单转子轴向磁场电机双定子、单转子轴向磁场电机单定子、双转子轴向磁场电机图9典型的轴向磁场辐射式盘形绕组电机结构Vehide body图10典型的车轮电机传动系统rotor core magnet ironpiece 'stator .core field windingsa-c *a 互 bL- -EE.lf-FIFn>w.ltl>lcAltJ-E 一图11具有

15、磁场控制能力的 TORUS NS1盘式永磁电机结构6. 轴向磁通环形绕组永磁电机的发展随着汽车电气自动化技术的发展，低成本、高密度车用电机开发是车辆电气自动化产业面临的的一个难题。1998年至1999年期间，上海大学和美国威斯康星大学合作开发了单相轴向磁通环形绕组永磁电机，如图12所示。该电机的特点是，采用铁氧体磁钢的聚磁结构既能满足低成本要求又可改变定子磁极的轴向长度来达到高气隙磁通密度数值；环形定子绕组的最大优点是，该绕组匝链所有磁极的磁通并且无绕组端部，有利于提高电机密度。 该电机存在的问题是，电机的转矩脉动大、起动性能差。2000年至2001年期间，上海大学和美国威斯康星大学采用软磁粉

16、末铁芯开发了两相轴向磁通环形绕组永磁电机，如图11所示。软磁粉末铁芯的应用既解决了三维磁路结构电机的迭片困难又降低了定子铁芯加工费用，两相轴向磁通环形绕组永磁电机结构有效地降低了电机的转矩脉动和提高起动性能，被建议用作汽车起动电机/发电机装置和风机调速系统。轴向气隙环形绕组永磁电机模型轴向气隙环形绕组永磁电机样机径向气隙环形绕组永磁电机样机径向气隙环形绕组永磁电机模型图12单相轴向磁通环形绕组永磁电机径向气隙环形绕组永磁电机模型径向气隙环形绕组永磁电机样机图13两相轴向磁通环形绕组永磁电机7. 结束语本文论述了现代电机技术及其应用的发展。新一代逆变器供电电机是建立在电机本体和逆变器的最佳融合以

17、及与电力驱动负载转矩特性的配合上。参考文献1. T.A. Lipo and Y . Li, CFMs-A New Family of Electrical Machines ", Conf. Rec. IPEC(Japan), April 3-7, 1995, pp.1-8.2. T. A. Lipo, S. Huang and M. Aydin,“ Performance Assessment of Axial Flux Permanent Magnet Motors forLow Noise Applications inal Report to ONR, Oct 2000.3.

18、 S Huang, M. Aydin and T. A. Lipo,“ Comparison eifl(ftten and Slotted) Surface Mounted PM Motorsand Axial Flux Motors for Submarine Ship Drives " Third Naval Symposium on Electrical Machines, Philadelphia, Dec. 2000.4. T. A. Lipo, F. Leonardi, J. Luo and S. Huang,“ Selection of 50Kw Electrical

19、Motor for Vehicle DrivingReport to ANSALDO INC, August 10, 1996.5. S. Chen, C. Namuduri and S. Mir, a Controller Induced Parasitic Torque Ripples in a PM Synchronous Motor”, 2000 IEEE-IAS 35 th Annual Meeting.6. S. Huang, M. Aydin and T. A. Lipo,"A Direct to Electrical Machine Performance Evalu

20、ation: ToQqujeityAssessmentw , 2001 IEEIAS 36th Annual Meeting.7. P.J. Lawrenson, J.M. Stephenson, P.T. Blenkinsop, J. Corda and N.N. Fulton, Variable Speed Switched Reluctance Motors ”，Proc. IEE, Pt. B. vol. 127, July 1980, pp.253-265.8. T.A. Lipo, Y . Liao and F. Liang, U.S. Patent 5,304,882 A New

21、 Class of Variable Reluctance Motors with Permanent Magnet Excitation ”, April 19, 1994.9. Y. Liao, F. Liang and T.A. Lipo, A Novel Permanent Magnet Motor with Doubly Salient Structure ”, IEEE Trans. On IAS vol. 31 no.5. Sept./Oct. 1995, pp.1069-1078.10. Y. Li and T.A. Lipo, A Three Phase Doubly Sal

22、ient Permanent Magnet Motor Capable of Field Weakening ”, IEEE Power Electronics Specialist & Conf., June 1995.11. S. Huang, J. Luo, F. Leonardi and T. A. Lipo, ,A general approach to sizing and power density equations for comparison of electrical machines?, IEEE Trans. IA -34, No.1, pp.92-97, 1

23、998.12. A. Shakal, Y Liao and T.A. Lipo, A New Permanent Magnet Motor Structure with True Field Weakening ”, Electric Machines and Power Systems, vol.24, No.5, July/August 1996, pp.259-270.13. T. Matsuo, J. Luo, E. P. Hoffman and T. A. Lipo, "Self Excited Variable Reluctance Generator", IE

24、EE IASAnnual Meeting, Oct. 1997, pp. 653-660.14. H. Weh, "Ten Years of Research In the Field of High Force Density-Transverse Flux Machines", Conf. Rec. of SPEEDAM, Capri Italy, 5-7 June 1996, pp.A3-1 to A3-8.15. A. Mitcham and M. Bolton, The Transverse Flux Motor: A New Approach to Naval

25、Propulsion" Naval Symposium on Electrical Machines, Newport, July 28-31, 1997, pp.1-8.16. S. Huang, J. Luo and T. A. Lipo, “ Analysisand evaluation of the transverse flux circumferential current machine w , Conferece Record of the 1997 IEEE Industry Applications Society, 32nd IAS Annual Meeting

26、, 1997, pp. 378 384.17. A. Masmoudi and A. Elantably, “ TFPM Concept Based Hybrid Bus Electric Propulsion Machinery: Pre-Prototyping Design Assessment of Two Major Topologies ”, ICEM 98 proceedings, September 2-4, 1998, pp.1150-1155.18. E. Spooner and B.J. Chalmers, TORUS, A Toroidal Stator, Permane

27、nt Magnet Machine for Small Scale Power Generationw, Proc. Int. Conf. Elect. Machines, Aug. 1990, pp.1053-1058.19. C.C. Jensen, F. Profumo and T.A. Lipo, A Low Loss Permanent Magnet Brushless DC Motor Utilizing Tape Wound Amorphous Iron ”, IEEE Trans. On IAS-28, No.3, May/June 1992, pp.646-651.20. F

28、. Profumo, Z. Zhang and A. Tenconi, Axial Fulx Machines Drives: A New Viable Solution for Electric Cars”, IEEE Trans. On Industrial Electronics V ol.44, No.1, Feb. 1997, pp.39-45.21. S. Huang, J. Luo, F. Leonardi and T. A. Lipo, "A Comparison of Power Density for Axial Flux Machines Based on th

29、e General Purpose Sizing Equation", IEEE Trans. on Energy Conversion, V ol.14, No.2 June 1999, pp. 185-192.22. S. Huang, M. Aydin and T. A. Lipo,Low Noise and Smooth Torque Propulsion PM Motor: Comparison of(Non- slotted and Slotted) Radial and Axial Flux Topologies” , ACEMP 2001, Kusadasi, Tur29y , June 272001.23. M. Aydin, S. Huang and T. A. Lipo, “Designand 3D Electromagnetic Field Analysis of Non -slotted and Slotted TORUS Type Axial Flux Surface Mounted Permanent Magnet Disc Machines, International Electrical Machines and Drives Conference, 2001, Boston.24. S. Hua