低速永磁同步电动机的规划研讨

低速永磁同步电动机的规划研讨

电力电子技能、钕铁硼永磁资料，以及具有疾速运算才能的信号处理器DSP的展开，为永磁同步电动机带来新的关键。现代电梯所用的低速无齿轮永磁同步电动机就是一种*新的曳引技能。转子上的方位传感器，实时给出转子方位信息，在专用变频器供电下，一直实时操控定子电流归纳矢量在q轴上，然后使PMSM获得与直流电动机一样优良的转矩特性。为了获得**的平层精度，电动机有必要保持在极低的转速乃至挨近零转速时，工作平稳，且振荡小，噪声低。低速平稳性是宽调速永磁同步电动机一个非常重要的技能指标，因而对电动机规划带来严格要求。  
1 PMSM谐波转矩发生的缘由  
本规划是关于现代高功能电梯展开的，因而对电梯的平层精度、对乘客的舒适感、对减小驱动电机的振荡和噪声，格外对低速乃至在挨近零转速时驱动电机工作的平稳性均有较高的要求。为此，有必要尽也许减小转矩的脉动。  
为发生稳定转矩，PMSM的感应电动势和电流应为正弦波。但在实践电动机中，永磁转子的励磁磁场或定子绕组的空间散布都不是抱负的正弦波，此外给定子供电的变频设备，虽已选用了疾速电流盯梢操控技能，尽也许盯梢正弦波，但定子电流还难免富含高次谐波，因感应电势和定子电流波形畸变所发生的谐波转矩称为纹波转矩。而因定子齿槽的存在导致的脉动转矩，称为齿槽转矩。以下剖析上述两种谐波转矩发生的缘由，和讨论减小谐波转矩的办法。  
1.1 纹波转矩发生的缘由  
以下定量剖析磁场定向操控PMSM的纹波转矩。假定:  
1)磁路不饱和，故可疏忽交轴电枢反应的影响;  
2) 不思考转子永磁钢和转子铁心的阻尼效应;  
3) 定子绕组三相对称，联合型式为Y型无中线，定子电流中不含3次和3次倍数的谐波，定子电流中亦不含偶次谐波。  
可将A相电流和感应电动势表达如下:  
(1)  
(2)  
式中w1为基波角频率，在稳态时，它便是转子电角频率。  
A相的电磁功率为  
(3)  
同理，B相和C相的电磁功率为  
(4)  
(5)  
电磁转矩为  
(6)  
式中Ω是转子的机械角速度  
将式(2)～(5)代入式(6)得  
(7)  
式中:  


写成矩阵方法，有  
(8)  
从上述剖析可见，次数一样的感应电动势谐波和电流谐波相互作用发生均匀转矩，不一样次数谐波电动势和电流间相互作用将发生脉动频率为基波频率6倍次的纹波转矩，各纹波转矩的幅值与感应电动势和电流的波形畸变程度有关。  
图1形象地阐明在给定感应电动势和电流波形下，发生纹波转矩的状况。  
当体系运转在高速区，或选用外转子计划时，纹波转矩也许被转子惯量所吸收。但当电梯运转在极低的速度，它会使转子速度发生动摇，严峻影响速度的稳定性，进而影响平层的**度。咱们在规划时，应充沛注重，尽量削减纹波转矩。  
1.2 齿槽转矩发生的缘由  
齿槽效应是由永磁钢与定子齿间作用力的切向重量所构成。齿槽转矩会下降电梯平层精度，格外在低速时更严峻，它还会带来振荡和噪声。图2展现了面装式PMSM在一个极下的物理模型。当转子旋转时，处于永磁钢极中心线中心有些的定子齿与永磁钢间的磁导简直不变，因而这些定子齿周围的磁场也根本不变，而与永磁钢的旁边面A和B对应的由一个或两个定子齿所构成的一小段关闭区域内，磁导改变却很大，导致磁场储能改变，然后发生齿槽力矩。因而发生齿槽转矩的区域主要在永磁钢两边的拐角处，而不是悉数永磁钢。转子每转过一个齿距a 后，两边发生的脉动转矩之和即构成了齿槽转矩，如图3所示。能够看出这是一个周期函数，其基波重量的波长等于定子齿距。  
2 减小谐波转矩的办法  
2．1 减小纹波转矩的办法  
为了减小纹波转矩，则应当尽也许减小感应电动势和定子电流的谐波，咱们在规划中选用了下列办法:  
1) 尽也许增大每极每相槽数q，以削弱感应电动势的高次谐波，因本次规划均系低速电机，极数通常较多，为进步绕组占槽面积，通常不易选用太多槽数，故咱们选用了分数槽绕组，可进步等效的整数槽绕组每极每相槽数q’，这一方面临削弱感应电动势的高次谐波是有利的，另一方面，因为选用分数槽绕组，每极下定子槽数不等，这对减小PMSM的定位力矩是有利的。定位力矩是永磁电动机在绕组不通电时所出现的特征，该力矩力图使电动机转子定位于某一方位。定位力矩主要是由转子中的永磁钢与定子开槽的相互影响而发生的。  
2) 定子绕组挑选适宜的短距比B，以削弱感应电动势和磁动势的谐波。必要时还能够选用正弦绕组的规划。  
3) 应使定子电流尽也许迫临抱负的正弦波。目前的变频设备，均使定子电流疾速盯梢正弦参考值，所以定子电流中低次谐波含量已不大，而是富含较高次的谐波重量，但次数愈高，其幅值愈低，由此而发生的高频转矩动摇，很容易被转子滤去。  
4) 尽也许挑选适宜的磁极形状与尺度，然后使转子励磁磁场的波形尽也许按正弦散布。  
2.2 减小齿槽转矩的办法  
为了减小齿槽转矩，本规划选用了下列办法:  
1) 在不影响定子嵌线的前提下，尽也许挑选小的槽口宽度;或选用磁性槽楔，以下降定子槽开口导致的气隙磁导改变或选用无槽定子构造。  
2) 在不影响磁钢利用率的状况下，尽也许增大气隙的尺度。  
3) 定子斜槽，斜一个齿距，可消除一切齿槽转矩谐波，而对基波影响不大。但定子斜槽通常会影响导体占槽面积，然后使铜耗增大。  
4) 亦可选用转子磁极斜极的方法。关于面装式的磁钢构造，能够直接选用磁钢扭斜的技术。而关于刺进式的磁钢构造，因技术因素，只能选用如图4所示的磁极接连移位的斜极方法。  
5) 优先挑选面装式转子磁钢构造，适当增大了电机的等效气隙。  
在此有必要格外提出的是，PMSM的定位力矩常是影响PMSM停转时定位精度的主要缘由，除上述选用分数槽的办法外，剖析和阅历证实，当永磁体的宽度为定子齿距整数倍时，能够有效地按捺齿槽转矩。在技术上进步铁心加工精度和留意选配磁功能一致性的永磁体，都能够有效地按捺PMSM的定位力矩。  
3 定论  
依据上述规划思想，研发的9.5kW低速PMSM已成功阅历了实验室的悉数实验，既便在1rpm(适当电源频率f=0.167Hz)时仍能平稳运转，且保持着优良的线性转矩特性，如图5所示。图6系机组拼装实验相片。样机并已成功地应用于国内闻名电梯公司实验电梯上，显示出样机具有体积小、重量轻、效率高、功率因数高、转矩大、转矩脉动小、振荡小、噪声小的长处，并使电梯平层精度明显进步。