编辑：济宁矿用变压器厂家 日期：2019-01-11 人气：352
济宁矿用变压器用低速直驱稀土永磁电机系统 核心提示： 济宁矿用变压器用低速直驱稀土永磁电机系统刘建林i2，冯径曾毅3，杨海2（1.湖南大学济宁矿用变压器与信息工程学院，湖南长沙，410082；2.湖南机电职业技术学院，湖南长沙，410151；3.湘潭电机股份有限公济宁矿用变压器用低速直驱稀土永磁电机系统刘建林i2，冯径曾毅3，杨海2（1.湖南大学济宁矿用变压器与信息工程学院，湖南长沙，410082；2.湖南机电职业技术学院，湖南长沙，410151；3.湘潭电机股份有限公司，湖南湘潭，411101）外转子济宁矿用变压器（PMSM），转子磁路采用表面插入式结构。首先，分析外转子PMSM的结构特征，并对电机电磁方案进行研究；设计1台3kW、6极的车用外转子PMSM，并完成样机制作及测试；其次，研究PMSM的无位置传感器矢量控制，并结合设计的电机参数，利用MATLAB/Simulmk软件对系统进行仿真分析。研究结果表明：外转子PMSM具有效率高、转矩密度大、适合低速运行等特点，可直接驱动济宁矿用变压器辆；采用“磁场有限元分析”结合“等效磁路计算”的方法，有利于提高电机设计分析的准确度；对该电机系统实施的无传感器矢量控制策略，取得了较好的效果；利用滑模观测器能够较准确地估算电机转速和跟踪转子位置，并对负载变化引起的扰动具有较强的鲁棒性。
基金项目：湖南省科技计划项目（2012F3042）；湖南大学“青年教师成长计划”项目（531107040650）；国际科技合作专项（2011DFA62240）通信作者：刘建林（1978-），男，湖南湘乡人，副教授，从事电机技术、智能控制研究；；E-mail：tikolin126.com济宁矿用变压器是一种清洁、节能的绿色交通工具，能够做到“零排放”在行驶过程中无污染、热辐射低、噪声小、不消耗汽油，受到世界各国的关注。电动及其驱动系统是济宁矿用变压器的核心部件之一，主要分为济宁矿用变压器、济宁矿用变压器和同步济宁矿用变压器3类系统。根据车辆行驶特点，选用电机要求具有起动转矩大、范围宽、效率高和功率密度大等特点。近年来，稀土永磁电机以其体积小、性能好、可靠性高、输出转矩大等优点，在济宁矿用变压器驱动系统中得到了越来越广泛的应用，也成为济宁矿用变压器电机的发展方向。按电机安装位置的不同，分为集中式驱动和轮毂式驱动。集中式驱动中用济宁矿用变压器替代传统的发动机，动力系统还包括机械式操纵换档装置、离合器、变速器、传动轴、机械差速器和车轮。轮毂式驱动则直接将济宁矿用变压器安装在驱动车轮上，因此，更具结构紧凑、传动效率高、响应快，各驱动车轮独立可控、操作性能高等优点。轮毂式驱动又分为减速驱动和直接驱动。与减速驱动相比，直接驱动省去了减速机构，缩小了车轮轴向尺寸，结构更简单紧凑、效率更高，使用寿命长，车辆行驶和操作的平稳性好。但直接驱动对电机的性能要求也更高，如需更大的转矩、更大的过载能力和更宽的范围等。为此，本文作者提出一种电机系统，采用外转子电机，具有低速、大转矩等优点，符合直驱式轮毂驱动的要求；系统采用矢量控制，具有良好的性能。
1外转子PMSM设计1.1电机的基本结构特征外转子济宁矿用变压器的主要部分是内定子和外转子。所示为电机整体结构的3/4剖面图。
内定子由定子铁心、绕组和主轴等部分组成。定子铁心由冲槽的硅钢片迭压而成。定子槽内嵌放绕组，槽数视绕组相数和极对数而定，并综合考虑电磁和工艺要求，选用合适的槽形。本方案中设计的6极电机为36槽均布，选用平底槽结构。电机的定子绕组是实现能量转换的主要部件之一，与感应电机的绕组类似。在本方案中，采用的是星形联接的单层链式绕组。
电机轴是外转子电机的主要机械支撑部件，要求具有较高的机械强度和刚度，轴还要为电机的引出线提供引出场所。在本方案中，电机轴的设计如所示，在轴的一端钻出一定深度的盲孔，靠近定子绕组端部的轴表面开有一径向孔，与盲孔连通，引出线即可由此沿盲孔引出。
外转子是电机中产生磁场的部件，在本方案中主要包括转子铁心、永磁体和端盖。
济宁矿用变压器用济宁矿用变压器通常为运行，无需起动绕组。由于济宁矿用变压器转速较低，对转子机械强度的要求不是很高，可采用制造工艺相对简单的表面式转子磁路结构，在外转子旋转时，离心力施加于永磁体上使其不容易脱离。车用济宁矿用变压器由于其运行工况的特点，与数控机床类精密系统相比，控制精度要求不是特别高，因此，磁阻转矩的不利影响较小，相反，还可充分利用磁阻转矩来提高济宁矿用变压器的“弱磁”扩速能力，以保证较宽的恒功率运行范围和良好的动态性能。所以，本例中采用表面插入式转子结构，如所示，在电磁性能上表现凸极性。转子齿截面为楔形，可辅助固定永磁体。永磁体选用具有较大矫顽力、较强抗去磁性能和高磁能积的稀土材料，本方案中采用的是具有优异磁性能的烧结钕铁硼材料。
端盖用螺钉固定在定子铁心上，主要对绕组端部起防护作用。端盖与电机轴通过轴承联接，使得整个外转子与轴之间只存在圆周方向的相对运动。
1.2外转子PMSM电磁设计与有限元分析外转子力矩电机的设计思路与内转子式电机的设计思路基本相同。
电机的主要尺寸Aitf可根据要求的电磁转矩和选定的电磁负荷由下式得出：定子极距ri的表达式为的主要尺寸比Lef斤1，则由式（1）和式（2）可得到济宁矿用变压器的主要尺寸。
从式⑴可以看出：Ai2Lef在很大程度上取决于气隙磁密基波幅值BSi与定子电负荷有效值A，其中电负荷往往根据设计经验来选取，而磁负荷主要由永磁体尺寸和转子磁路结构决定。
转子永磁体尺寸（宽度m，厚度和轴向长度Lm）决定了气隙磁密波形，除影响济宁矿用变压器的运行性能外，还影响济宁矿用变压器中永磁体的空载漏磁系数，从而决定了永磁体的利用率。永磁体的轴向长度Lm通常与铁心长度Lef相同，即LM=Lef.表面式磁路结构的永磁体宽度和厚度的尺寸可由下式确定：磁材料的计算剩磁密度（T）；Bs为计算气隙磁通密度（或称为最大气隙磁通密度的有效值）（T）；么￡为气隙有效长度（mm）；ap为永磁磁极的极弧系数。
由于预先估计和近似计算的影响，利用上述公式计算的尺寸往往存在较大误差。例如：为简化计算，设计时一般认为计算极弧系数与永磁磁极的极弧系数ap近似相等。对于表面式转子磁路结构，ap为永磁体宽度‘与极距ri之比，则有而实际上，计算极弧系数与极弧系数的近似相等仅存在于永磁体宽度为某一特定值时。随着永磁体宽度的变化，计算极弧系数的变化也很大，因此，不能简单地等同于极弧系数来处理。
为解决设计中的这一问题，可采用有限元法对电机磁场进行分析，获取较精准参数，再结合等效磁路计算进行优化。进行有限元分析时，一般采用矢量磁位来表征磁场强度。通常将电机内部磁场分析简化为二维平面场的分析问题，假设电机内磁场沿轴向均匀分布，硅钢片材料各向同性，且磁场仅限于济宁矿用变压器内部。以本文研究的6极表面式转子磁路的外转子永磁电机为例，所示为空载情况下定子和转子处于图示的相对位置时电机内的磁力线分布情况。i对极下的空载气隙磁密波形如所示，其横坐标x为沿圆周方向上的距离。
从1个极距ri内气隙磁密的分布看，将不均匀分布的气隙磁密径向分量等效为均匀分布的矩形波，高度为最大磁通密度Bs，宽度为计算极弧系数ai乘以1个极距，即ai，则有外转子PMSM样机及试验测试平台如所示。
经测试，样机性能满足设计指标要求。
其中：5Sav为1个极距内气隙磁密径向分量的平均值。
显然，式（6）与式（4）有明显区别。在电机设计时可以采用式（4）进行初步估算，而根据式（6）对电机性能进行进一步分析。
2外转子PMSM样机与测试以1台额定功率为3kW、额定转速为400r/min的6极车用外转子济宁矿用变压器为例，设计得到的基本结构和主要预取尺寸如表1所示。
表1济宁矿用变压器主要结构尺寸Table参数值定子外径/mm气隙长度/mm铁心长/mm定子槽数/个绕组形式单层链式每相串联数/匝转子结构表面插入式硅钢片牌号永磁体牌号永磁体厚度/mm永磁体宽度/mm永磁体长度/mm 3PMSM的控制研究控制策略很多，其中矢量控制是较典型的可靠易行的方案。矢量控制的基本思想是在电机上模拟电机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将定子电流矢量分解成产矿用变压器生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使2个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节，实现转矩控制。对于济宁矿用变压器，从静止ABC坐标系变换到甸坐标系后，电磁转7；m可由下式计算：从式（7）可以看出：对PMSM电磁转矩的控制基本上取决于对交轴电流和直轴电流的控制。PMSM的电流控制策主要有id=0控制、恒磁链控制、最大转矩电流比控制、cos =1控制等。本文选取最简单的id=0磁场定向控制方式。该方式能够有效遏制因电机电枢反应带来的去磁作用，减少了铜耗，且输出力矩与定子电流成正比，易于对电机转矩进行控制。
矢量控制一般通过检测或估计转子位置及幅值来控制定子电流或电压，因此，需要得到准确转子位置和速度信号，目前大多采用传感器来获取。常用的位置传感器有光电编码器、霍尔传感器、磁编码器等，应用技术也比较成熟，但是，位置传感器在电机系统中的存在也带来一系列缺陷：系统成本增加；安装和维护困难；精度受环境影响大，在高温、高湿、振动等恶劣环境下无法工作。鉴于以上原因，无传感器控制开始在很多领域替代传统控制。济宁矿用变压器用PMSM往往运行在比较恶劣的环境下特别是存在较强的振动时，因而适合米用无传感器控制。
本文对外转子PMSM的无传感器控制进行研究。在无传感器控制中，转子位置和转速通过各种不同的估算方法来得到。所示为无传感器矢量控制系统框图。
速度和磁场的控制在坐标系下完成，转速给定信号与转速观测器估算的转速进行比较，进入速度PI调节器，得到转矩电流/q给定信号，转矩电流经PI调节器后得到转矩电压。将交直轴电流闭环控制得到的电压给定经坐标变换后经SVPWM生成PWM控制信号，以驱动逆变桥，实现整个PMSM的矢量控制。
采用滑模观测器算法，利用MATLAB/SIMULINK对控制系统进行仿真分析。模型采用设计样机的参数，电机带负载起动，初始转矩给定为2N.m，转速稳定后，在0.2s时负载突增为20N-m.在给定转速为400r/min时，通过仿真输出观测器得到的实际转速波形如所示。其中：（a）所示为运行全过程中的转速波形，（b）所示为负载突变时转速波动的波形。
由滑模观测器得到的估算转速波形如所示，其中：（a）和9（b）所示分别为运行全过程中转速波形和负载突变时转速波动的情况。
从和可以看出：转速的稳态误差在1r/min以内；当负载从2N.m突增至20N.m时，转速波动范围为7~8r/min.由滑模观测器得到的估算转子位置角默认为0~2n，其仿真波形如0所示。
将0所示的估算转子位置角换算到0~，与仿真输出观测器得到的实际转子角进行比较，如1所示。由1可以看出：2条曲线几乎重合，说明滑模观测器能够很好地跟踪转子位置。
时间/s 0估算转子角度时间/s 1估算转子角度与实际角度偏差由仿真输出观测器得到的输出转矩与定子电流波形分别如2和3所示。
由2和3可以看出：滑模观测器能够较准确地反馈电机转速和转子位置；负载突变后，转速波2力较小，系统由加载前的稳态到达加载后新的稳态所需的时间约为0.02s，响应很快，说明系统对外界扰动具有较强的鲁棒性。
时间/s 2输出转矩3定子电流4结论提出了一种外转子结构的济宁矿用变压器用低速直驱式稀土济宁矿用变压器。采用表面插入式转子磁路，使其电磁性能表现一定的凸极性，有利于提高济宁矿用变压器的“弱磁”扩速能力，保证较宽的恒功率运行范围和良好的动态性能。
对1台3kW、额定转速为400r/min的6极车用外转子PMSM样机进行设计、制作及测试。采用磁场有限元分析并结合等效磁路计算的方法，可降低单纯采用等效磁路法设计带来的误差影响，有利于提高电机设计分析的准确度。
滑模观测器算法能够较准确地估算电机转速和跟踪转子位置，并对负载变化引起的扰动具有较强的鲁棒性，在矢量控制仿真分析中取得了较好的效果。
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