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單霍爾傳感器高速永磁同步電機係統的研究

人氣: | 時間:2014/4/17 9:57:36 | 關閉

       高速電機具有體積小、重量輕、功率密度高等優點。對於高速負載,用高速電機直接驅動可以省往機械傳動裝置,避免了傳動裝置引起的損耗、機械振動與噪聲,從而使設備體積減小,運行效率和運行精度得以進步。高速電機在主軸、電動工具、泵、高速壓縮機等領域得到了廣泛的應用。目前國內外普遍采用感應電機進行高速直接驅動,固然結構簡單,但轉子損耗大、效率低、壽命短,同時存在轉差,穩速困難。方波驅動無刷直流電機采用電勢換向、鎖相控製,固然往掉了傳感器,但諧波損耗大,轉矩波動大,一般僅用於小功率驅動。永磁同步電機具有效率高、噪音低、運行可靠、轉矩波動小、控製特性良好等優點,最適合高速運行,但傳統的永磁同步電機需要轉子位置傳感器。而高速電機對轉子要求有足夠的機械強度和剛度,因此高速電機的結構較一般電機更為緊湊,盡可能把轉軸設計得短一些,以進步其剛度,這樣要在高速電機的轉軸上安裝位置傳感器,無論從電機結構上考慮還是傳感器的裝配與調試都有較大的難度。利用電機的三相電壓或電流來估算電機轉子的位置,但由於相電壓上疊加有較大的PWM載波,給濾波帶來一定的困難,且控製回路與主回路電氣隔離較難實現。
       本文以一台30,000r/min、3.3kW的高速永磁同步電機為例,對高速永磁同步電機的電磁設計和機械設計進行了研究。並采用了一種新型簡易轉子位置傳感方法,即采用一個鎖定型霍爾元件作為傳感器。通過對位置信號的轉化和補償,可以得到高精度的轉子信號。同時,轉速信可以從位置信號處理電路中得到。基於這種位置傳感方法,采用CRPWM電流控製法實現了磁場定向矢量控製。

         電磁設計

             由於采用電子換向和變頻電源供電,無刷直流電機在極數的選擇上有較大的餘地。但電機定子繞組中的電流頻率為:
    f=pn/60  (1)
    式中n為電機的轉速;p為極對數。
    可見,對於給定的轉速來說,極數越多,定子電流的交變頻率越高,這會增加定子鐵心的鐵耗與定子繞組的銅耗,且有輸出頻率的升高,脈寬調製的載波比將減小,定子電流諧波將增加,這又會增加定轉子損耗。但2p=2時,定轉子軛部磁密較高,且繞組端部較長。
    定子繞組假如采用整數槽,往往會出現較大的齒槽定位力矩,影響電動機係統的低速性能。由於加工條件所限,電機又不易采用斜槽或斜極。為了減少定位力矩,同時為了減少空載反電勢中的齒諧波,本文采用分數槽分布繞組。
    綜合上述因素,取極數2p=4,定子槽數為18,每極每相槽數q=1.5。
    為了安裝方便,電機采用徑向磁路表麵磁鋼式轉子結構,磁鋼采用高磁能積的釹鐵硼永磁材料,瓦形磁鋼粘貼於轉子表麵,極弧係數α=1。電機結構示意圖如圖1所示。


                                 圖1 電機結構示意圖

             在高速永磁同步電機中,隨著供電頻率的升高,高頻鐵損的影響也將增大,為減少鐵損,同時為避免磁路飽和,氣隙磁密不易取得過高,本文設計的電機的氣隙磁密為0.5T。
    本文研究的高速同步電機的相反電勢波形及其頻譜圖如圖2、圖3所示。從頻譜圖可以看出,反電勢中主要存在3次諧波,但由於采用三相半橋無中線逆變驅動電路,線電勢中無3的倍數次諧波,不會產生3次諧波電流;反電勢中同時存在相對幅值小於1%的5次諧波,偶次諧波可能由於轉速不均勻和磁鋼材料不均勻產生的,其相對幅值小於5‰。

         機械設計


                                                    圖2 反電勢波形

                                                       圖3  反電勢的頻譜圖

             高速電機中,不但選用的軸承要適合高速運行,同時軸承檔與軸承室的配合要合適,不能太緊也不能太鬆,還應對軸承施加一定的預緊力。

             電機的轉子應有足夠的機械強度和良好的動平衡性,以避免高速運行時離心力作用使轉子受到損壞。同時轉子表麵要求光滑,以減少高速運行時的噪聲和機械損耗。磁鋼外麵用玻璃纖維帶綁紮,以加強機械強度。綁紮匝數 可以表示為:

(2)
    式中C為安全係數;Z為離心力(kg);FT為綁紮帶的強度(kg)。
    轉子位置的檢測
    在永磁同步電機中,在定子適當位置安放一個霍爾元件,轉子勻速旋轉時,霍爾元件就會輸出一個上升沿和下降沿與轉子磁場強度B0的過零點相對應的方波信號,將方波信號處理後,便得到數字式的轉子位置信號θ,用這個數字量往查表,經D/A轉換和放大後即得正弦波參考電壓,如圖4所示。本文采用了文獻 提出的位置轉換電路,霍爾的輸出與實際轉子位置的相差可得到補償。同時,超前角也可設定。


                                     圖4 霍爾輸出與對應的轉子位置關係

         驅動係統



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