CN100438279C - 复合励磁永磁同步调速电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合励磁永磁同步调速电动机，它包括复合励磁稀土永磁同步电动机和调速控制系统，复合励磁稀土永磁同步电动机包括转轴、端盖、机壳，电枢绕组，所述转轴上装有主励磁用稀土永磁体转子和调压用辅助电励磁转子，所述稀土永磁体转子和辅助电励磁转子共用电枢绕组，产生的磁势在磁路中并联合成。本发明是一种过载能力强，在满足转矩要求下有较宽的调速范围，能够实现电机无刷励磁，且可靠性和稳定性好，能够用于对过载能力和调速范围要求较高的场合的复合励磁永磁同步调速电动机。

Description

复合励磁永磁同步调速电动机

技术领域

本发明主要涉及到电动机变频调速系统领域，特指一种复合励磁永磁同步调速电动机。

背景技术

现有技术中，以电动机为驱动的电力驱动系统(如电力驱动舰艇、电力机车等)对电动机的转矩-转速特性有一定的要求，即电动机要具有较大的过载能力和较宽的调速范围。在低速运行时要求电动机有很强的过载能力，即输出转矩较大；而在高速运行时，却需要输出转矩较小。目前，电机分为电励磁电机和永磁电机两种，前者是在电机绕组内通过以电流来产生磁场，这样的电机既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断地供给能量以维持电流流动；而后者是由永磁体产生磁场，不需要外加能量就能在其周围空间建立磁场，这样既可简化电机结构，减小其体积，又可节量，因此这种永磁电机在电力驱动系统中最具有应用前景。这种稀土永磁体的励磁磁场无法调节，所以在一定程度上制约着永磁电机的推广应用，比如永磁发电机，当其负载或转速变化时，这类发电机操持恒压是比较困难的，使得其应用受到很大的限制，特别是在对供电质量要求高的领域难以推广应用。永磁同步电动机同样也存在励磁无法调节的问题，难以在对过载能力和调速范围要求较高的领域推广。有学者相继提出一些解决方案如i_d＝0控制、弱磁控制等，其基本思想是矢量控制，在功率不变约束条件下，通过坐标变换把电动机实际电流i_U、i_V、i_W变换到dq坐标系的电流i_d、i_q，并由此推导得电磁转矩公式T_em＝p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]，式中ψ_f为永磁体产生的等效磁链，p为极对数，L_d、L_q是定子绕组的d、q轴电感，一般情况下L_q＞L_d。i_d＝0控制时电磁转矩T_em＝pψ_fi_q，此时单位定子电流可获得最大的转矩。弱磁控制则是指同时调节i_d、i_q来调节转矩，此时电动机的转速为Ω＝u/[p(ψ_f-L_di)]，式中u为变频器输出电压，i为电动机电流， $i^2=i_d^2+i_q^2.$ 由于永磁体磁链ψ_f是恒定不变的，且变频器所能输出电压和电动机电流都有一定极限，分别为u_lim、i_lim。综上所述，上述现有技术中的控制方法实际应用的效果并不令人满意，难以满足电力驱动系统对电动机转矩-转速特性的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种过载能力强，在满足转矩要求下有较宽的调速范围，能够实现电机无刷励磁，且可靠性和稳定性好，能够用于对过载能力和调速范围要求较高的场合的复合励磁永磁同步调速电动机。

为了解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种复合励磁永磁同步调速电动机，其特征在于：它包括复合励磁稀土永磁同步电动机和调速控制系统，所述复合励磁稀土永磁同步电动机包括转轴、端盖、机壳和电枢绕组，所述转轴上装有主励磁用稀土永磁体转子和调压用辅助电励磁转子，所述稀土永磁体转子和辅助电励磁转子共用上述电枢绕组，产生的磁势在磁路中并联合成；所述调速控制系统包括微控制器、PWM逆变电路、励磁调节电路、驱动电路、电压检测器、电流检测器以及位置检测器，所述微控制器通过驱动电路分别与上述PWM逆变电路和励磁调节电路相连；复合励磁永磁同步调速电动机的定子出线与所述PWM逆变电路相连，复合励磁永磁同步调速电动机的辅助电励磁绕组和所述励磁调节电路相连；用来检测复合励磁永磁同步调速电动机转子位置信息的所述位置检测器以及用来检测PWM逆变电路输出电流和电压信息的所述电压检测器和电流检测器分别与微控制器相连。

所述励磁调节电路采用四象限斩波调压电路。

所述辅助电励磁转子为爪极式结构，它包括爪数相等且爪数为极数的一半的前爪和后爪以及夹在前爪和后爪之间的电磁线圈，两爪之间通过非导磁材料连接，爪相互错开，沿圆形均匀分布。

所述辅助电励磁转子通过导磁托架固定于端盖上。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明的复合励磁永磁同步调速电动机采用了复合励磁的技术方案，配合相应的PWM逆变器和辅助电励磁调节电路，采用永磁电动机i_d＝0控制、弱磁控制等控制方法和调节辅助电励磁电流相结合，很好地解决了永磁同步电动机转矩和转速调节难的问题，实现了电机励磁无刷化，使其可靠性得以提高。

2、本发明的复合励磁永磁同步调速电动机，系统的可靠性又大大提高，可以保证在缺相的情况下仍然稳定运行，当其中有一相或多相开路时，本系统采用下列三种措施保证其继续稳定运行。其一，直接加大励磁电流，使气隙合成磁链增大，可在一定范围内增大电磁转矩满足系统要求。其二、通过对其它正常运行相的电流幅值、相位的调整并配合电励磁调节来保证定子合成磁势不变，使磁势的幅值和相位在故障前后保持一致。在一定的负载条件下，使系统仍然有满足要求的转矩-转速特性。其三、采用基于绕组不对称结构的矢量控制在新的不对称绕组结构情形下实现电流、磁链和电磁力矩的解耦控制，使得正常运行的多相同步电动机在故障后依然具有良好的控制性能。特别适合用于对系统可靠性要求很高的场合。

附图说明

图1是本发明复合励磁稀土永磁同步电动机的结构框架示意图；

图2是本发明复合励磁稀土永磁同步电动机的结构示意图；

图3是辅助电励磁转子的结构示意图；

图4是本发明中微控制器的示意图；

图5是本发明中PWM逆变电路的示意图；

图6是本发明中四象限斩波调压电路的示意图；

图7是本发明驱动电路的示意图；

图8是本实施例中驱动装置所要求的转矩-转速特性示意图。

图例说明

1、转轴          2、端盖

3、导磁托架      4、前爪

5、电磁线圈      6、后爪

7、隔磁板        8、电枢绕组

9、永磁体        10、转子铁心

11、机壳

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明的复合励磁永磁同步调速电动机，它包括复合励磁稀土永磁同步电动机和调速控制系统，该复合励磁稀土永磁同步电动机包括转轴1、端盖2、机壳11，电枢绕组8，该转轴1上装有主励磁用稀土永磁体转子和调压用辅助电励磁转子，稀土永磁体转子和辅助电励磁转子共用电枢绕组8，产生的磁势在磁路中并联合成，稀土永磁体9的转子铁心10两侧底部设有隔磁板7。参见图3所示，本发明的辅助电励磁转子为爪极式结构，它由爪数相等且爪数为极数的一半的前爪4和后爪6以及夹在前爪4和后爪6之间的电磁线圈5组成，两爪之间通过非导磁材料连接，爪相互错开，沿圆形均匀分布。辅助电励磁转子通过导磁托架3固定于端盖2上。

参见图1所示，本发明中的调速控制系统包括微控制器、PWM逆变电路、励磁调节电路、驱动电路、电压检测器、电流检测器以及位置检测器，微控制器通过驱动电路分别与PWM逆变电路和励磁调节电路相连；复合励磁永磁同步调速电动机的定子出线与PWM逆变电路相连，复合励磁永磁同步调速电动机的辅助电励磁绕组和励磁调节电路相连；用来检测复合励磁永磁同步调速电动机转子位置信息的位置检测器以及用来检测PWM逆变电路输出电流和电压信息的电压检测器和电流检测器分别与微控制器相连。

如图4所示，本发明具体实施例中的微控制器采用TI公司生产的低功耗DSP芯片TMS320LF2812，该芯片共有176个引脚，其中图中给出的PWM1～PM10为10路PWM波形高速输出端口，ADINA0～ADINA5为6路模拟信号输入端口，CAP1～CAP3用于位置检测信号输入。

如图5所示的本发明具体实施例中的PWM逆变电路，其中T1-T6采用为功率开关器件，采用的是具有高频自关断器件IGBT，VD1-VD6为与之反并联的大功率快速恢复二极管，它们为电机无功电流提供通路，A、B、C三点引出线分别接到电机定子三相绕组引出线上。

如图6所示的本发明具体实施例中的四象限斩波调压电路，其中T7-T10为功率开关器件，采用的是具有高频自关断器件IGBT，VD7-VD10为快速恢复二级管，Rf为励磁线圈的等效电阻，Lf为等效电感；规定当电流由电源正极经T7→Rf→Lf→T10到电源负极时，辅助励磁磁势起助磁作用；反之，当电流由电源正极经T9→Lf→Rf→T8到电源负极时，起去磁作用。

如图7所示，本发明具体实施例中用来连接微控制器和PWM逆变电路以及四象限斩波调压电路的驱动电路，其中SN74LVC4245A为双向驱动芯片，其输入端口PWM1接到微控制器DSP芯片的PWM1输出端口，其输出PD1通过74HC08和74HC06组成的互锁电路连到光电隔离芯片TLP559上，该芯片的输出端口PW1连到IGBT上，对它进行驱动。逆变器有6个IGBT，需要6路这样的驱动，令其输入端口PWM1～PWM6分别与微控制器DSP的PWM1～PWM6输出端口相连，输出端口PW1～PW6输出六路PWM调制波形，分别与逆变器的T1～T6相连。斩波调压电路有4个IGBT，需要4路这样的驱动，令其输入端口PWM7～PWM10分别与微控制器DSP的PWM7～PWM10输出端口相连，输出端口PW7～PW10输出四路PWM调制波形，分别与四象限斩波电路的T7～T10相连。

在本实施例中，电压检测器和电流检测器采用精度高、响应快、过载能力强的霍尔电压与电流传感器，三路电压检测信号由ADINA0～ADINA2端口输入到微控制器DSP芯片中去，三路电流检测信号由ADIN3～ADIN5端口输入到微控制器DSP芯片中去。位置检测器采用结构简单、工作可靠的霍尔位置检测器。检测信号由端口CAP1～CAP3输入。

工作原理：为了达到系统所要求的转速和转矩，在应用永磁电动机变频调速控制技术的同时，调节辅助电励磁部分的磁场，进而改变气隙磁通，当T7和T10导通时，认为等效励磁绕组Lf上通过正的电流，起助磁作用；反之，起去磁作用。复合励磁稀土永磁同步电动机的电磁转矩公式为T_em＝p[(ψ_f+ψ_a)i_q+(L_d-L_q)i_di_q]，转速公式为Ω＝u/{p[(ψ_f+ψ_a)-L_di)]}，式中ψ_a为辅助电励磁磁链。由上两式可以看出在调节i_d、i_q的同时，也可以通过调节励磁电流来调节辅助电励磁磁链ψ_a，以实现转速和转矩的调节。在低速运行时，为获得较大的过载能力，即得到较大转矩，采用永磁电动机i_d＝0控制的同时，微控制器TMS320LF2812的PWM7～PWM10端口输出调制脉冲波形使T8和T9同时有低电平关断，而T7和T10同时有高电平导通，并且使辅助励磁电流调到最大值，电流由电源正极经T7→Rf→Lf→T10到电源负极，此时电磁转矩T_em＝p(ψ_f+ψ_am)i_q，式中ψ_am为最大辅助电励磁磁链，使辅助励磁磁链和永磁体励磁磁链的合成磁链达到最大。随着转速的升高，可以使T7一直导通，而用T10进行斩波来减小励磁电流，电磁转矩也随之减小。额定转速时，T7～T10均不导通，励磁电流为零，此时电磁转矩由永磁转矩和爪极结构转子产生的磁阻转矩合成。当速度再增加时，可采用弱磁控制，在调节i_d、i_q的同时，T7与T10关断，T8与T9导通使励磁电流的方向改变，进行减磁，此时辅助电励磁磁链ψ_a＜0。由式Ω_max＝u_lim/{p[(ψ_f+ψ_a)-L_di_lim)]}可知在变频器输出电压和电动机电流达到极限时，仍然可使速度继续升高，再由式T_em＝p[(ψ_f+ψ_a)i_q+(L_d-L_q)i_di_q]可以看出，此时电磁转矩降低。这样很方便地实现了宽范围内转速和转矩的调节，使系统可以作恒转矩、恒功率或变转矩、变功率运行。为了准确的控制定子绕组通电时刻，在电机轴端安装了一个转子位置检测器，作为相位控制的定位基准信号。当对系统的可靠性要求很高时，可采用复合励磁永磁多相同步电动机。

现以实际状态下的例子做简要说明，如图8所示，为某驱动装置所要求的转矩-转速特性。该特性用一般的控制方法在实际应用中很难实现，但应用本发明可以完全实现。在转速1000(r/min)以下运行时，采用i_d＝0控制的同时，辅助励磁电流调到最大值以获得大的电磁转矩。随着转速的升高，可减小励磁电流，电磁转矩也随之减小。在额定转速3000(r/min)时，励磁电流为零。当速度再增加时，可采用弱磁控制，并改变励磁电流的方向，使辅助电励磁磁链ψ_a＜0，进行减磁。

Claims (4)

1、一种复合励磁永磁同步调速电动机，其特征在于：它包括复合励磁稀土永磁同步电动机和调速控制系统，所述复合励磁稀土永磁同步电动机包括转轴(1)、端盖(2)、机壳(11)和电枢绕组(8)，所述转轴(1)上装有主励磁用稀土永磁体转子和调压用辅助电励磁转子，所述稀土永磁体转子和辅助电励磁转子共用上述电枢绕组(8)，产生的磁势在磁路中并联合成；

所述调速控制系统包括微控制器、PWM逆变电路、励磁调节电路、驱动电路、电压检测器、电流检测器以及位置检测器，所述微控制器通过驱动电路分别与上述PWM逆变电路和励磁调节电路相连；复合励磁永磁同步调速电动机的定子出线与所述PWM逆变电路相连，复合励磁永磁同步调速电动机的辅助电励磁绕组和所述励磁调节电路相连；用来检测复合励磁永磁同步调速电动机转子位置信息的所述位置检测器以及用来检测PWM逆变电路输出电流和电压信息的所述电压检测器和电流检测器分别与微控制器相连。

2、根据权利要求1所述的复合励磁永磁同步调速电动机，其特征在于：所述励磁调节电路采用四象限斩波调压电路。

3、根据权利要求1或2所述的复合励磁永磁同步调速电动机，其特征在于：所述辅助电励磁转子为爪极式结构，它包括爪数相等且爪数为极数的一半的前爪(4)和后爪(6)以及夹在前爪(4)和后爪(6)之间的电磁线圈(5)，两爪之间通过非导磁材料连接，爪相互错开，沿圆形均匀分布。

4、根据权利要求3所述的复合励磁永磁同步调速电动机，其特征在于：所述辅助电励磁转子通过导磁托架(3)固定于端盖(2)上。

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