一种多工况条件下永磁直流无刷电机设计方法

2021-07-19成俊康白海琳

探索科学(学术版) 2021年6期

成俊康胡昊陈晨白海琳

西安航天动力测控技术研究所陕西西安 710025

引言

受新型高性能永磁材料技术的进步、电力半导体器件和专用控制集成电路的发展以及自身优势性能突出等相关因素的影响,永磁直流无刷电机(PMBLDCM)越来越广泛地被应用于各种伺服驱动系统和传动系统中[1]。在进行单一工况的永磁直流无刷电机设计时,通常把工作点设置在最高效率点,以期达到节能增效的目的;然而,在实际工业生产中,电机的多工况运行是一种普遍现象,如何设计电机使得各子工况条件下电机的性能相对较优是一个比较现实的问题。因此,深入地了解并研究多工况条件下永磁直流电机设计技术愈发显得重要。

1 永磁直流无刷电机一般设计方法

永磁直流无刷电机设计主要是根据其额定值和技术性能指标,并针对设计对象的某些具体工艺要求,选择重点考虑因素,做到保证重点,照顾一般,并充分考虑其经济指标[2]。其一般设计方法为:

(1)分析技术指标,参考以往设计经验,拟定总体设计方案,主要包括确定主要尺寸,确定槽极配合,确定绝缘等级、冷却方式等等;

(2)根据设计对象的特性及技术要求选择主要材料,例如有质量要求的其结构支撑件可选择铝合金、钛合金,电磁频率高的可选择更薄的牌号更高的软磁材料,功率密度高的可考虑使用剩磁、磁能积更优的硬磁材料等等;

(3)依据磁路法、有限元分析或者是场路结合的方法进行迭代,详细电磁设计;

(4)进行结构设计和机械强度校核核算;

(5)必要时进行热仿真分析、机械时间常数等相关指标的校核;

(6)设计时很多参数是相互矛盾、相互制约的,故需反复设计优化。

在进行多工况条件下电机设计时,常用的方法是对实际多个工况进行分析,然后根据各个工况的优先级确定某一工况为额定工况,并按照通常的永磁直流无刷电机设计方法进行迭代设计。然而,如果设计是基于某一工况的需求来进行的话,那么在该工况条件下,电机的性能诸如效率、电流密度、热负荷等表征较优,但在其它工况条件及约束条件(诸如尺寸包络、重量、工作制等)下其性能就未必较优,甚至电机有损坏的风险。那么,如何让多个工况条件下电机性能综合较优呢?改变电机的自然机械特性曲线不失为一个好的方法。

众所周知,对于一个已经设计好的电机,其自然机械特性曲线是表征电机能力固有属性的一个指标。如若把多个工况分布在一条自然机械特性曲线上不能很好的达到上述目标,那么,设计多条自然机械特性曲线,并根据各个工况的特点,把各个工况合理地分布在合适的自然机械特性曲线上,就能达到多工况条件下各工况电机性能均保持相对较优的目的。

2 多工况条件下永磁直流无刷电机绕组设计方法

在多工况实际运行条件下,本文提出了一种通过改变电机电枢绕组连接方式的方法,使得设计的电机拥有多条自然机械特性曲线,以达到改善多工况条件下电机运行的综合性能的目的,下面将详细说明。

(1)独立双备份绕组设计。通常的永磁直流无刷电机其连接方式为三相六状态星形连接,即三相绕组通过引出线引出,中性点固定在电机组件内部。如果把构成每一相的绕组再均分,并保证均分后的绕组其磁动势完全相同,然后组成两套完全一样的三相对称绕组,这样就形成了双余度绕组,其中一套绕组被称为主绕组、另一套被称为备绕组。主、备绕组由于完全同相位,故主、备切换前后产品的性能不会发生改变,此结构极大的提高了系统的可靠性。双余度电机的设计技术请参考相关文献[3][4][5]。本文用于系统仿真及试验验证的独立双备份绕组设计,采用的是16极18槽配合,其主、备绕组设计连接图如图1所示。

图1 双备份绕组设计典型示例

(2)串联绕组设计。在独立双备份绕组设计基础之上,如果把主备绕组各相首尾连接,串联起来,就形成了串联绕组,其结构示意如图2所示。由于主、备绕组的结构参数及电角度完全相同,因此主备绕组串联时一定要注意串联极性,切不可因为联结问题使得主备绕组磁动势完全抵消,造成电机不能正常运行的恶果。相对于独立双备份绕组,串联绕组具有以下特征:

图2 串联绕组设计结构示意

A.相电阻是独立双备份绕组的2倍;

B.每相的有效匝数是双备份绕组的2倍,且双备份绕组主备绕组所形成的磁场完全耦合,故理想反电势系数、启动力矩系数是独立双备份绕组的2倍;

C.理想空载情况下,根据公式U=E=Ke*n0(U—供电电压,E—理想反电势,Ke—理想反电势系数,n0—理想空载转速)可得,理想空载转速是独立双备份绕组的一半;

D.理想堵转情况下,根据公式T堵转=KT*I堵转=KT*U/R(T堵转、I堵转—堵转转矩、堵转电流,KT—启动力矩系数,R—电阻)可得,堵转电流是独立双备份绕组的一半,堵转转矩不变。

综上,串联绕组设计所形成的自然机械特性曲线如图3所示,绕组设计连接典型示例如图4所示。

(3)并联绕组设计。在独立双备份绕组设计基础之上,如果把主备绕组各相首并联在一起,中性点并联在一起,就形成了并联绕组。同理,并联绕组也需注意联结极性问题。相对于独立双备份绕组,并联绕组具有以下特征:

A.相电阻是独立双备份绕组的一半;

B.理想反电势系数、启动力矩系数不变;

C.理想空载转速不变;

D.理想堵转电流是独立双备份绕组的2倍,堵转转矩是独立双备份绕组的2倍;

通过双备份绕组设计、串联绕组设计、并联绕组设计可获得三种典型的自然机械特性曲线。在电机实际运行工况情况下,可根据各工况的运行特点,配置合适的自然机械特性曲线,提高多工况条件下电机的综合性能。

3 系统仿真及样机验证

依据某一项目背景,通过一个具体的仿真实例来说明第2章中三种绕组联结方式对直流无刷电机性能影响。

3.1 电机设计要求及相关参数主要的设计指标与设计参数如表1所示。

表1 某永磁直流无刷电机相关设计指标及设计参数

3.2 仿真结果及分析依据实际工况,主要的设计指标与设计参数如表2所示。相对于双备份绕组,并联绕组连接方式虽不改变系统的理想反电势系数、启动力矩系数,但其效率更高、输出功率更大,通常可适用于高功率大电流工况,而串联绕组连接方式能使系统的力矩系数变为原来的2倍,故可适用于大转矩工况。而双备份绕组本身具有系统可靠性、系统可切换性的特点,可用于长时工作的工况。