複合勵磁永磁同步調速電動機的製作方法
2023-05-07 15:46:46 1
專利名稱：複合勵磁永磁同步調速電動機的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及到電動機變頻調速系統領域，特指一種複合勵磁永磁同步調速電動機。
背景技術：
現有技術中，以電動機為驅動的電力驅動系統(如電力驅動艦艇、電力機車等)對電動機的轉矩一轉速特性有一定的要求，即電動機要具有較大的過載能力和較寬的調速範圍。在低速運行時要求電動機有很強的過載能力，即輸出轉矩較大；而在高速運行時，卻需要輸出轉矩較小。目前，電機分為電勵磁電機和永磁電機兩種，前者是在電機繞組內通過以電流來產生磁場，這樣的電機既需要有專門的繞組和相應的裝置，又需要不斷地供給能量以維持電流流動；而後者是由永磁體產生磁場，不需要外加能量就能在其周圍空間建立磁場，這樣既可簡化電機結構，減小其體積，又可節量，因此這種永磁電機在電力驅動系統中最具有應用前景。這種稀土永磁體的勵磁磁場無法調節，所以在一定程度上制約著永磁電機的推廣應用，比如永磁發電機，當其負載或轉速變化時，這類發電機操持恆壓是比較困難的，使得其應用受到很大的限制，特別是在對供電質量要求高的領域難以推廣應用。永磁同步電動機同樣也存在勵磁無法調節的問題，難以在對過載能力和調速範圍要求較高的領域推廣。有學者相繼提出一些解決方案如id＝0控制、弱磁控制等，其基本思想是矢量控制，在功率不變約束條件下，通過坐標變換把電動機實際電流iU、iV、iW變換到dq坐標系的電流id、iq，並由此推導得電磁轉矩公式Tem＝p[ψfiq+(Ld-Lq)idiq，式中ψf為永磁體產生的等效磁鏈，p為極對數，Ld、Lq是定子繞組的d、q軸電感，一般情況下Lq＞Ld。id＝0控制時電磁轉矩Tem＝pψfiq，此時單位定子電流可獲得最大的轉矩。弱磁控制則是指同時調節id、iq來調節轉矩，此時電動機的轉速為Ω＝u/[p(ψf-Ldi)]，式中u為變頻器輸出電壓，i為電動機電流，i2=id2+iq2.]]>由於永磁體磁鏈ψf是恆定不變的，且變頻器所能輸出電壓和電動機電流都有一定極限，分別為ulim、ilim。綜上所述，上述現有技術中的控制方法實際應用的效果並不令人滿意，難以滿足電力驅動系統對電動機轉矩—轉速特性的要求。
發明內容
本發明要解決的技術問題就在於針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種過載能力強，在滿足轉矩要求下有較寬的調速範圍，能夠實現電機無刷勵磁，且可靠性和穩定性好，能夠用於對過載能力和調速範圍要求較高的場合的複合勵磁永磁同步調速電動機。
為了解決上述技術問題，本發明提出的解決方案為一種複合勵磁永磁同步調速電動機，其特徵在於它包括複合勵磁稀土永磁同步電動機和調速控制系統，所述複合勵磁稀土永磁同步電動機包括轉軸、端蓋、機殼，電樞繞組，所述轉軸上裝有主勵磁用永磁體轉子和調壓用輔助電勵磁轉子，所述稀土永磁體轉子和輔助電勵磁轉子共用電樞繞組，產生的磁勢在磁路中並聯合成。
所述調速控制系統包括微控制器、PWM逆變器電路、勵磁調節電路、驅動電路、電壓檢測器、電流檢測器以及位置檢測器，微控制器通過驅動電路分別與PWM逆變電路和勵磁調節電路相連；複合勵磁永磁同步調速電動機的定子出線與PWM逆變電路相連，複合勵磁永磁同步調速電動機的輔助電勵磁繞組和勵磁調節電路相連；用來檢測複合勵磁永磁同步調速電動機轉子位置信息的位置檢測器以及用來檢測PWM逆變電路輸出電流和電壓信息的電壓檢測器和電流檢測器分別與微控制器相連。
所述勵磁調節電路採用四象限斬波調壓電路。
所述輔助電勵磁轉子為爪極式結構，它包括爪數相等且爪數為極數的一半的前爪和後爪以及夾在前爪和後爪之間的電磁線圈，兩爪之間通過非導磁材料連接，爪相互錯開，沿圓形均勻分布。
所述輔助電勵磁轉子通過導磁託架固定於端蓋上。
與現有技術相比，本發明的優點就在於1、本發明的複合勵磁永磁同步調速電動機採用了複合勵磁的技術方案，配合相應的PWM逆變器和輔助電勵磁調節電路，採用永磁電動機id＝0控制、弱磁控制等控制方法和調節輔助電勵磁電流相結合，很好地解決了永磁同步電動機轉矩和轉速調節難的問題，實現了電機勵磁無刷化，使其可靠性得以提高。
2、本發明的複合勵磁永磁同步調速電動機，系統的可靠性又大大提高，可以保證在缺相的情況下仍然穩定運行，當其中有一相或多相開路時，本系統採用下列三種措施保證其繼續穩定運行。其一，直接加大勵磁電流，使氣隙合成磁鏈增大，可在一定範圍內增大電磁轉矩滿足系統要求。其二、通過對其它正常運行相的電流幅值、相位的調整並配合電勵磁調節來保證定子合成磁勢不變，使磁勢的幅值和相位在故障前後保持一致。在一定的負載條件下，使系統仍然有滿足要求的轉矩—轉速特性。其三、採用基於繞組不對稱結構的矢量控制在新的不對稱繞組結構情形下實現電流、磁鏈和電磁力矩的解耦控制，使得正常運行的多相同步電動機在故障後依然具有良好的控制性能。特別適合用於對系統可靠性要求很高的場合。
圖1是本發明複合勵磁稀土永磁同步電動機的結構框架示意圖；圖2是本發明複合勵磁稀土永磁同步電動機的結構示意圖；圖3是輔助電勵磁轉子的結構示意圖；圖4是本發明中微控制器的示意圖；圖5是本發明中PWM逆變器電路的示意圖；圖6是本發明中四象限斬波調壓電路的示意圖；圖7是本發明驅動電路的示意圖；圖8是本實施例中驅動裝置所要求的轉矩—轉速特性示意圖。
圖例說明1、轉軸 2、端蓋3、導磁託架 4、前爪5、電磁線圈 6、後爪7、隔磁板 8、電樞繞組9、永磁體 10、轉子鐵心11、機殼具體實施方式
以下將結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。
如圖1和圖2所示，本發明的複合勵磁永磁同步調速電動機，它包括複合勵磁稀土永磁同步電動機和調速控制系統，該複合勵磁稀土永磁同步電動機包括轉軸1、端蓋2、機殼11，電樞繞組8，該轉軸1上裝有主勵磁用永磁體轉子和調壓用輔助電勵磁轉子，稀土永磁體轉子和輔助電勵磁轉子共用電樞繞組8，產生的磁勢在磁路中並聯合成，稀土永磁體9的轉子鐵心10兩側底部設有隔磁板7。參見圖3所示，本發明的輔助電勵磁轉子為爪極式結構，它由爪數相等且爪數為極數的一半的前爪4和後爪6以及夾在前爪4和後爪6之間的電磁線圈5組成，兩爪之間通過非導磁材料連接，爪相互錯開，沿圓形均勻分布。輔助電勵磁轉子通過導磁託架3固定於端蓋2上。
參見圖1所示，本發明中的調速控制系統包括微控制器、PWM逆變器電路、勵磁調節電路、驅動電路、電壓檢測器、電流檢測器以及位置檢測器，微控制器通過驅動電路分別與PWM逆變電路和勵磁調節電路相連；複合勵磁永磁同步調速電動機的定子出線與PWM逆變電路相連，複合勵磁永磁同步調速電動機的輔助電勵磁繞組和勵磁調節電路相連；用來檢測複合勵磁永磁同步調速電動機轉子位置信息的位置檢測器以及用來檢測PWM逆變電路輸出電流和電壓信息的電壓檢測器和電流檢測器分別與微控制器相連。
如圖4所示，本發明具體實施例中的微控制器採用TI公司生產的低功耗DSP晶片TMS320LF2812，該晶片共有176個引腳，其中圖中給出的PWM1～PWM10為10路PWM波形高速輸出埠，ADINA0～ADINA5為6路模擬信號輸入埠，CAP1～CAP3用於位置檢測信號輸入。
如圖5所示的本發明具體實施例中的PWM逆變電路，其中T1-T6採用為功率開關器件，採用的是具有高頻自關斷器件IGBT，VD1-VD6為與之反並聯的大功率快速恢復二極體，它們為電機無功電流提供通路，A、B、C三點引出線分別接到電機定子三相繞組引出線上。
如圖6所示的本發明具體實施例中的四象限斬波調壓電路，其中T7-T10為功率開關器件，採用的是具有高頻自關斷器件IGBT，VD7-VD10為快速恢復二級管，Rf為勵磁線圈的等效電阻，Lf為等效電感；規定當電流由電源正極經T7→Rf→Lf→T10到電源負極時，輔助勵磁磁勢起助磁作用；反之，當電流由電源正極經T9→Lf→Rf→T8到電源負極時，起去磁作用。
如圖7所示，本發明具體實施例中用來連接微控制器和PWM逆變器電路以及四象限斬波調壓電路的驅動電路，其中SN74LVC4245A為雙向驅動晶片，其輸入埠PWM1接到微控制器DSP晶片的PWM1輸出埠，其輸出PD1通過74HC08和74HC06組成的互鎖電路連到光電隔離晶片TLP559上，該晶片的輸出埠PW1連到IGBT上，對它進行驅動。逆變器有6個IGBT，需要6路這樣的驅動，令其輸入埠PWM1～PWM6分別與微控制器DSP的PWM1～PWM6輸出埠相連，輸出埠PW1～PW6輸出六路PWM調製波形，分別與逆變器的T1～T6相連。斬波調壓電路有4個IGBT，需要4路這樣的驅動，令其輸入埠PWM7～PWM10分別與微控制器DSP的PWM7～PWM10輸出埠相連，輸出埠PW7～PW10輸出四路PWM調製波形，分別與四象限斬波電路的T7～T10相連。
在本實施例中，電壓檢測器和電流檢測器採用精度高、響應快、過載能力強的霍爾電壓與電流傳感器，三路電壓檢測信號由ADINA0～ADINA2埠輸入到微控制器DSP晶片中去，三路電流檢測信號由ADIN3～ADIN5埠輸入到微控制器DSP晶片中去。位置檢測器採用結構簡單、工作可靠的霍爾位置檢測器。檢測信號由埠CAP1～CAP3輸入。
工作原理為了達到系統所要求的轉速和轉矩，在應用永磁電動機變頻調速控制技術的同時，調節輔助電勵磁部分的磁場，進而改變氣隙磁通，當T7和T10導通時，認為等效勵磁繞組Lf上通過正的電流，起助磁作用；反之，起去磁作用。複合勵磁稀土永磁同步電動機的電磁轉矩公式為Tem＝p[ψf+ψa)iq+(Ld-Lq)idiq，轉速公式為Ω＝u/{p[ψf+ψa)-Ldi)]}，式中ψa為輔助電勵磁磁鏈。由上兩式可以看出在調節id、iq的同時，也可以通過調節勵磁電流來調節輔助電勵磁磁鏈ψa，以實現轉速和轉矩的調節。在低速運行時，為獲得較大的過載能力，即得到較大轉矩，採用永磁電動機id＝0控制的同時，微控制器TMS320LF2812的PWM7～PWM10埠輸出調製脈衝波形使T8和T9同時有低電平關斷，而T7和T10同時有高電平導通，並且使輔助勵磁電流調到最大值，電流由電源正極經T7→Rf→Lf→T10到電源負極，此時電磁轉矩Tem＝p(ψf+ψam)iq，式中ψam為最大輔助電勵磁磁鏈，使輔助勵磁磁鏈和永磁體勵磁磁鏈的合成磁鏈達到最大。隨著轉速的升高，可以使T7一直導通，而用T10進行斬波來減小勵磁電流，電磁轉矩也隨之減小。額定轉速時，T7～T10均不導通，勵磁電流為零，此時電磁轉矩由永磁轉矩和爪極結構轉子產生的磁阻轉矩合成。當速度再增加時，可採用弱磁控制，在調節id、iq的同時，T7與T10關斷，T8與T9導通使勵磁電流的方向改變，進行減磁，此時輔助電勵磁磁鏈ψa＜0。由式Ωmax＝ulim/{p[ψf+ψa)-Ldilim)]}可知在變頻器輸出電壓和電動機電流達到極限時，仍然可使速度繼續升高，再由式Tem＝p[(ψf+ψa)iq+(Ld-Lq)idiq]可以看出，此時電磁轉矩降低。這樣很方便地實現了寬範圍內轉速和轉矩的調節，使系統可以作恆轉矩、恆功率或變轉矩、變功率運行。為了準確的控制定子繞組通電時刻，在電機軸端安裝了一個轉子位置檢測器，作為相位控制的定位基準信號。當對系統的可靠性要求很高時，可採用複合勵磁永磁多相同步電動機。
現以實際狀態下的例子做簡要說明，如圖8所示，為某驅動裝置所要求的轉矩—轉速特性。該特性用一般的控制方法在實際應用中很難實現，但應用本發明可以完全實現。在轉速1000(r/min)以下運行時，採用id＝0控制的同時，輔助勵磁電流調到最大值以獲得大的電磁轉矩。隨著轉速的升高，可減小勵磁電流，電磁轉矩也隨之減小。在額定轉速3000(r/min)時，勵磁電流為零。當速度再增加時，可採用弱磁控制，並改變勵磁電流的方向，使輔助電勵磁磁鏈ψa＜0，進行減磁。
權利要求
1.一種複合勵磁永磁同步調速電動機，其特徵在於它包括複合勵磁稀土永磁同步電動機和調速控制系統，所述複合勵磁稀土永磁同步電動機包括轉軸(1)、端蓋(2)、機殼(11)，電樞繞組(8)，所述轉軸(1)上裝有主勵磁用永磁體轉子和調壓用輔助電勵磁轉子，所述稀土永磁體轉子和輔助電勵磁轉子共用電樞繞組(8)，產生的磁勢在磁路中並聯合成。
2.根據權利要求1所述的複合勵磁永磁同步調速電動機，其特徵在於所述調速控制系統包括微控制器、PWM逆變器電路、勵磁調節電路、驅動電路、電壓檢測器、電流檢測器以及位置檢測器，微控制器通過驅動電路分別與PWM逆變電路和勵磁調節電路相連；複合勵磁永磁同步調速電動機的定子出線與PWM逆變電路相連，複合勵磁永磁同步調速電動機的輔助電勵磁繞組和勵磁調節電路相連；用來檢測複合勵磁永磁同步調速電動機轉子位置信息的位置檢測器以及用來檢測PWM逆變電路輸出電流和電壓信息的電壓檢測器和電流檢測器分別與微控制器相連。
3.根據權利要求1所述的複合勵磁永磁同步調速電動機，其特徵在於所述勵磁調節電路採用四象限斬波調壓電路。
4.根據權利要求1或2或3所述的複合勵磁永磁同步調速電動機，其特徵在於所述輔助電勵磁轉子為爪極式結構，它包括爪數相等且爪數為極數的一半的前爪(4)和後爪(6)以及夾在前爪(4)和後爪(6)之間的電磁線圈(5)，兩爪之間通過非導磁材料連接，爪相互錯開，沿圓形均勻分布。
5.根據權利要求4所述的複合勵磁永磁同步調速電動機，其特徵在於所述輔助電勵磁轉子通過導磁託架(3)固定於端蓋(2)上。
全文摘要
本發明公開了一種複合勵磁永磁同步調速電動機，它包括複合勵磁稀土永磁同步電動機和調速控制系統，複合勵磁稀土永磁同步電動機包括轉軸、端蓋、機殼，電樞繞組，所述轉軸上裝有主勵磁用永磁體轉子和調壓用輔助電勵磁轉子，所述稀土永磁體轉子和輔助電勵磁轉子共用電樞繞組，產生的磁勢在磁路中並聯合成。本發明是一種過載能力強，在滿足轉矩要求下有較寬的調速範圍，能夠實現電機無刷勵磁，且可靠性和穩定性好，能夠用於對過載能力和調速範圍要求較高的場合的複合勵磁永磁同步調速電動機。
文檔編號H02P6/08GK1805248SQ200610031178
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月23日 優先權日2006年1月23日
發明者黃守道, 王輝, 歐陽紅林, 羅德榮, 高劍, 肖慧慧, 李軍浩 申請人:湖南大學