新型永磁同步电机的变频调速系统
2008,35(2)
变频与调速ξEMCA
新型永磁同步电机的变频调速系统
张好明, 孙玉坤
(江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江 212013)
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摘 要:Halbach电机是一种新型永磁同步电机,,可增加气隙磁通密度、削弱转子轭部磁通密度,。针对Halbach电机特点设计了基于DSP2407A,,此系统性能良好,有利于节能和环保。
关键词:变频调速;;:A 文章编号:167326540(2008)0220041204
Variable2FrequencyAdjustable2SpeedSystemof
NewTypePermanentMagnetSynchronousMotor
ZHANGHao2ming, SUNYu2kun
(InstituteofElectricalandInformationEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)
Abstract:Halbachmotorisanovelpermanentmagnet(PM)motor.One2sidedandsinusoidalfieldisproduced
bythespecialdistributionofpermanentmagnets.Thefieldcanincreasetheair2gapfluxdensityanddecreasetherotoryokefluxdensity,whichcanimprovethepowerdensityandefficiency,reducethevolumeandpulsatingtorqueofthemotor.Full2digitalVariable2FrequencyAdjustable2SpeedSystembasedonDSP2407AisdesignedaccordingtoHal2bachmotor’sdistinguishingcharacteristics,Experimentresultsprovethatthesystemcanworkwell,whichbenefitsenergysavingandenvironmentalprotection.
Keywords:variable2frequencyadjustable2speed;halbacharray;finiteelementanalysis;motordesign
1 Halbach永磁同步电机及其优点
Halbach电机是由美国伯克利实验室著名学者HalbachK提出的一种新型永磁同步电机,
其结构模型如图1所示,图中箭头代表永磁体磁化方向。相对于普通永磁同步电机,Halbach电机的最大特点就是其磁极磁场呈正弦分布,这是
[4]
由其独特的永磁体结构所造成的,同时该结构还有利于减小电机脉动转矩和噪声污染。
Halbach电机的另一特点可以从图1有限元分析中看出:磁极磁场在永磁体的一边大幅度增加,而在另一边却大幅度降低,几乎为零。这使得在永磁材料体积不变的情况下,电机气隙磁通密度极大地增加、转子磁场几乎为零,有利于减小电机的体积和提高电机的效率。
转子磁场几乎为
3国家自然科学基金(50275067);江苏省高新技术(BG2001029)
[123]
图1 Halbach电机模型及其有限元分析
零,使电机转速不再受涡流损耗限制。这些特性使得在调速和伺服系统当中,Halbach电机比其他永磁同步电机更优越。
2 设计及其有限元校核
Halbach电机永磁体分布的特殊性(混合均
布)改变了永磁结构的磁场分布规律,因此,适用
—4
1—
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于一般永磁同步电机的电磁设计方法已经满足不
了它的要求,其设计必须采用场路结合的方法,和
[5]
有限元分析紧密结合起来。
参考普通电机设计经验参数,编写了基于MATLAB的Halbach电机设计软件和基于ANSYS的Halbach电机有限元分析软件。在设计初期只要输入电机相关参数,程序就会自动运行得到电机的各种参数与有限元分析结果,大大节省了电机设计的时间。表1就是利用上述软件所设计的一台15kWHalbach数。
1参数电机功率/kW
极对数定子外径/mm定子内径/mm气隙长度/mm额定转速/(r・min-1)永磁体厚度/mm
槽数目每槽导体数槽满率斜槽定子直流电阻/Ω平均气隙磁密/T实测转矩/(N・m)实测效率/%功率因数
参数值
[***********]45(2路并绕)
0.52
[527]
图2 Halbach电机气隙磁场
3 变频调速系统设计
3.1
变频调速系统硬件电路
在一般调速系统中,常采用模拟和数字电路
相结合的方式。该方式一方面增大了系统的能
[8210]
耗,另一方面又使得系统性能不可靠。本文所介绍的基于DSP2407A全数字变频调速系统原理如图3所示。市电经整流后送给逆变电路,经变频后驱动电机旋转,进行工业和农业生产。
无
0.2130.65095.595.70.9755
利用有限元分析软件对上述样机做有限元分析后得到的气隙磁场分布如图2所示。 由于气隙磁密近似呈正弦分布,所以其计算极弧系数αi≈2/π。
有限元分析结果:
π=0.656Bδ=Bg1αi=1.03×2/ 设计值:BSG=0.650
Δ=Bδ-BBG=
0.656-0.650=0.006 由于有限元采集的是一些离散的数值,并有一定的人为因素存在,程序设计结果也是采用近似公式计算得到的,所以和实际值之间存在一定的差值,但是数据相差不大,这说明电机设计软件与有限元分析结果是一致的。
—42—
图3 主电路原理图
市电经AC/DC整流后,为了减小加压起动瞬
间对电容和其他电器元件的冲击作用,本系统加入了基于555定时和晶闸管的软起动电路:电路经大电阻对电容充电,经555定时后给晶闸管送开通信号,晶闸管开通后电阻被切除,电机实现软起动。
市电整流后形成的稳定直流母线电压通过DC/AC逆变成电机需要的三相交流电压,驱动
Halbach永磁同步电机旋转。为提高可靠性和效率,逆变桥采用型号为6MBP50RA120的智能功率模块(IPM)。
在工业和农业生产中,电机经常频繁制动,回馈大量的能量,如不加以控制,将对母线产生极大
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的危害。为了提高能源的利用率,本系统采用BUCK电路对电机制动时回馈的能量进行回收,对超级电容充电,在电机下次起动时,再把此能量送回电网驱动电机旋转;为提高效率,设计所采用的BUCK电路为零电压多谐振三电平BUCK电路,BUCK电路的脉宽调制信号由DSP2407A根据前后采样电压比较后生成。3.2 变频调速系统软件设计 本设计的软件核心是TI公司出品的16位定点数字信号处理(DSP)芯片TMS。
TMS320F2407A流水线指令集,CPU;,如定时/计数器、A/D转换器等,使得TMS320F2407A具有高速的信号实时处理和控制能力,非常适合于电机的控制系统。系统的定时中断子程序是整个软件设计的核心,其原理如图4所示
。
图5 三相电流波形
图6、7分别为1Hz和200Hz时,A相给定电
流iA和跟踪电流i′A变化波形。从图中可以看出,无论低速还是高速,A相反馈电流都能够很好地从幅值和相位上跟踪给定电流的变化,电流闭环工作性能良好
。
图6 1Hz
电流跟踪波形
图4 定时器中断程序图7 200Hz电流跟踪波形
4 试 验
把Halbach样机接入上述设计的全数字变频
调速系统当中进行试验。
图5为A、B、C三相电流变化波形。从图中可以看出,三相电流无论从幅值上还是从相位上都能够很好地满足电机要求,说明样机性能良好
。
图8、9分别为普通永磁同步电机和Halbach永磁同步电机带载后,力矩电流和速度变化波形。从图8和图9电机带载后的波形可以清楚地看出:Halbach永磁同步电机的力矩电流脉动很小,能够很好地减小脉动转矩、减少电机运行时制造的噪声污染。由于本系统采用了id=0矢量控制方式,力矩与力矩电流成正比。
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)
于传统永磁同步电机来说,Halbach电机不仅功
率密度大、效率高,而且脉动转矩小,有利于提高电机节能,减少噪声污染。
本文所介绍的变频调速系统能很好地使Hal2bach电机替代传统永磁同步电机而用于调速系统当中,。
参】
图8
普通永磁电机速度2电流波形
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HalbachFestschriftSyposium,
图9 Halbach电机速度2电流波形[4] ZhuZQ,XiaZ,AtallahK,etal.Powderalignment
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[5] 唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机
图10为电机转速从500r/min到1500r/min
的闭环测试波形,
从图中可以看出,在额定转速1500r/min时转速误差很小,不足0.1r/min,说明调速系统转速闭环性能良好。
械工业出版社,1997.
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图10 转速波形
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5 结 语
Halbach电机是一种特殊的永磁电机。相对
收稿日期:2007205206
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