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基于新型弱磁控制方法的無刷直流電機有限元分析

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:619

摘要:提出一種新型逆變器結構的無刷直流電機有限元分析方法。分析表明,在保持逆變器容量不變的情況下,基于新型逆變器拓撲的無刷直流電機比普通逆變器結構的無刷直流電機具有更好的弱磁能力,能產生更好的擴速效果,并且還具有結構簡單的特點,因而有較好的應用前景。

0  引  言

   永磁電機具有勵磁無法調節的特點。傳統的弱磁控制方法是調節電流超前反電勢的角度(即CPA電流超前角法)。當轉速高于額定轉速時,使相電流超前相反電勢,通過增大電流超前角,減小與永磁磁場交鏈的定子繞組有效磁鏈,實現等效弱磁。這種方法的缺陷是隨著超前角增大,電流急劇上升,擴速效果不理想。其他的弱磁控制方法還有在

內嵌式永磁體結構的兩個永磁體之間加人磁障或者采用兩段式混合轉子結構,但均涉及電機本體的改造,增加了結構的復雜性。文獻[1]提出了一種適用于普通面貼式無刷直流電機的新型雙模式逆變器拓撲(DMIC拓撲),對電機本體并未做改造。文章稱能達到很好的弱磁擴速效果。本文是在文獻[1]的基礎上,應用Ansoft Maxwell 2D電磁分析軟件,對永磁無刷直流電機磁場分布及每相磁鏈進行了分析和計算,驗證了基于DMIC拓撲結構的電流超前角法比普通的CPA電流超前角法具有更好的弱磁擴速效果。

1  新型逆變器拓撲的BLDCM弱磁擴速原理

   新型逆變器拓撲結構如圖1所示。和普通逆變器拓撲相比,這種結構在逆變器和電機之間加入了反并聯晶閘管,在控制逆變器開關器件開通的同時導通該相上反并聯的SCR,在基速以下恒轉矩運行,基速以上仍然按照CPA的方法進行電流超前控制,當相電流過零時,晶閘管自然關斷。

    圖1  新型逆變器拓撲結構的BLDCM原理框圖

   BLDCM建立的定子磁勢非恒速旋轉而是具有步進特征,磁勢空間位置每60°跳變一次,使得60°范圍內定子磁勢時而去磁,時而助磁。隨著超前角的增大,CPA方式下電流上升很快,當達到逆變器所允許的最大電流(即不超前時的額定電流)后,超前角不能再增大,因而擴速效果不理想。而新型逆變器拓撲通過加入反并聯晶閘管,利用晶閘管過零自關斷的特點,截斷反向的電流分量,從而在保持逆變器容量一定的情況下,能夠比普通的CPA電流超前角法獲得更大的超前角,從而獲得更大的擴速倍數。

   基于這種思想,在MATLAB/SIMULINK下搭建了DMIC拓撲和CPA拓撲結構的無刷直流電機控制系統模型,對1臺參數如表1所示的無刷直流電機進行了研究。在拐點(額定點)開始弱磁擴速時,在保持不超前情況下的額定電流、額定功率及額定電壓不變的條件下,分別對DMIC拓撲和CPA拓撲各個超前角度下的電流波形和穩態轉速進行了仿真研究。結果表明:DMIC拓撲所能達到的最大超前角為70°,最大轉速為5037r/min,擴速達到2.77倍,CPA拓撲能達到的最大超前角為40°,最大轉速為21 55r/min,擴速只有1.18倍。不超前情況下的相電流波形及CPA和DMIC方式下所能達到的最大超前角下的相電流波形分別如圖2所示。

   圖2  不超前和最大超前角下的相電流波形

2 DMIC拓撲結構的永磁無刷直流電機有限元分析

2.1模型建立

DMIC拓撲結構的永磁無刷直流電機和普通逆變器結構的永磁無刷直流電機結構相同,如圖3(a)所示。電機采用永磁體面貼式內轉子結構,額定功率823W,定、轉子的外徑和內徑分別是50·8ram和10ram,磁鋼厚度4ram,定、轉子鐵心長度40ram。詳細參數如表I所示。利用AN—SOFT Maxwell 2D軟件對本電機進行有限元分析

            

(a (b)

圖3無刷直流電機有限元分析結構模型

            表1 電機參數

     

2有限元分析

  1)基速以下運行

  根據在MATLAB/SIMULINK下搭建的新型逆變器結構的BLDCM仿真模型,在MATLAB工作空間中采集0度超前角下三相電流一個完整周期的數據,在Maxwell 2D Setup boundaries/Sources中使用Edit dataset導人,得到在Ansoft中1個周期的電流波形,如圖4所示。相反電勢和相電流符合不超前情況下的相位關系。此時刻開始的60°電角度內B、C相導通。把Matlab仿真模型中得到穩態轉速1820r/min設置在Ansoft Motion Setup/Mechanical Setup中,讓電機模型在此速度下恒速旋轉。初始位置的磁場分布如圖5所示。定子三相磁鏈波形如圖6所示。在后處理器中求得其峰值為0.134Wb,反電勢波形和電磁轉矩波形如圖7和圖8所示。在后處理器中求得T的平均值為4.32N·

m,輸出功率為823W。

   2)基速以上運行

以DMIC方式下,最大超前角70°在ANSOFTMAXWELL 2D中的仿真為例,此超前角度下的穩態轉速為5037r/min,轉子的初始時刻和不超前相比,轉子逆著旋轉方向轉動了70°電角度,即14°機械角度。此超前角下初始位置磁場分布和每相磁鏈波形如圖9所示。在后處理器中求得每相磁鏈的峰值為0.097Wb。超前角70°情況下的電磁轉矩波形如圖10所示。在后處理器中求得其平均值為1.58N·m,輸出功率為833W。

                    

圖4不超前下Ansoft中三相電流波形                  圖5  不超前下初始位置磁鏈分布

   圖6  不超前F的定子三相磁鏈波形

   CPA方式下所能達到的最大超前角為40°。此超前角度下的穩態轉速為2155r/min。和不超前情況相比,轉子的初始位置逆著旋轉方向移動了8°機械角度。此超前角下初始位置磁場分布和每相磁鏈波形如圖11所示。在后處理器中求得相磁鏈的峰值為0.115Wb,電磁轉矩波形如圖1 2所示。在后處理器中求得其平均值為3.8N·m,輸出功率為857W。

   由以上分析可知,在拐點(頻定點)以上,保持電流、功率、電壓不變的情況下,DMIC方式比CPA方式弱磁效果更好,恒功率運行的擴速范圍更廣。

                          圖7  不超前下A相反電勢波形                                  圖8不超前下電磁轉矩波形

                            (a)DMIC超前70°初始位置磁鏈分布                             (b)I)MIC超前70°下定子三相磁鏈波形

       圖9磁鏈分布及波形

3  結  論

   圖13是DMIC和CPA拓撲下恒功率運行時相磁鏈幅值對應于不同超前角度的曲線。圖14是DMIC和CPA拓撲下的擴速倍數曲線??芍?,DMIC拓撲比CPA拓撲具有更好的弱磁擴速效果,其實質是在控制電流不超過逆變器所允許的最大電流的情況下,DMIC拓撲可獲得更大的超前角,從而使定子繞組所交鏈的永磁磁場的磁鏈更少,因此

產生更好的弱磁效果。由于端電壓保持不變而相繞組磁鏈減少,為了產生足夠的反電勢與端電壓相平衡,轉速必然會升高,從而達到擴速的目的。

 圖10  DMIC超前70°下電磁轉矩波形

                          (a)CPA超前40°初始位置磁鏈分布                          (b)CPA超前40°下定子三相磁鏈波形

       圖11  磁鏈分布及波形

       圖12 CPA超前40°下電磁轉矩波形

      圖13  相磁鏈隨超前角變化曲線

 圖14 DMIC和CPA拓撲下擴速倍數

本文通過ANSOFT MAXWELL 2D軟件電磁功能,對永磁無刷直流電機的磁場分布及相磁鏈與超前角的關系進行了分析,驗證了DMIC拓撲比基于普通逆變器結構的控制方法具有更好的弱磁能力,從而產生更好的擴速效果。由于不涉及電機本體的改造,結構簡單,因而具有較好的應用前景。

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