時(shí)間：2023-03-17 18:06:56
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關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)，電梯
一、永磁同步電機(jī)應(yīng)用于電梯驅(qū)動(dòng)技術(shù)
永磁同步電機(jī)無(wú)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)采用正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱永磁同步電動(dòng)機(jī))，由于其減少了變速箱以及齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)，減小了體積。論文參考網(wǎng)。同時(shí)永磁同步電機(jī)較之于以往交流異步電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用于電梯拖動(dòng)系統(tǒng)時(shí)有以下幾個(gè)特點(diǎn):
1、永磁同步電機(jī)機(jī)械噪音小，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速準(zhǔn)確。同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)對(duì)電壓及轉(zhuǎn)矩的擾動(dòng)有著更強(qiáng)的承受能力，能做出比較快的反應(yīng)。異步電動(dòng)機(jī)當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)差率也發(fā)生變化，轉(zhuǎn)速也就隨之變化，這樣電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣量就會(huì)阻礙電機(jī)做出快速的反應(yīng);而同步電機(jī)當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，只要電機(jī)的功角做出相應(yīng)的變化，而轉(zhuǎn)速維持在原來(lái)的轉(zhuǎn)速，這樣電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣量就不會(huì)影響電機(jī)的快速反應(yīng)。
2、相對(duì)于傳統(tǒng)有齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，以永磁同步電機(jī)為主要技術(shù)的無(wú)齒輪曳引技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)機(jī)房化，降低了建筑面積，整個(gè)電梯系統(tǒng)的成本降低，維護(hù)方便，減少了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，噪音降低。
3、體積小，重量輕，隨著高性能永磁材料的應(yīng)用，轉(zhuǎn)子無(wú)需勵(lì)磁，相對(duì)于異步電機(jī)減少了變速用的變速箱，所以永磁同步電機(jī)功率密度不斷增加，比起同容量的異步電機(jī)，它的體積，重量都要減小許多。
4、損耗小，效率高，永磁同步電機(jī)相對(duì)于異步電機(jī)無(wú)需勵(lì)磁電流，無(wú)功電流分量，顯著的提高了功率因數(shù);由于高性能永磁材料的應(yīng)用，提高了磁負(fù)荷，在相同功率的情況下，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以相應(yīng)的減少電負(fù)荷，這樣隨之減小定子電流和定子銅耗。轉(zhuǎn)子采用表面磁鋼形式，在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)無(wú)轉(zhuǎn)子銅損提高了效率。
5、性能價(jià)格比高。論文參考網(wǎng)。隨著電力電子技術(shù)的成熟，電子器件的價(jià)格的降低，人們?cè)絹?lái)越多得用變頻電源來(lái)驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)，這就使整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本不斷降低。
二、國(guó)內(nèi)外電梯驅(qū)動(dòng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)際上對(duì)電梯驅(qū)動(dòng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究己經(jīng)進(jìn)行了多年。從上世紀(jì)90年代起，電梯行業(yè)內(nèi)的有關(guān)企業(yè)就開始了對(duì)電梯驅(qū)動(dòng)用永磁同步電機(jī)的探索。日本三菱公司首先在高速電梯曳引機(jī)上使用永磁電機(jī)，提高了電梯的運(yùn)行性能。日本在永磁電機(jī)應(yīng)用于電梯的研究也己經(jīng)進(jìn)行了多年，并且取得了很大的成績(jī)，其中以日本安川為代表的一些企業(yè)己經(jīng)生產(chǎn)出了此類產(chǎn)品并獲得了應(yīng)用。他們?cè)诳刂品绞?、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)變頻器及電機(jī)本體設(shè)計(jì)等方面己經(jīng)有了很多產(chǎn)品且申請(qǐng)了相關(guān)的專利。其產(chǎn)品經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，得到了國(guó)內(nèi)同行的高度評(píng)價(jià)。論文參考網(wǎng)。東芝公司外旋轉(zhuǎn)無(wú)齒輪永磁同步電動(dòng)機(jī)曳引機(jī)的曳引輪與電機(jī)成為一體，實(shí)現(xiàn)了小型化、輕量化。
三、永磁同步電動(dòng)機(jī)的分類
永磁同步電機(jī)按主磁場(chǎng)方向的不同，可分為徑向磁場(chǎng)式和軸向磁場(chǎng)式;按電樞繞組位置的不同，可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式(常規(guī)式)和外轉(zhuǎn)子式;按轉(zhuǎn)子上有無(wú)起動(dòng)繞組，分為無(wú)起動(dòng)繞組的電動(dòng)機(jī)(用于變頻器供電的場(chǎng)合，利用頻率的逐步升高而起動(dòng)，并隨著頻率的改變而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，常稱為調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī))和有起動(dòng)繞組的電動(dòng)機(jī)(可在某一頻率和電壓下利用起動(dòng)繞組所產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，常稱為異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī));按供電電流波形的不同，可分為矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱無(wú)邪}J直流電動(dòng)機(jī))和正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱永磁同步電動(dòng)機(jī))。永磁同步電機(jī)無(wú)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)采用的正是正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱永磁同步電動(dòng)機(jī))。
四、變頻調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求
由于采用變頻器對(duì)電機(jī)實(shí)行變頻變壓調(diào)速時(shí)，經(jīng)變頻器輸入電機(jī)的電源是一個(gè)含有大量諧波分量的電壓或電流發(fā)生源，它對(duì)電機(jī)的性能產(chǎn)生很大影響，主要表現(xiàn)在:電機(jī)振動(dòng)、電磁噪聲、損耗增大、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降，溫升升高等現(xiàn)象，而電梯的運(yùn)行恰在這幾方面要求比較嚴(yán)格，為此必須有針對(duì)性地采取措施。
（一）電動(dòng)機(jī)低速平穩(wěn)性的改善
電動(dòng)機(jī)服務(wù)于電梯傳動(dòng)系統(tǒng)，因此對(duì)于運(yùn)行的平穩(wěn)性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和運(yùn)行中的低噪聲提出了較高的要求，尤其是對(duì)電機(jī)低速運(yùn)行的平穩(wěn)性要求更為嚴(yán)格，因?yàn)榈退倨椒€(wěn)性是保證電梯電機(jī)性能的重要指標(biāo)。影響電動(dòng)機(jī)低速平穩(wěn)性的主要原因是電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，該脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩通常分為兩種:一是由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或電流波形畸變而引起的紋波轉(zhuǎn)矩，二是由齒槽或鐵心磁阻變化而引起的齒諧波轉(zhuǎn)矩。針對(duì)這兩種情況，減小電動(dòng)機(jī)低速脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的措施主要有以下幾點(diǎn):
1、使電機(jī)空載磁場(chǎng)氣隙磁通密度的空間分布盡量接近于正弦形，以減少由諧波磁場(chǎng)引起的諧波轉(zhuǎn)矩以及由諧波轉(zhuǎn)矩引起的電磁振動(dòng)。
2、合理選擇定子槽數(shù)，使在該槽數(shù)下采用繞組短距、分布的方法來(lái)有效地削弱高次諧波電動(dòng)勢(shì)。
3、當(dāng)轉(zhuǎn)子有槽時(shí)，應(yīng)該選擇與定子槽數(shù)相配合的轉(zhuǎn)子槽數(shù)。
4、增大電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度，以減小氣隙磁場(chǎng)齒諧波及相應(yīng)的齒諧波轉(zhuǎn)矩。
5、采用定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極削弱齒諧波電動(dòng)勢(shì)，從而減少相應(yīng)的齒諧波轉(zhuǎn)矩。
6、減小定子槽的開口寬度或采用磁性槽楔，以降低由定子槽開口引起的氣隙磁導(dǎo)的變化，從而減小了氣隙磁場(chǎng)齒諧波。
7、采用阻尼繞組，以減小電樞反應(yīng)磁鏈的脈動(dòng)，可以有效地減少紋波轉(zhuǎn)矩。
8、增大交軸同步電抗，使凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)的交軸同步電抗與直軸同步電抗的差距增大，從而增加電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩，以增強(qiáng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的輸出能力。
（二）電動(dòng)機(jī)低速平穩(wěn)定位轉(zhuǎn)矩的抑制
高精度的調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)通常要求系統(tǒng)具有較高的定位精度。影響永磁同步電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)定位精度的主要原因是電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩，即電機(jī)不通電時(shí)所呈現(xiàn)出的磁阻轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩使電機(jī)轉(zhuǎn)子定位于某一位置。定位轉(zhuǎn)矩主要是由轉(zhuǎn)子中的永磁體與定子開槽的相互影響而產(chǎn)生的。
（三）提高弱磁擴(kuò)速的能力
永磁同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生，不像電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)那樣可以調(diào)節(jié)，這樣在控制手段上就只能通過(guò)增大電機(jī)的直軸去磁電流以達(dá)到弱磁擴(kuò)速的目的。
針對(duì)這一情況，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)本身提出的要求是:
1、增大直軸同步電抗，以增強(qiáng)電機(jī)直軸電流的去磁能力。
2、選用抗去磁能力強(qiáng)的永磁體，并在電機(jī)結(jié)構(gòu)上對(duì)永磁體加強(qiáng)保護(hù)，以避免永磁體發(fā)生不可逆性去磁。
3、充分利用電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩，使永磁磁鏈設(shè)計(jì)得較低，從而增強(qiáng)電機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力。
4、保證電機(jī)轉(zhuǎn)子具有適合高速運(yùn)行的足夠的機(jī)械強(qiáng)度。
五、結(jié)論
永磁同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)不同，永磁體提供的磁通量和磁動(dòng)勢(shì)隨著磁路的飽和程度、材料尺寸、電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)變化而變化，而且由于轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)形式多種多樣，不同的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，其空載漏磁系數(shù)各不相同，對(duì)電機(jī)的性能有著重要影響。據(jù)有關(guān)人士預(yù)計(jì)，在2010年新增的電梯90%以上是由低速、大轉(zhuǎn)矩的永磁同步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的無(wú)齒輪曳引電梯，永磁同步電動(dòng)機(jī)在無(wú)齒輪曳引電梯中的應(yīng)用將有很好的發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn):
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【關(guān)鍵詞】永磁同步 電動(dòng)機(jī) 低速大扭矩 高效節(jié)能
1 引言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類社會(huì)對(duì)能源的需求也日益增加，石油、煤炭等不可再生資源也日益枯竭，能源緊張也成為了全球共同關(guān)注的話題，黨的十六屆五中全會(huì)強(qiáng)調(diào)，要加快建設(shè)資源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會(huì)。同時(shí)，國(guó)家也提出了推廣變頻永磁電動(dòng)機(jī)技術(shù)的要求，在這種背景下，低速永磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)也日益成熟，廣泛運(yùn)用到了各個(gè)行業(yè)中。
2 低速永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)
永磁同步電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作原理基本相同，都是由定子產(chǎn)生磁場(chǎng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子，其不同之處在于低速永磁同步電動(dòng)機(jī)由永磁體勵(lì)磁替代了傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電勵(lì)磁。永磁同步電動(dòng)機(jī)具有低速大扭矩、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率因數(shù)高、效率高、體積小、噪聲低、可靠性高等顯著優(yōu)點(diǎn)。
低速大扭矩、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。與傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)相比，低速永磁電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)是有永磁體產(chǎn)生的，加上永磁體形狀及磁路設(shè)計(jì)的多樣性，這樣就可以簡(jiǎn)化電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要靈活設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的外形尺寸。傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)存在最小轉(zhuǎn)矩，通常來(lái)說(shuō)其最小轉(zhuǎn)矩倍數(shù)小于1，而低速永磁同步電動(dòng)機(jī)是變頻起動(dòng)，在起動(dòng)時(shí)無(wú)最小轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的限制，只要負(fù)載所需起動(dòng)扭矩小于最大轉(zhuǎn)矩，都可以順利起動(dòng)。在某些領(lǐng)域，傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)低起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的特性，使其在選型時(shí)不得不提高電動(dòng)機(jī)功率來(lái)增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速100rpm為例，由公式
可知，相同功率的低速永磁同步電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)4P電動(dòng)機(jī)相比，其起動(dòng)扭矩是傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的15倍。
效率、功率因數(shù)高。傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)因存在定子電阻和定子電流損耗，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)風(fēng)磨耗也占據(jù)一定比例，這些因素限制了功率因數(shù)的提高；低速永磁同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生無(wú)功勵(lì)磁電流，且風(fēng)磨耗、雜耗、機(jī)械耗等損耗都低于傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，這些因素都使永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率、功率因素高于傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。大量統(tǒng)計(jì)表明，就效率而言，同規(guī)格永磁電動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)提高了2～8%。圖1是低速永磁同步電動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不同負(fù)載下的效率、功率因數(shù)曲線，從圖中可以看出，低速永磁同步電動(dòng)機(jī)在25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可以保持較高的功率因數(shù)和效率，而傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在低負(fù)載率或者高負(fù)載率時(shí)效率、功率因數(shù)同額定負(fù)載率相比下降很多，在低負(fù)載率時(shí)下降尤為明顯。低速永磁同步電動(dòng)機(jī)這種高效率、高功率因數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)所不具備的。
體積小。對(duì)于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，尤其是末級(jí)傳動(dòng)需要較低速度時(shí)，一般需要異步電動(dòng)機(jī)加減速機(jī)或者是異步電動(dòng)機(jī)加2～3級(jí)皮帶輪減速來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種機(jī)構(gòu)體積龐大且笨重，不僅增加了設(shè)計(jì)成本，在設(shè)備安裝方面也占據(jù)了大量的空間。而低速永磁同步電動(dòng)機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)的體積和重量通常不到傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一半，加上可以靈活設(shè)計(jì)永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，在設(shè)備的安裝、調(diào)試等方面要求大大降低。
噪聲低，運(yùn)行平穩(wěn)。應(yīng)用低速永磁同步電動(dòng)機(jī)的直驅(qū)系統(tǒng)取消了減速機(jī)、皮帶輪等機(jī)械減速裝置，消除了齒輪嚙合或皮帶輪傳動(dòng)時(shí)的噪聲，系統(tǒng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于各個(gè)部件中間不平衡帶來(lái)的噪聲、震動(dòng)大大降低。
可靠性高。機(jī)械減速傳動(dòng)裝置的取消，消除了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的機(jī)械故障，同時(shí)，由于設(shè)備磨損、機(jī)械變形、零部件松動(dòng)等帶來(lái)的油泄露問題也不復(fù)存在，大大提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖1所示。
3 低速永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀
自1831年科學(xué)家巴洛發(fā)明世界上第一臺(tái)永磁電動(dòng)機(jī)以來(lái)，各國(guó)的科技工作者一直在探索永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，但由于永磁材料性能的限制，一直停滯不前。二十世紀(jì)三十年代以來(lái)，隨著鋁鎳鈷和鐵氧體材料的先后出現(xiàn)，永磁材料的性能得到了很大的提升，用永磁體做成的電動(dòng)機(jī)也不斷的出現(xiàn)在軍事裝備、工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、日常家電等領(lǐng)域。但是，由于鋁鎳鈷和鐵氧體材料矯頑力偏低、剩磁密度不高等缺陷，永磁電動(dòng)機(jī)性能并沒有達(dá)到預(yù)期效果，加上當(dāng)時(shí)永磁電動(dòng)機(jī)成本較高，在一定程度上限制了永磁電動(dòng)機(jī)的發(fā)展。1983年，銣鐵硼（NdFeB）永磁材料的出現(xiàn)，極大的提高了永磁材料的各項(xiàng)性能，且加上價(jià)格相對(duì)便宜，加快了國(guó)內(nèi)外對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)研究的步伐，研究的重點(diǎn)也逐漸的轉(zhuǎn)移到了工業(yè)裝備自動(dòng)化和日常生活領(lǐng)域。隨著科學(xué)工作者對(duì)永磁材料研究的不斷深入，永磁材料的電磁性能、耐高溫性能也在不斷的提升。同時(shí)，伴隨著電力電子控制技術(shù)的發(fā)展，與傳統(tǒng)電勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)相比，永磁電動(dòng)機(jī)高效節(jié)能的優(yōu)勢(shì)更加明顯，低速永磁同步電動(dòng)機(jī)也朝著大功率化、高轉(zhuǎn)矩化、微型化、智能化等多個(gè)方向發(fā)展。
目前，由于低速永磁同步電動(dòng)機(jī)低速大扭矩、體積小、輸出平穩(wěn)、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在很多方面作為驅(qū)動(dòng)裝置得到應(yīng)用，如電動(dòng)車輛、煤炭開采、石油開采、冶金、電梯等領(lǐng)域。在電動(dòng)車輛方面，日本已將其用于低地板式電動(dòng)車、獨(dú)立車輪式電動(dòng)車上；德國(guó)、法國(guó)也將永磁同步電動(dòng)機(jī)用于高速列車組和低地板車；在煤炭、石油、冶金、港口起重等工業(yè)裝備自動(dòng)化領(lǐng)域，低速永磁同步電動(dòng)機(jī)在保證高性能、高效率、高精度需求的同時(shí)，省去了傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)中的機(jī)械減速裝置，已經(jīng)成功得到應(yīng)用；在電梯曳引機(jī)上，由于低速永磁同步電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需機(jī)械減速裝置的直驅(qū)運(yùn)行，日本三菱公司首先采用了永磁同步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，美國(guó)奧迪斯公司研發(fā)的GEN2系統(tǒng)也廣泛采用了永磁無(wú)齒輪曳引機(jī)技術(shù)。
4 低速永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)
目前來(lái)看，去除減速機(jī)、多級(jí)皮帶輪等機(jī)械減速裝置，采用低速永磁直驅(qū)系統(tǒng)，更能夠充分發(fā)揮低速永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)。低速永磁同步電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力提供者，正向著專用化、高性能化、輕型化、機(jī)電一體化等等方向發(fā)展。
4.1 專用化發(fā)展
在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，有很多設(shè)備需要減速機(jī)等機(jī)械減速裝置來(lái)減速進(jìn)而驅(qū)動(dòng)負(fù)載，這就需要電動(dòng)機(jī)行業(yè)技術(shù)人員仔細(xì)分析其負(fù)載特性，專門設(shè)計(jì)一種性能優(yōu)良、運(yùn)行可靠且價(jià)格合理的低速永磁同步電動(dòng)機(jī)，來(lái)替代傳統(tǒng)傳動(dòng)裝置。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有些專用低速永磁同步電動(dòng)機(jī)節(jié)電率可以達(dá)到20%左右，如油田用到的抽油機(jī)電機(jī)、泥漿泵電機(jī)，陶瓷行業(yè)用到了陶瓷球磨機(jī)電機(jī)等。
4.2 高性能方向發(fā)展
S著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求不僅僅是簡(jiǎn)單的提供動(dòng)力，而是提出了各種各樣的性能要求。如航空航天領(lǐng)域要求具備高性能同時(shí)，還要具備高可靠性；化纖行業(yè)、數(shù)控機(jī)床、智能加工中心等設(shè)備要求電動(dòng)機(jī)具有高調(diào)速精度。
4.3 輕型化方向發(fā)展
由于安裝空間、攜帶等方面的因素，都對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)提出了重量輕、體積小的要求。如地下煤礦開采、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械、船舶推進(jìn)、便攜式機(jī)電一體化產(chǎn)品等都有這方面的要求。
4.4 機(jī)電一體化方向發(fā)展
高性能的永磁電動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，電力電子技術(shù)、微電子控制技術(shù)和永磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)的結(jié)合催化出了一批新型且性能優(yōu)異的機(jī)電一體化產(chǎn)品。
5 結(jié)語(yǔ)
我國(guó)具有豐富的稀土礦產(chǎn)資源，且對(duì)以稀土作為原材料的永磁材料和永磁電動(dòng)機(jī)技術(shù)研究都已位列世界先進(jìn)水平，充分發(fā)揮這種優(yōu)勢(shì)，加快低速永磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)的研究和推廣，對(duì)加快我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有十分重要的意義。低速永磁同步電動(dòng)機(jī)較傳統(tǒng)電勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)在性能上有很大優(yōu)勢(shì)，但目前在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域并沒有得到廣泛應(yīng)用，其市場(chǎng)還正處在推廣階段。相信隨著永磁材料技術(shù)的發(fā)展、電力電子和驅(qū)動(dòng)裝置技術(shù)的進(jìn)步，以及人類社會(huì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)、能源問題社會(huì)意識(shí)的提高，在不久的將來(lái)，低速永磁同步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)裝置會(huì)慢慢滲透到工業(yè)和日常生活的各個(gè)方面，低速永磁同步電動(dòng)機(jī)也將得到廣泛應(yīng)用。
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作者簡(jiǎn)介
王錦涵（2000-），女，河南省南陽(yáng)市人。現(xiàn)為南陽(yáng)第一高級(jí)中學(xué)在讀學(xué)生。
[關(guān)鍵詞]超環(huán)面；機(jī)電傳動(dòng)；參數(shù)選擇；結(jié)構(gòu)分析
中圖分類號(hào)：TH132.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）44-0093-03
在機(jī)械工程領(lǐng)域，機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)是機(jī)械工程技術(shù)的重要組成部分，在一定程度上標(biāo)志著機(jī)械工程技術(shù)的水平。為適應(yīng)這一趨勢(shì)，人們一般從以下方面對(duì)齒輪及蝸桿傳動(dòng)展開新的研究工作。一、應(yīng)用現(xiàn)代材料科學(xué)技術(shù)，研究開發(fā)齒輪及蝸輪新材料；二、采用先進(jìn)制造技術(shù)，不斷完善高性能齒輪及蝸輪蝸桿齒廓成型技術(shù)，提高加工精度；三、運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)齒輪及蝸輪蝸桿傳動(dòng)進(jìn)行齒廓優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化及機(jī)構(gòu)優(yōu)化。
隨著電子、信息和控制等技術(shù)向機(jī)械工程領(lǐng)域的不斷滲透，傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)也發(fā)生了很大變化，跨越舊的機(jī)構(gòu)組成概念，實(shí)現(xiàn)機(jī)電和控制有機(jī)結(jié)合的新型復(fù)合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)已成為機(jī)械科學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際性前沿課題。機(jī)電集成超環(huán)面?zhèn)鲃?dòng)是一種集電、機(jī)、控制于一體的新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)由行星輪、環(huán)面蝸桿、環(huán)面定子和行星架組成。由于在結(jié)構(gòu)上它具有蝸桿上一個(gè)外環(huán)面和定子上一個(gè)內(nèi)環(huán)面兩個(gè)環(huán)面，所以稱其為超環(huán)面。同時(shí)，由于它是由電磁力替代了超環(huán)面行星蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的接觸嚙合力，所以稱其為超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。蝸桿環(huán)面上均勻分布螺旋槽，槽內(nèi)安放電磁線圈，行星輪圓周上均勻安放弧形永磁體，環(huán)面定子內(nèi)環(huán)面上均勻安置螺旋形永磁體。
與現(xiàn)有的超環(huán)面行星傳動(dòng)相比，它不僅具有環(huán)面蝸桿傳動(dòng)震動(dòng)小、嚙合齒數(shù)多、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、承載力高、傳動(dòng)功率及傳動(dòng)比范圍廣和傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，它在工作時(shí)，是用磁場(chǎng)力替代嚙合力，具有無(wú)嚙合、無(wú)和效率高等優(yōu)點(diǎn)。超環(huán)面行星蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在工作時(shí)需要配帶電動(dòng)機(jī)，而超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不需要配帶電動(dòng)機(jī)。
在超環(huán)面行星蝸桿傳動(dòng)的加工制造方面，國(guó)內(nèi)外的專家、學(xué)者一直在進(jìn)行著不停的研究和探索。我國(guó)武漢水運(yùn)工程學(xué)院陳定方教授、哈爾濱工業(yè)大學(xué)姚立綱博士都對(duì)該種傳動(dòng)的制造加工進(jìn)行了深入的研究。燕山大學(xué)許立忠教授于1999年制成國(guó)內(nèi)首臺(tái)滾錐齒超環(huán)面?zhèn)鲃?dòng)試驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行了臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，并取得良好的試驗(yàn)效果[6]，之后又對(duì)滾錐齒超環(huán)面行星蝸桿傳動(dòng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效的減小了樣機(jī)的體積和質(zhì)量[7]。
實(shí)踐證明， 超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有著其他機(jī)構(gòu)所不具備的很多優(yōu)點(diǎn)。隨著永磁傳動(dòng)技術(shù)的快速發(fā)展，用磁力線嚙合代替機(jī)械嚙合成為解決摩擦損耗的一個(gè)新思路。在實(shí)際的加工生產(chǎn)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)可以有效的將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通常也作為驅(qū)動(dòng)的目的使用，磁性是電動(dòng)機(jī)工作的基礎(chǔ)。
電動(dòng)機(jī)是工業(yè)中的重負(fù)荷機(jī)器，有很多類型的電動(dòng)機(jī)，每種類型的電動(dòng)機(jī)都有自己各自的特征和優(yōu)點(diǎn)。有些電動(dòng)機(jī)是以恒定速度運(yùn)行的，還有一些電動(dòng)機(jī)會(huì)隨著負(fù)載的增加，在速度上有一定的滑落，而另一些則會(huì)由于負(fù)載的原因使其速度大幅度降低。
如圖1所示為超環(huán)面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，該機(jī)構(gòu)由定子0、行星輪1、中心蝸桿2和行星架3組成。也正是由于在結(jié)構(gòu)上它具有蝸桿2上一個(gè)外環(huán)面和定子0上一個(gè)內(nèi)環(huán)面兩個(gè)環(huán)面的原因才稱之為超環(huán)面?zhèn)鲃?dòng)。
中心蝸桿2環(huán)面上均勻分布螺旋槽，槽內(nèi)安放電磁線圈，行星輪1圓周上均勻安置弧形永磁體，環(huán)形定子0內(nèi)環(huán)面上均勻安置螺旋形永磁體。由電機(jī)學(xué)和永磁理論可知在工作的時(shí)候，中心蝸桿2由硅鋼片疊加而成，外表纏有電磁線圈，接通三相交流電產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)行星輪自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，定子處也有磁場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)行星輪公轉(zhuǎn)。
永磁行星輪齒N、S極相間、均勻地嵌在行星輪的圓周上。螺旋定子由若干個(gè)鋼材或者永磁體制成的空間螺旋梁組成。螺旋梁均勻的嵌在定子支架上，用于吸引行星輪齒沿軌跡運(yùn)動(dòng)。
由于該系統(tǒng)是傳統(tǒng)意義上的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和減速增矩系統(tǒng)的集成，因此該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，可以在很小的空間內(nèi)傳遞很大的扭矩，特別適合于航空和航天等尖端技術(shù)領(lǐng)域以及坦克潛艇等重要軍事領(lǐng)域。
超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部分，如圖2所示，主要包括電樞蝸桿、永磁行星輪、永磁定子及行星架等部件。超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)蝸桿由鐵心和電樞組成，蝸桿結(jié)構(gòu)為由開口的硅鋼片疊加而成，以便于減少渦流損耗，硅鋼片中間由一根芯軸固定，外面呈現(xiàn)超環(huán)面的內(nèi)環(huán)面部分。開口按一定的規(guī)律在內(nèi)環(huán)面上加工出電樞槽，用以安放電樞導(dǎo)線。
超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)是在超環(huán)面行星蝸桿傳動(dòng)的基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)組成零件進(jìn)行機(jī)電組合而得到。行星輪仍然是該傳動(dòng)的中心構(gòu)件，根據(jù)行星輪的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，行星輪結(jié)構(gòu)采用永磁勵(lì)磁方式，永磁勵(lì)磁與電流勵(lì)磁相比，不需要?jiǎng)?lì)磁電流，不設(shè)電樞導(dǎo)線，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，可靠性高，在一定范圍內(nèi)，可以具有比電磁式更小的體積和重量，從而減小整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的重量和體積。
超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在行星輪圓周上安置永磁體，N、S極由隔磁材料隔開，齒數(shù)為偶數(shù)，形成永磁行星輪；為了能更好地控制輸入轉(zhuǎn)矩，蝸桿采用電流勵(lì)磁方式，三相交流電樞均勻地嵌于蝸桿表面，通過(guò)控制三相交流電的頻率和強(qiáng)弱，進(jìn)而控制整個(gè)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速和力矩，電樞的纏繞方式取決于需要的磁極數(shù)目和行星輪齒數(shù)，在整體結(jié)構(gòu)上類似于電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)；為了獲得較大的輸出力矩，定子也采用稀土永磁勵(lì)磁，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 便于加工， 解決了超環(huán)面行星蝸桿傳動(dòng)定子加工難的問題。
在超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中， 分別存在兩個(gè)磁回路， 對(duì)應(yīng)于蝸桿與行星輪嚙合和定子與行星輪嚙合， 從原理上來(lái)說(shuō)蝸桿與行星輪嚙合相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)， 蝸桿線圈通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)， 這樣行星輪上磁極的磁力線通過(guò)氣隙到達(dá)蝸桿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁極， 蝸桿由硅鋼片疊加而成， 磁力線通過(guò)硅鋼片到達(dá)蝸桿的另一磁極，經(jīng)過(guò)氣隙回到行星輪磁極， 經(jīng)過(guò)行星輪體完成磁力線的閉合。
超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)就是能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的內(nèi)部減速，可以實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比。我們把系統(tǒng)的傳動(dòng)比定義為：輸入的旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與輸出軸轉(zhuǎn)速之比[1]。超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)的傳動(dòng)比計(jì)算分成兩種情況：環(huán)面定子固定和行星架固定。
磁齒輪的嚙合與普通齒輪的嚙合有根本的不同，普通齒輪嚙合時(shí)，靠接觸線或接觸點(diǎn)，通過(guò)接觸處材料的彈力傳遞機(jī)械力， 實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)；而磁齒輪嚙合實(shí)際上是兩個(gè)磁極的正對(duì)面相互對(duì)齊，靠彼此之間的磁力作用傳遞運(yùn)動(dòng)。根據(jù)電磁理論，電樞合力方向?yàn)辇X槽面的法線方向，可分解為三個(gè)相互垂直方向的作用力，使行星輪發(fā)生自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，帶動(dòng)行星架轉(zhuǎn)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的輸出。
行星輪受力分析如圖3示，中心蝸桿表面上均勻排布N 極、S 極間隔的稀土永磁體， 定子的內(nèi)環(huán)面上也均勻排布N 極、S極間隔的螺旋形稀土永磁體。當(dāng)中心蝸桿的電樞接通三相交流電時(shí)， 在其周圍將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，行星輪在蝸桿和環(huán)面定子兩處將受到磁場(chǎng)力的共同作用，在這兩處磁場(chǎng)力的共同作用之下， 行星輪將在自轉(zhuǎn)的同時(shí)還繞中心蝸桿軸線公轉(zhuǎn)，支撐行星輪的行星架將在行星輪的驅(qū)動(dòng)之下作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 行星架的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就是該機(jī)構(gòu)的輸出運(yùn)動(dòng)。
設(shè)行星輪輪齒在任一轉(zhuǎn)角ψi處與中心蝸桿嚙合， 即行星輪上一個(gè)永磁體與蝸桿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在這個(gè)位置有磁場(chǎng)力作用。Fni表示此刻行星輪受到的磁場(chǎng)力，即法向力。Fai和Fti分別表示其軸向分力和切向分力。在超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中， 行星輪上永磁體與蝸桿間氣隙非常小，如果把行星輪上均勻分布的永磁體當(dāng)量為一段通電導(dǎo)體， 這個(gè)當(dāng)量通電導(dǎo)體可以近似認(rèn)為與中心蝸桿電磁場(chǎng)平行。那么可以得到中心蝸桿與行星輪之間的磁力作用， 如圖3所示的法向力Fni，即：
（1）
式中： Fni――中心蝸桿與行星輪之間的法向力N；
B――中心蝸桿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與行星輪永磁體磁場(chǎng)的合磁場(chǎng)強(qiáng)度， T；
L――行星輪上均勻分布永磁體的有效長(zhǎng)度，mm；
Id――行星輪永磁體磁場(chǎng)當(dāng)量電流強(qiáng)度， A 。
切向分力Fti提供行星輪自轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩Ti， 軸向分力Fai驅(qū)動(dòng)行星輪公轉(zhuǎn)， 行星輪自轉(zhuǎn)的同時(shí)要與定子嚙合。定子上螺旋分布的永磁體與行星輪上均勻分布的永磁體產(chǎn)生磁力， 這個(gè)磁力與在蝸桿處受到的磁力一樣， 可以分解為一個(gè)軸向分力F’ai和一個(gè)切向分力F’ti。F’ti施加行星輪自轉(zhuǎn)阻力矩T’1。T1與T’1大小相等。
超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，行星架與所有行星輪中心軸連在一起，所有行星輪的公轉(zhuǎn)力矩共同形成行星架的輸出力矩。對(duì)于每一個(gè)行星輪，它的公轉(zhuǎn)力矩分為兩個(gè)部分，一部分是蝸桿處的軸向力對(duì)蝸桿中心軸形成的力矩，另外一部分是定子處的軸向力形成的力矩。這兩部分力矩共同形成一個(gè)行星輪的公轉(zhuǎn)力矩Tni。即：
（2）
式中，φ1――蝸桿嚙合點(diǎn)處的位置角，rad；
ψ1 ――定子嚙合點(diǎn)處的位置角，rad；
a――蝸桿與行星輪的中心距，mm。
超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出力矩具有以下特征：
1、輸出力矩與行星輪個(gè)數(shù)m，合磁場(chǎng)強(qiáng)度B，永磁體當(dāng)量電流強(qiáng)度Id，行星輪永磁體的有效長(zhǎng)度L，行星輪半徑R等因素成正比的關(guān)系。
2、當(dāng)其他因素相同，改變行星輪齒數(shù)將改變嚙合時(shí)中心蝸桿對(duì)行星輪包圍的齒數(shù)，以及包圍齒數(shù)突變點(diǎn)的位置。但是，輸出力矩并不是隨著行星輪齒數(shù)的增加而增加的，因?yàn)樾行禽嘄X數(shù)的增加并不一定能增加行星輪與中心蝸桿的嚙合。
桿上齒槽分布情況確定以后，線圈具體的纏繞方式可以參考電機(jī)繞組的纏繞方式。由于蝸桿布線槽形狀比較復(fù)雜，為提高齒槽的利用率，使繞線嵌線方便， 蝸桿繞組一般采用單層型式、鏈?zhǔn)嚼@組。
根據(jù)環(huán)面蝸桿與行星輪的嚙合情況，電樞分布有兩種形式：行星輪齒完全嚙合，和蝸桿齒完全嚙合兩種情況。無(wú)論采取何種嚙合方式最終產(chǎn)生的電磁齒與行星輪的齒都存在一定的嚙合關(guān)系。隨著a/R的增加，蝸桿電樞和定子梁的螺旋角減小，行星輪與蝸桿之間的嚙合齒數(shù)增加；隨著極對(duì)數(shù)的增加，蝸桿電樞和定子梁的螺旋角增加，極對(duì)數(shù)越多嚙合點(diǎn)也越多。
n=0時(shí)，表示行星輪和蝸桿全部完全嚙合。螺旋角的表達(dá)式可以統(tǒng)一，根據(jù)超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的正確嚙合條件方程式，可知超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)必須滿足以下表達(dá)式：
（3）
中心蝸桿的極對(duì)數(shù)是成對(duì)出現(xiàn)的，有一個(gè)N極就必然有一個(gè)S極與其對(duì)應(yīng)。所以中心蝸桿的齒數(shù)可以用極對(duì)數(shù)p表示，即Z2=2p，p取自然數(shù)。所以當(dāng)中心蝸桿每增加一對(duì)極，通過(guò)行星輪與之嚙合的定子齒數(shù)就應(yīng)增加兩個(gè)。用Z0表示定子齒數(shù)，可得定子齒數(shù)與極對(duì)數(shù)存在如下關(guān)系：
（4）
其中，p為環(huán)面蝸桿極對(duì)數(shù)，λ0為環(huán)面定子的螺旋角，λ2為蝸桿齒槽螺旋角，N為包含0的正整數(shù)。
綜上所述，可以得出tanλ2，tanλ0，p和Z1四者之間的關(guān)系，在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中由于行星輪轉(zhuǎn)角Φ1一直在變化，所以定子梁螺旋角和電樞螺旋角也一定隨之變化，但是變化幅度很小，因此螺旋角通常取平均值代替。
機(jī)械傳動(dòng)在機(jī)械工程領(lǐng)域中占有重要的地位，隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越需要集成化的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。本論文提出了一種新型復(fù)合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)―超環(huán)面機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并對(duì)該機(jī)構(gòu)從驅(qū)動(dòng)機(jī)理、嚙合分析、傳動(dòng)比分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇與設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究，不僅具有重要的理論意義，而且具有重要的實(shí)用價(jià)值。
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【關(guān)鍵詞】伺服系統(tǒng)；永磁同步電機(jī)；直流無(wú)刷電機(jī)
一、概述
從70年代后期到80年代初期，隨著微處理技術(shù)，大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)和電機(jī)永磁材料制造工藝的發(fā)展，其性能價(jià)格比的日益提高，交流伺服技術(shù)－交流伺服電機(jī)和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。目前，高性能的伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電機(jī)，永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于完全成熟，具備了十分優(yōu)良的低速性能并可實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制，能快速、準(zhǔn)確定位的控制驅(qū)動(dòng)器組成的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價(jià)格的降低，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價(jià)格的逐步降低以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，加上永磁電機(jī)研究開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，經(jīng)大力推廣和應(yīng)用已有研究成果，其在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，正向大功率化（高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩）、高功能化和微型化方面發(fā)展。
二、永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)除電機(jī)外，系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)單元、位置控制系統(tǒng)、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器、位置反饋單元、電流反饋單元、通訊接口單元等。
1．永磁式交流同步伺服電機(jī)。永磁同步電機(jī)永磁式同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、損耗小、效率高的特點(diǎn)。和直流電機(jī)相比，它沒有直流電機(jī)的換向器和電刷等需要更多維護(hù)給應(yīng)用帶來(lái)不便的缺點(diǎn)。相對(duì)異步電動(dòng)機(jī)而言則比較簡(jiǎn)單，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測(cè)、控制性能好，但存在最大轉(zhuǎn)矩受永磁體去磁約束，抗震能力差，高轉(zhuǎn)速受限制，功率較小，成本高和起動(dòng)困難等缺點(diǎn)。與普通同步電動(dòng)機(jī)相比，它省去了勵(lì)磁裝置，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了效率。永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，因此永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。
2．驅(qū)動(dòng)單元。驅(qū)動(dòng)單元采用三相全橋自控整流，三相正弦PWM電壓型逆變器變頻的AC-DC-AC結(jié)構(gòu)。設(shè)有軟啟動(dòng)電路和能耗泄放電路可避免上電時(shí)出現(xiàn)過(guò)大的瞬時(shí)電流以及電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生很高的泵升電壓。逆變部分采用集驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路和功率開關(guān)于一體的智能功率模塊(IPM)。
3．控制單元?？刂茊卧钦麄€(gè)交流伺服系統(tǒng)的核心， 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制器。具有快速的數(shù)據(jù)處理能力的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)被廣泛應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)，集成了豐富的用于電機(jī)控制的專用集成電路，如A/D轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器、定時(shí)計(jì)數(shù)器電路、異步通訊電路、CAN總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)RAM和大容量的程序存儲(chǔ)器等。
4．位置控制系統(tǒng)。對(duì)于不同的信號(hào)，位置控制系統(tǒng)所表現(xiàn)出的特性是不同的。典型的輸入信號(hào)有三種形式:位置輸入（位置階躍輸入）、速度輸入（斜坡輸入）以及加速度輸入（拋物線輸入）。位置傳感器一般采用高分辨率的旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器、磁編碼器等元件。旋轉(zhuǎn)變壓器輸出兩相正交波形，能輸出轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置，但其解碼電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴。磁編碼器是實(shí)現(xiàn)數(shù)字反饋控制性價(jià)比較高的器件，還可以依靠磁極變化檢測(cè)位置，目前正處于研究階段，其分辨率較低。
5．接口通訊單元。接口包括鍵盤/顯示、控制I/O接口、串行通信等。伺服單元內(nèi)部及對(duì)外的I/O接口電路中，有許多數(shù)字信號(hào)需要隔離。這些數(shù)字信號(hào)代表的信息不同，更新速度也不同。
三、對(duì)當(dāng)前兩種不同的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的分析
由于轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不同，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在定子上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)波形就有兩種：一種為正弦波；另一種為梯形波。這樣就造成同步電動(dòng)機(jī)在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區(qū)別由它們組成的永磁同步電動(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)，習(xí)慣上又把正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）調(diào)速系統(tǒng)；而由梯形波（方波）永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)類似，故稱這種系統(tǒng)為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）調(diào)速系統(tǒng)。
PMSM不需要?jiǎng)?lì)磁電流，在逆變器供電的情況下不需要阻尼繞組，效率和功率因素都比較高，體積也較同容量的異步機(jī)小。PMSM通常采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩兩種控制方式。矢量控制借助與坐標(biāo)變換，將實(shí)際的三相電流變換成等效的力矩電流分量和勵(lì)磁電流分量，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的解耦控制，控制概念明確；而直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)是調(diào)節(jié)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能，其控制簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速。PMSM的矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)性能、大范圍的速度和位置控制，但是它的傳感器則給調(diào)速系統(tǒng)帶來(lái)了諸如成本較高、抗干擾性和可靠性不強(qiáng)、電動(dòng)機(jī)的軸向尺寸較長(zhǎng)等缺陷。另外，PMSM轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性、控制系統(tǒng)等也不同。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置的不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)主要可分為：表面式和內(nèi)置式。在表面式永磁同步電動(dòng)機(jī)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，這種電機(jī)的重要特點(diǎn)是直、交軸的主電感相等；而內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的永磁于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，可以保護(hù)永磁體。這種永磁電機(jī)的重要特點(diǎn)是直、交軸的主電感不相等。
轉(zhuǎn)貼于
BLDCM組成的伺服系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)速平滑，響應(yīng)快，易于控制等特點(diǎn)，但若按照常規(guī)的控制方法，其轉(zhuǎn)速直接與電壓相關(guān)，易受電源波動(dòng)和負(fù)載波動(dòng)的影響。BLDCM類似于PMSM轉(zhuǎn)子上也有永磁磁極，定子電樞需要交變電流以產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，其主要區(qū)別是前者的反電勢(shì)為梯形波，而后者的反電勢(shì)為正弦波。但由于電磁慣性，BLDCM的定子電流實(shí)際上為梯形波，而無(wú)法產(chǎn)生方波電流，并由集中繞組供電，所以BLDCM較PMSM脈動(dòng)力矩大。在高精度伺服驅(qū)動(dòng)中，PMSM有較大競(jìng)爭(zhēng)力。另一方面，PMSM單位電流產(chǎn)生的力矩較BLDCM單位電流產(chǎn)生的力矩小。在驅(qū)動(dòng)同容量的電動(dòng)機(jī)時(shí)，PMSM所需逆變器容量大并且需要控制電流為正弦波，開關(guān)損耗也大很多。
PMSM的交軸電抗和直軸電抗隨電機(jī)磁路飽和等因素而變化，從而影響輸出力矩的磁阻力矩分量。PMSM對(duì)參數(shù)的變化較BLDCM敏感，但當(dāng)PMSM工作于電流控制方式時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩很小，其矢量控制系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化的敏感性與BLDCM基本相同。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，無(wú)刷直流電機(jī)反電勢(shì)與直流母線電壓相同時(shí)，反電勢(shì)限制了定子電流。而永磁同步電機(jī)能夠采用弱磁控制，因此具有較大的調(diào)速范圍。
四、永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
早期對(duì)永磁同步電機(jī)的研究主要為固定頻率供電的永磁同步電機(jī)運(yùn)行特性的研究，特別是穩(wěn)態(tài)特性和直接起動(dòng)性能的研究。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人對(duì)永磁同步電機(jī)的直接起動(dòng)方面做了大量的研究工作。在上個(gè)世紀(jì)八十年代國(guó)外開始對(duì)逆變器供電的永磁同步電機(jī)進(jìn)行了深入的研究，其供電的永磁同步電機(jī)與直接起動(dòng)的永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同，但多數(shù)情況下無(wú)阻尼繞組。并在該時(shí)期發(fā)表了大量的有關(guān)永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性的研究論文。A.V.Gumaste等研究了電壓型逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性及電流型逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性。
隨著對(duì)永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)性能要求的不斷提高，G.R.Slemon等人針對(duì)調(diào)速系統(tǒng)快速動(dòng)態(tài)性能和高效率的要求，提出了現(xiàn)代永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法。可設(shè)計(jì)出高效率、高力矩慣量比、高能量密度的永磁同步電機(jī)。
近年來(lái)微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的全數(shù)字控制也取得了很大的發(fā)展。D.Naunin等研制了一種永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)，采用了十六位單片機(jī)8097作為控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的全數(shù)字控制。八十年代末，九十年代初B.K.Bose等發(fā)表了大量關(guān)于永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)全數(shù)字控制的論文。
九十年代初期，R.B.Sepe首次在轉(zhuǎn)速控制器中采用自校正控制。早期自適應(yīng)控制主要應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。劉天華等也將魯棒控制理論應(yīng)用于永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)。自適應(yīng)控制技術(shù)能夠改善控制對(duì)象和運(yùn)行條件發(fā)生變化時(shí)控制系統(tǒng)的性能，N.Matsui，J.H.Lang等人將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用于永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自適應(yīng)控制技術(shù)能夠使調(diào)速系統(tǒng)在電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)保持良好的性能?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制 由于其特殊的“切換”控制方式與電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中逆變器的“開關(guān)”模式相似，并且具有良好的魯棒控制特性，因此，在電機(jī)控制領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能控制已成為現(xiàn)代控制領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中運(yùn)用智能控制技術(shù)也已成為目前電氣傳動(dòng)控制的主要發(fā)展方向，并且將帶來(lái)電氣傳動(dòng)技術(shù)的新紀(jì)元。目前，實(shí)現(xiàn)智能控制的有效途徑有三條：基于人工智能的專家系統(tǒng)（ExpertSystem）;基于模糊集合理論（FuzzyLogic）的模糊控制；基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeuralNetwork）的神經(jīng)控制。B.K.Bose等人從八十年代后期一直致力于人工智能技術(shù)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用，并取得了可喜的研究成果。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：電動(dòng)物流汽車；電機(jī)；現(xiàn)狀與趨勢(shì)
中圖分類號(hào)：F253.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Abstract： With the development of China's express delivery business blowout， a rapid growth in the number of logistics vehicles. In the context of energy constraints， environmental pollution， our government put the development of electric vehicles as a logistics solution to energy and environmental problems and realize the sustainable development of one of the major initiatives， the auto production enterprises will also electric car logistics as an important strategic direction grab the commanding heights of the auto industry in the future， the key components of the motor for electric vehicle logistics is currently using more ac asynchronous motor， permanent magnet synchronous motor and switched reluctance motor， the motor has advantages and disadvantages of each. From the angle of technological development， permanent magnetic motor will be a development trend. At the same time， from the point of automotive electrical installation convenience， etc， will be electric logistics hub motor car driving mode of the ideal.
Key words： electric automobile logistics； the motor； current situation and trend
動(dòng)物流汽車是新能源汽車中發(fā)展較快的一個(gè)類型。新能源汽車用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)要滿足頻繁啟/停、加減速，爬坡或低速時(shí)能提供較大轉(zhuǎn)矩，在高速行駛時(shí)提供小轉(zhuǎn)矩高轉(zhuǎn)速，而且變速范圍要寬。由于新能源汽車車載能源為動(dòng)力電池，容量有限，為獲得最大的行駛里程，大多數(shù)車輛都采用了能量回饋技術(shù)，即在汽車制動(dòng)時(shí)，通過(guò)控制器將車輪損耗的動(dòng)能反饋到電池中，并使電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，將發(fā)出的電輸送到電池中[1]。因此，電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)機(jī)不能單純的稱為電動(dòng)機(jī)，而應(yīng)稱為電機(jī)。
科技部要求新能源汽車技術(shù)研發(fā)將重點(diǎn)圍繞電機(jī)驅(qū)動(dòng)與電力電子、動(dòng)力電池與電池管理等6個(gè)技術(shù)方向展開?？己酥笜?biāo)為電機(jī)控制器峰值功率密度≥17kW/L，最高效率≥98.5%，匹配電機(jī)額定功率20kW至60kW，功能安全滿足ISO26262標(biāo)準(zhǔn)ASCIL C級(jí)的要求，設(shè)計(jì)壽命達(dá)到15年或40萬(wàn)公里；裝車應(yīng)用≥10 000套[2]。
1 電動(dòng)物流汽車對(duì)電機(jī)的要求
與工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械、家用電器等的電機(jī)相比，電動(dòng)物流汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作比較特殊：
（1）電機(jī)工況復(fù)雜：電動(dòng)汽車經(jīng)常啟停、加減速、上下坡等，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和功率變化頻繁。
（2）電機(jī)在沖擊、振動(dòng)的環(huán)境下工作：電動(dòng)汽車的顛簸和振動(dòng)都會(huì)傳遞給電機(jī)，此外，電機(jī)還要承受汽車在緊急制動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎、急加速時(shí)的慣性力。
（3）車載電源能量有限：電動(dòng)汽車的電源能源是有限的，當(dāng)能量用盡時(shí)，需要停止運(yùn)行，進(jìn)行充電或添加燃料來(lái)恢復(fù)其消耗的能量。
（4）電機(jī)本身也是負(fù)載：電機(jī)及其控制器本身的質(zhì)量也是車輛質(zhì)量的一部分。
與工業(yè)用電機(jī)相比，針對(duì)電動(dòng)物流汽車的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)所設(shè)計(jì)的電機(jī)有著特殊的性能要求：
（1）電動(dòng)物流汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)要滿足頻繁的啟停、加減速、轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)性能要求較高，電機(jī)要有自動(dòng)調(diào)速功能，能減輕使用者的操作強(qiáng)度，提高駕駛的舒適性，并且控制響應(yīng)能達(dá)到與燃油車油門踏板同樣的要求。
（2）在允許范圍內(nèi)盡量采用高電壓，可減小電機(jī)和逆變器及其它裝備的尺寸。
（3）為了減少整車的重量，通常取消多級(jí)變速器，這就要求在低速或爬坡時(shí)，電機(jī)可以提供較高的轉(zhuǎn)矩，通常來(lái)說(shuō)要能夠承受4～5倍的過(guò)載。
（4）調(diào)速范圍要寬，還需要在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)保持較高的運(yùn)行效率。
（5）電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)盡量設(shè)計(jì)為高額定轉(zhuǎn)速，同時(shí)盡量采用鋁合金外殼，各種控制器裝備的質(zhì)量和冷卻系統(tǒng)的質(zhì)量等也要求盡可能小，有利于減少電動(dòng)汽車的重量。
（6）電動(dòng)汽車應(yīng)具有最優(yōu)化的能量利用，具有制動(dòng)能量回收功能，再生制動(dòng)回收的能量一般要達(dá)到總能量的10%～20%。
（7）電機(jī)工作環(huán)境較差，要求電機(jī)要有很好的可靠性、耐高低溫和耐潮性好、噪聲低運(yùn)行，同時(shí)還要保證電機(jī)的制造成本低。
（8）為保證安全，需要安裝高壓保護(hù)設(shè)備。
（9）結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單以便于維修，價(jià)格還要低廉。
2 電動(dòng)物流汽車常用電機(jī)類型
直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)是電動(dòng)物流汽車常用的動(dòng)電機(jī)。直流電機(jī)應(yīng)用最早，這種電機(jī)的特點(diǎn)是控制性能好、成本低，但其重量過(guò)大、效率低、電刷和滑環(huán)的存在增加維護(hù)成本，尤其是電刷的磨損會(huì)帶來(lái)安全隱患。
電動(dòng)物流汽車對(duì)車用電機(jī)的要求不斷提出新的要求，隨著電控、機(jī)械制造和材料等技術(shù)的進(jìn)步，交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)的性能將更為優(yōu)越，是目前應(yīng)用較為廣泛的電動(dòng)物流汽車用電機(jī)。電動(dòng)物流汽車常用電機(jī)的性能和優(yōu)缺點(diǎn)比較及應(yīng)用車型如表1、表2所示。
3 電動(dòng)物流汽車用電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)
3.1 永磁同步電機(jī)
由于永磁同步電機(jī)效率高、轉(zhuǎn)矩密度高、高效區(qū)寬、調(diào)速范圍寬、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，電機(jī)永磁化是未來(lái)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)之一[4]。
3.2 輪轂電機(jī)
輪轂電機(jī)技術(shù)又稱為車輪內(nèi)裝式電機(jī)技術(shù)，是一種將電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)融為一體的輪轂裝置技術(shù)。輪轂電機(jī)可采用永磁無(wú)刷、直流無(wú)刷、開關(guān)磁阻等電機(jī)類型。由于電機(jī)處于車輪輪轂內(nèi)，受體積限制，要求電機(jī)為扁形結(jié)構(gòu)，即電機(jī)短而粗。
輪轂電機(jī)具有：更方便的底盤布置，更靈活的供電系統(tǒng)，更好的汽車底盤主動(dòng)控制性能，最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)力分配等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。
由于采用了電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)的形式，沒有了機(jī)械傳動(dòng)系，使車廂的空間更大，底盤布置更靈活，底盤通用性增強(qiáng)。同時(shí)，汽車的電源供電系統(tǒng)無(wú)論是采用燃料電池、超級(jí)電容或者蓄電池，或者是它們的組合，都不受限制，原來(lái)的機(jī)械硬連接動(dòng)力傳動(dòng)形式也變?yōu)殡娎|進(jìn)行供電的軟連接形式。
輪轂電機(jī)的控制響應(yīng)快、精度高，并且每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪由各自的控制器控制，可以實(shí)現(xiàn)最理想的控制效果。輪轂電機(jī)也有比如密封和起步電流/扭矩間的平衡關(guān)系，以及轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動(dòng)輪的差速問等題，但從電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，輪轂電機(jī)將是電動(dòng)物流汽車最理想的驅(qū)動(dòng)方式。
4 結(jié)束語(yǔ)
2015年，我國(guó)快遞業(yè)務(wù)總量達(dá)到211億件，同比增長(zhǎng)54%，相比去年提高8%。隨著整個(gè)快遞業(yè)務(wù)量的爆發(fā)，物流車輛的增長(zhǎng)數(shù)量也得到了快速增長(zhǎng)。在能源制約、環(huán)境污染等大背景下，我國(guó)政府把發(fā)展電動(dòng)物流汽車作為解決能源及環(huán)境問題、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重大舉措之一，各汽車生產(chǎn)企業(yè)也將電動(dòng)物流汽車作為搶占未來(lái)汽車產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)的重要戰(zhàn)略方向[5]。在政府與企業(yè)的共同努力下，我國(guó)電動(dòng)物流汽車近幾年展現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭。電機(jī)作為電動(dòng)物流汽車上的關(guān)鍵零部件，其技術(shù)、產(chǎn)品品質(zhì)等還要提升，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還不完善，整個(gè)行業(yè)還處于起步階段，關(guān)鍵技術(shù)方面還落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。因此，加快新一代電機(jī)等技術(shù)研發(fā)，已成為我國(guó)“十三五”規(guī)劃的重點(diǎn)突破方向。
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【關(guān)鍵詞】永磁同步電機(jī);恒壓頻比開環(huán)控制;矢量控制;直接轉(zhuǎn)矩控制
1.引言
近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、新型電機(jī)控制理論和稀土永磁材料的快速發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)得以迅速的推廣應(yīng)用。永磁同步電動(dòng)機(jī)具有體積小，損耗低，效率高等優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)日益受到重視的今天，對(duì)其研究就顯得非常必要。因此。這里對(duì)永磁同步電機(jī)的控制策略進(jìn)行綜述，并介紹了永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的各種控制策略發(fā)展方向。
2.永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型
永磁同步電機(jī)（PMSM）的永磁體和繞組，繞組和繞組之間的相互影響，電磁之間的關(guān)系十分復(fù)雜，由于磁路飽和等非線性因素，建立精確的數(shù)學(xué)模型是很困難的。為了簡(jiǎn)化PMSM的數(shù)學(xué)模型，我們通常作如下的假設(shè)：
（1）磁路不飽和，電機(jī)電感不受電流變化影響，不計(jì)渦流和磁滯損耗;
（2）忽略齒槽、換相過(guò)程和電樞反應(yīng)的影響;
（3）三相繞組對(duì)稱，永久磁鋼的磁場(chǎng)沿氣隙周圍正弦分布;
（4）電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布;
（5）驅(qū)動(dòng)二極管和續(xù)流二極管為理想元件;
（6）轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布。
對(duì)于永磁同步電機(jī)來(lái)說(shuō)，即用固定轉(zhuǎn)子的參考坐標(biāo)來(lái)描述和分析其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能是十分方便的。此時(shí)，取永磁體基波勵(lì)磁磁場(chǎng)軸線即永磁體磁極的軸線為d軸，而q軸逆時(shí)針方向朝前90o電角度。d軸與參考軸A之間夾角為。圖1為永磁同步電機(jī)（PMSM）矢量圖。
圖1 PMSM空間向量圖
Fig.1 Space vector diagram of PMSM
根據(jù)圖1所示向量圖進(jìn)行坐標(biāo)變換，滿足功率不變?cè)瓌t，得到在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下PMSM的數(shù)學(xué)模型方程如下
（1）電壓方程
由三相靜止軸系A(chǔ)BC到同步旋轉(zhuǎn)軸系dq的變換得：
（1）
，Rs為定子相電阻，其中：
。
（2）磁鏈方程
（2）
式中為轉(zhuǎn)子（永磁體）在dq軸的磁鏈，，ud、uq，id、iq和、分別為dq軸的電流、電壓和磁鏈。、為dq軸的電感。
（3）轉(zhuǎn)矩方程
電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為：
（3）
pn為極對(duì)數(shù)，定子磁鏈空間矢量，is為定子電流空間矢量。
3.恒壓頻比開環(huán)控制（VVVF）
恒壓頻比開環(huán)控制（VVVF）是為了得到理想的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機(jī)的磁通不變的思想而提出的。 按照這種控制策略進(jìn)行控制，使供電電壓的基波幅值隨著速度指令成比例的線性增長(zhǎng)，從而保持定子磁通的近似恒定。VVVF控制策略簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速通過(guò)電源頻率進(jìn)行控制。但同時(shí)，由于系統(tǒng)中不引入速度、位置等反饋信號(hào)，因此無(wú)法實(shí)時(shí)捕捉電機(jī)狀態(tài)，致使無(wú)法精確控制電磁轉(zhuǎn)矩：在突加負(fù)載或者速度指令時(shí)，容易發(fā)生失步現(xiàn)象;也沒有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。因此，恒壓頻比開環(huán)控制電機(jī)磁通而沒有控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，控制性能差。通常只用于對(duì)調(diào)速性能要求一般的通用變頻器上。
4.矢量控制（VC）
七十年代中期，德國(guó)學(xué)者提出“交流電機(jī)磁場(chǎng)定向的控制原理”，即用矢量變換的方法研究交流電機(jī)的動(dòng)態(tài)控制規(guī)律。矢量控制理論采用矢量分析的方法來(lái)分析交流電機(jī)內(nèi)部的電磁過(guò)程，是建立在交流電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的控制方法。它模仿對(duì)直流電機(jī)的控制技術(shù)，將交流電機(jī)的定子電流解禍成互相獨(dú)立的產(chǎn)生磁鏈的分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量。分別控制這兩個(gè)分量就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的磁鏈控制和轉(zhuǎn)矩控制的完全解禍，從而達(dá)到理想的動(dòng)態(tài)性能。使交流傳動(dòng)的動(dòng)、靜態(tài)特性有了顯著的改善，開創(chuàng)了交流傳動(dòng)的新紀(jì)元。矢量控制是目前高性能交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所采用的主要控制方法，具有很好的動(dòng)態(tài)性能。然而這種控制技術(shù)本身還是存在一些缺陷的，受電機(jī)參數(shù)影響較大，由于電機(jī)參數(shù)在不同運(yùn)行情況與環(huán)境的多變性，所以系統(tǒng)魯棒性不強(qiáng);矢量控制的根本是實(shí)現(xiàn)類似直流電機(jī)的控制，因此需要進(jìn)行復(fù)雜的解耦運(yùn)算，增加了信號(hào)處理工作負(fù)荷，要求更高的硬件處理器配合;
5.直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）
1985年德國(guó)學(xué)者M(jìn).DepenBrock教授首次提出了磁鏈采用六邊形控制方案的直接轉(zhuǎn)矩控制理論。該方法只是在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，強(qiáng)調(diào)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換和計(jì)算。其磁場(chǎng)定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測(cè)出來(lái)。因此，DTC大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題，很大程度上克服了矢量控制的缺點(diǎn)。
轉(zhuǎn)差角頻率越大，轉(zhuǎn)矩越大。轉(zhuǎn)差角頻率增加，轉(zhuǎn)矩也增加。說(shuō)明異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩增長(zhǎng)率都可以通過(guò)控制定子磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子的角頻率來(lái)控制。也就是說(shuō)，異步電機(jī)DTC是建立在電機(jī)轉(zhuǎn)差角頻率控制的理論基礎(chǔ)上的。而同步電機(jī)并不存在這種轉(zhuǎn)差角頻率，正是由于這個(gè)原因，DTC策略在同步電機(jī)上沒有能夠快速地得到應(yīng)用。直到1996年英國(guó)的French.C和Acarnley .P發(fā)表了關(guān)于PMSM的DTC的論文，1997年由澳大利亞的Zhong L， Rahman.M.T教授和南航的胡育文教授等合作提出了基于PMSM的DTC方案，初步解決了DTC控制策略在PMSM上應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。有了這個(gè)理論基礎(chǔ)，PMSM的DTC控制也成了眾多學(xué)者研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
就目前而言，永磁同步電機(jī)控制的直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了矢量控制解耦的思想，將轉(zhuǎn)子磁通定向更換為定子磁通定向，通過(guò)控制定子磁鏈的幅值以及磁通角，達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的，具有控制手段直接、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單高效、控制性能優(yōu)良、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速的特點(diǎn)。直接轉(zhuǎn)矩控制在克服了矢量控制弊端的同時(shí)，這種粗獷式控制方式也暴露出固有的缺陷。首先控制器采用Bang-Bang控制，實(shí)際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動(dòng);再者調(diào)速范圍受限。在低速時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)增加，而且定子磁鏈觀測(cè)值會(huì)不準(zhǔn)。另外，電機(jī)參數(shù)的時(shí)變對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制也有影響。
6.結(jié)論
本文所闡述的永磁同步電機(jī)的控制方式是最基本的三種控制方式。通過(guò)文中的闡述，可以看出每種控制方式都有其利弊，可以根據(jù)設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境工況來(lái)選擇設(shè)備的控制方法。
同時(shí)隨著控制理論的不斷發(fā)展，學(xué)者們采用智能控制策略，如最優(yōu)控制、遺傳算法、模糊控制等方法，用來(lái)克服每種控制方式的弊端，使得永磁同步電機(jī)的應(yīng)該更加廣泛，充分發(fā)揮其體積小，損耗低，效率高等優(yōu)點(diǎn)。
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關(guān)鍵詞：低壓真空斷路器；雙穩(wěn)態(tài)永磁操作機(jī)構(gòu)；真空滅弧室參數(shù)；實(shí)體模型；有限元分析
中圖分類號(hào)：TM153 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
1 引言
低壓斷路器廣泛應(yīng)用于低壓配電路中，它不僅擔(dān)負(fù)著反復(fù)地接通與斷開低壓配電電路，而且當(dāng)電路發(fā)生過(guò)載、短路等故障時(shí)可以立刻動(dòng)作，斷開電路。
近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展一些基于真空滅弧室的低壓斷路器相繼出現(xiàn)，但其操動(dòng)機(jī)構(gòu)基本上是傳統(tǒng)的彈簧或電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。由于在低壓電器中80%的故障都是機(jī)械故障。而彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)則是靠機(jī)械傳動(dòng)，零部件數(shù)量多，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)生故障的概率很高，所以減少機(jī)械部件成為減少故障問題的主要方法。
永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)作為一種新型真空斷路器的操作機(jī)構(gòu)，零部件少，運(yùn)動(dòng)部件只有一個(gè)動(dòng)鐵心，所以大大降低了故障源，幾乎不存在可靠性的問題、免維護(hù)，而且它的出力特性與反力特性配合良好，已經(jīng)普遍應(yīng)用于中、高壓領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)一種配合低壓真空滅弧室的雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。對(duì)幾種不同結(jié)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電磁吸力特性進(jìn)行分析。
2 設(shè)計(jì)模型
2.1 四種不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
對(duì)電壓等級(jí)不同的真空斷路器，由于所帶負(fù)載、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同，動(dòng)鐵心受永磁體的力也不相同，機(jī)構(gòu)的分、合閘動(dòng)作的時(shí)間（分合閘時(shí)間）、速度（分合閘速度）也不相同，因此永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、性能參數(shù)也不相同。所以，不同的斷路器，根據(jù)情況的不同需配備不同結(jié)構(gòu)形式的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)前，首先應(yīng)該對(duì)結(jié)構(gòu)、參數(shù)和能耗進(jìn)行分析計(jì)算，使其均達(dá)到目標(biāo)要求。由此本文提出了結(jié)構(gòu)形式不同的四種雙穩(wěn)態(tài)永磁操作機(jī)構(gòu)：（a）永磁體緊靠動(dòng)鐵心，（b）永磁體緊靠動(dòng)鐵心，但由于在氣隙下面加了極靴，因此整個(gè)動(dòng)鐵心的長(zhǎng)度減小，但是動(dòng)鐵心的行程與（a）保持相同，（c）永磁體緊靠靜鐵心，（d）永磁體占滿整個(gè)磁軛部分。
2.2 雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理
雖然結(jié)構(gòu)各不相同，但工作原理卻一致，以（a）為例說(shuō)明。
假設(shè)開始時(shí)斷路器位于合閘的狀態(tài)，那么動(dòng)鐵心處于操動(dòng)機(jī)構(gòu)的頂部。所以機(jī)構(gòu)上端空氣隙小磁阻小，下端空氣隙大磁阻大，因此由永磁體所產(chǎn)生的磁力線絕大部分都通過(guò)上部磁路，將動(dòng)鐵心吸合在合閘位置。
當(dāng)對(duì)斷路器進(jìn)行分閘操作時(shí)，只需在分閘線圈中通過(guò)大小適當(dāng)?shù)碾娏?，而這一電流產(chǎn)生的磁力線和靜鐵心上部的磁力線方向完全相反，起到抵消的作用。但是分閘線圈在中部產(chǎn)生的磁力線方向與永磁體在中部產(chǎn)生的磁力線方向卻一致。因此動(dòng)鐵心受到的向上的電磁吸力逐漸減小，當(dāng)分閘線圈中的電流增大到一定程度時(shí)，動(dòng)鐵心所受到的電磁吸力之和大于動(dòng)鐵心上的負(fù)載，此時(shí)動(dòng)鐵心將會(huì)向下運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)動(dòng)鐵心開始向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，其機(jī)構(gòu)頂端與靜鐵心的上面的磁極之間的空氣隙會(huì)越來(lái)越大，進(jìn)而使上面的磁阻逐步增大，而下面的磁阻則會(huì)慢慢變小。并且向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中伴有電流的增大，使動(dòng)鐵心受的向下的合力增大，進(jìn)而使得整個(gè)動(dòng)鐵芯加速向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)動(dòng)鐵芯到達(dá)底部會(huì)被永磁體所吸合，此時(shí)即使斷開分閘線圈中的電流，動(dòng)鐵心依舊會(huì)維持在機(jī)構(gòu)的底部即分閘狀態(tài)。
合閘過(guò)程與分閘過(guò)程完全相似；這里不再敘述。
3 理論分析及計(jì)算
以上的公式說(shuō)明任何磁場(chǎng)都可當(dāng)作由分布電流產(chǎn)生，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)永磁體有以下兩種電流模擬的方法：
（1）永磁體整個(gè)區(qū)域內(nèi)部充滿電流的模型（體電流模型）。
（2）永磁體外部邊界上存在的電流的模型（面電流模型）。
4 仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)
永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分、合閘操作以及位置維持依賴于機(jī)構(gòu)內(nèi)部的磁場(chǎng)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以對(duì)機(jī)構(gòu)中的磁場(chǎng)變化進(jìn)行研究具有重要意義。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際理論計(jì)算出的尺寸進(jìn)行實(shí)體建模并做如下仿真。
（1）未通電情況下，永磁體單獨(dú)作用的磁通分布可以說(shuō)明其工作原理。由于下面的磁路的空氣隙使磁阻很大，所以此時(shí)磁通幾乎都通過(guò)上面的磁路。
（2）當(dāng)接收到分閘命令后，分閘線圈中開始通電，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)使動(dòng)鐵心下面的磁場(chǎng)變強(qiáng)。隨著電流的不斷增強(qiáng)，動(dòng)鐵心受線圈產(chǎn)生向下的吸力變大，此力與永磁體產(chǎn)生的電磁吸力相反。使動(dòng)鐵心受到的向上電磁吸力越來(lái)越小。
（3）通過(guò)對(duì)不同電流等級(jí)的磁力線分布獲得不同結(jié)構(gòu)下的電磁力之和，通過(guò)分析結(jié)果進(jìn)而做出優(yōu)化選擇。由于優(yōu)化是又一個(gè)深入的課題，再次就不加以論述。
結(jié)論
根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出：
（1）當(dāng)分、合閘線圈中通入的電流為零時(shí)，動(dòng)鐵心受到的吸力與其體積成正比。
（2）（a）結(jié)構(gòu)線圈作用在動(dòng)鐵心上的力是最先克服永磁吸力向下運(yùn)動(dòng)的，而（b）、（c）、（d）結(jié)構(gòu)的線圈需要通入很大的電流才能使動(dòng)鐵心開始動(dòng)作。
由此可知，在設(shè)計(jì)永磁機(jī)構(gòu)時(shí)，選擇方向的不同，會(huì)使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)也不同。如果從節(jié)能方面考慮，（a）結(jié)構(gòu)更加合適，原因是和另外三種結(jié)構(gòu)相比（a）中線圈通入的電流很小時(shí)動(dòng)鐵芯就開始動(dòng)作；若從結(jié)構(gòu)小型化來(lái)設(shè)計(jì)，（d）更好，因?yàn)樵诓僮髟O(shè)備體積相同的時(shí)候，（d）結(jié)構(gòu)提供的永磁吸力是最大的。盡管（c）結(jié)構(gòu)耗能大，但是也有它自己的優(yōu)點(diǎn)，比如如果通入的電流很大時(shí)它所產(chǎn)生的永磁吸力也很大，所以（c）結(jié)構(gòu)更適合電壓相對(duì)較高的真空斷路器。
綜合考慮低壓真空斷路器滅弧室的性能要求（動(dòng)作快，精度高），所以在設(shè)計(jì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，（a）更合理、可行。
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