公司動(dòng)態(tài)
西林叉車之——永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)（
作者：西林叉車 時(shí)間：【 2019-12-13】 文章來源：
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在我們玩完了串勵(lì)電機(jī)、他勵(lì)電 機(jī)、交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制后，永磁同 步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)將會(huì)悄然進(jìn)入工業(yè)車 輛應(yīng)用領(lǐng)域，因此我們有必要對(duì)永磁同 步電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)作一些了解。 永磁電機(jī)包括永磁同步電機(jī)、無刷 直流電機(jī)、永磁直線電機(jī)以及其它特種 永磁電機(jī)等在內(nèi)的多種不同類型，它們 普遍具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率因數(shù)和效率 高、運(yùn)行可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用 于航天航空、裝備制造、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等 各個(gè)領(lǐng)域。近些年來，對(duì)永磁電機(jī)的開 發(fā)和應(yīng)用研究成為世界各國(guó)電機(jī)電器 生產(chǎn)商以及各大高校和科研院所的研 究熱點(diǎn)。從本期開始我將從應(yīng)用背景、 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)、永磁同步 電機(jī)的應(yīng)用、永磁同步電機(jī)控制技術(shù) 4 個(gè)方面進(jìn)行介紹。
1．應(yīng)用背景 稀土對(duì)于世界各國(guó)來說都是十分 關(guān)注的重要戰(zhàn)略資源。在我國(guó)稀土資源 的蘊(yùn)藏量非常的豐富，稀土永磁材料的 廣泛應(yīng)用已深入國(guó)民經(jīng)濟(jì)的方方面面， 其產(chǎn)量與用量已成為衡量一個(gè)國(guó)家綜 合國(guó)力與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo) 志。在我國(guó)稀土資源品種全、質(zhì)量高，開 發(fā)稀土材料具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。 各種稀土永磁材料在工業(yè)領(lǐng)域的 應(yīng)用中，有關(guān)永磁電機(jī)的開發(fā)是一大熱 點(diǎn)。永磁電機(jī)是由永磁材料建立勵(lì)磁磁 場(chǎng)，并借以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能相互之間 能量轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置。它的發(fā)展與永磁 材料、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電機(jī) 控制理論的發(fā)展密不可分。自從上世紀(jì) 70 年代第一代稀土永磁合金材料進(jìn)入 實(shí)用化階段以來，隨著對(duì)稀土永磁材料 研究的深入，永磁材料的性能得到了持 續(xù)的改良，各種高磁能積新型永磁材料 不斷陸續(xù)出現(xiàn)。同時(shí)稀土永磁材料的價(jià) 格在逐年降低，這些都有力推動(dòng)了稀土 永磁電機(jī)工業(yè)，使之不斷朝著高功率密 度、集成化和靈活結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方向發(fā) 展。再加上電力電子器件性能的不斷提 高，以及現(xiàn)代控制理論、微機(jī)控制技術(shù) 和電機(jī)制造工藝的迅猛發(fā)展，在永磁同 步電機(jī)理論分析、電機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制 等方面不斷出現(xiàn)具有重要研究?jī)r(jià)值的 新課題。
2．永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 圖 1 是交流永磁電機(jī)的主要分類， 根據(jù)永磁體勵(lì)磁磁場(chǎng)在定子繞組中感 應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)波形的不同，交流永磁電 機(jī)主要分為無刷直流電機(jī)和永磁同步 電機(jī)兩大類。(a) 無刷直流電機(jī) (a) 永磁同步電機(jī) 圖 2 永磁電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)與電流關(guān)系波形 兩種不同類型電機(jī)其一相氣隙磁 場(chǎng)感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)與電流之間的關(guān)系 如圖 2 所示。無刷直流電機(jī)為梯形反電 動(dòng)勢(shì)，定子繞組通入三相對(duì)稱方波電流 以產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩。永磁同步電機(jī)繞組反 電動(dòng)勢(shì)為正弦，可以通過接三相對(duì)稱正 弦電源的方式得到恒定轉(zhuǎn)矩。 無刷直流電機(jī)控制簡(jiǎn)單、成本低 廉，運(yùn)行可靠程度較高。但是電機(jī)在運(yùn) 轉(zhuǎn)過程中由于電樞電流和電樞磁勢(shì)的 不連續(xù)，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩存在一定的脈動(dòng)， 使得轉(zhuǎn)矩的控制性能難以得到提升，電 機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)速度存在一定程度的 波動(dòng)，這就限制了其在高精度、高性能 控制場(chǎng)合下的應(yīng)用。相比而言永磁同步 電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速與電源頻率嚴(yán)格保持 同步，轉(zhuǎn)矩控制的穩(wěn)定度高。與異步電 機(jī)等其他類型的電機(jī)相比永磁同步電 機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、功率因數(shù)高、效 率高、磁通密度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、可靠性 高、無需維護(hù)、寬調(diào)速范圍等許多優(yōu)點(diǎn)， 經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)拓 展到航空航天、醫(yī)療、信息、家電以及工 業(yè)自動(dòng)化等各個(gè)方面，成為電力傳動(dòng)系 統(tǒng)的主要應(yīng)用之一，并有向著工業(yè)車輛 方向發(fā)展的趨勢(shì)。 永磁同步電機(jī)的定子也由三相繞組 及鐵心構(gòu)成，這在結(jié)構(gòu)上與異步電機(jī)大 體相同。為了減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、提高電 機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，定子繞組通常采用分布 式的短距繞組，同時(shí)繞組通常采用星形 連接以降低電機(jī)的雜散損耗。不同的永 磁同步電機(jī)其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)差別很大，根據(jù) 制造工藝的不同可以有多種分類：按磁 場(chǎng)方向，有徑向和軸向磁場(chǎng)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；按 定、轉(zhuǎn)子的內(nèi)外關(guān)系，可分為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 和內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；從安裝方式分有表面貼式、內(nèi)插式以及內(nèi)埋式這幾種基本結(jié)構(gòu)， 其轉(zhuǎn)子的實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。式、內(nèi)插式以及內(nèi)埋式這幾種基本結(jié)構(gòu)， 其轉(zhuǎn)子的實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。
未完待續(xù)
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在我們玩完了串勵(lì)電機(jī)、他勵(lì)電 機(jī)、交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制后，永磁同 步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)將會(huì)悄然進(jìn)入工業(yè)車 輛應(yīng)用領(lǐng)域，因此我們有必要對(duì)永磁同 步電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)作一些了解。 永磁電機(jī)包括永磁同步電機(jī)、無刷 直流電機(jī)、永磁直線電機(jī)以及其它特種 永磁電機(jī)等在內(nèi)的多種不同類型，它們 普遍具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率因數(shù)和效率 高、運(yùn)行可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用 于航天航空、裝備制造、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等 各個(gè)領(lǐng)域。近些年來，對(duì)永磁電機(jī)的開 發(fā)和應(yīng)用研究成為世界各國(guó)電機(jī)電器 生產(chǎn)商以及各大高校和科研院所的研 究熱點(diǎn)。從本期開始我將從應(yīng)用背景、 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)、永磁同步 電機(jī)的應(yīng)用、永磁同步電機(jī)控制技術(shù) 4 個(gè)方面進(jìn)行介紹。
1．應(yīng)用背景 稀土對(duì)于世界各國(guó)來說都是十分 關(guān)注的重要戰(zhàn)略資源。在我國(guó)稀土資源 的蘊(yùn)藏量非常的豐富，稀土永磁材料的 廣泛應(yīng)用已深入國(guó)民經(jīng)濟(jì)的方方面面， 其產(chǎn)量與用量已成為衡量一個(gè)國(guó)家綜 合國(guó)力與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo) 志。在我國(guó)稀土資源品種全、質(zhì)量高，開 發(fā)稀土材料具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。 各種稀土永磁材料在工業(yè)領(lǐng)域的 應(yīng)用中，有關(guān)永磁電機(jī)的開發(fā)是一大熱 點(diǎn)。永磁電機(jī)是由永磁材料建立勵(lì)磁磁 場(chǎng)，并借以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能相互之間 能量轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置。它的發(fā)展與永磁 材料、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電機(jī) 控制理論的發(fā)展密不可分。自從上世紀(jì) 70 年代第一代稀土永磁合金材料進(jìn)入 實(shí)用化階段以來，隨著對(duì)稀土永磁材料 研究的深入，永磁材料的性能得到了持 續(xù)的改良，各種高磁能積新型永磁材料 不斷陸續(xù)出現(xiàn)。同時(shí)稀土永磁材料的價(jià) 格在逐年降低，這些都有力推動(dòng)了稀土 永磁電機(jī)工業(yè)，使之不斷朝著高功率密 度、集成化和靈活結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方向發(fā) 展。再加上電力電子器件性能的不斷提 高，以及現(xiàn)代控制理論、微機(jī)控制技術(shù) 和電機(jī)制造工藝的迅猛發(fā)展，在永磁同 步電機(jī)理論分析、電機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制 等方面不斷出現(xiàn)具有重要研究?jī)r(jià)值的 新課題。
2．永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 圖 1 是交流永磁電機(jī)的主要分類， 根據(jù)永磁體勵(lì)磁磁場(chǎng)在定子繞組中感 應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)波形的不同，交流永磁電 機(jī)主要分為無刷直流電機(jī)和永磁同步 電機(jī)兩大類。(a) 無刷直流電機(jī) (a) 永磁同步電機(jī) 圖 2 永磁電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)與電流關(guān)系波形 兩種不同類型電機(jī)其一相氣隙磁 場(chǎng)感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)與電流之間的關(guān)系 如圖 2 所示。無刷直流電機(jī)為梯形反電 動(dòng)勢(shì)，定子繞組通入三相對(duì)稱方波電流 以產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩。永磁同步電機(jī)繞組反 電動(dòng)勢(shì)為正弦，可以通過接三相對(duì)稱正 弦電源的方式得到恒定轉(zhuǎn)矩。 無刷直流電機(jī)控制簡(jiǎn)單、成本低 廉，運(yùn)行可靠程度較高。但是電機(jī)在運(yùn) 轉(zhuǎn)過程中由于電樞電流和電樞磁勢(shì)的 不連續(xù)，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩存在一定的脈動(dòng)， 使得轉(zhuǎn)矩的控制性能難以得到提升，電 機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)速度存在一定程度的 波動(dòng)，這就限制了其在高精度、高性能 控制場(chǎng)合下的應(yīng)用。相比而言永磁同步 電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速與電源頻率嚴(yán)格保持 同步，轉(zhuǎn)矩控制的穩(wěn)定度高。與異步電 機(jī)等其他類型的電機(jī)相比永磁同步電 機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、功率因數(shù)高、效 率高、磁通密度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、可靠性 高、無需維護(hù)、寬調(diào)速范圍等許多優(yōu)點(diǎn)， 經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)拓 展到航空航天、醫(yī)療、信息、家電以及工 業(yè)自動(dòng)化等各個(gè)方面，成為電力傳動(dòng)系 統(tǒng)的主要應(yīng)用之一，并有向著工業(yè)車輛 方向發(fā)展的趨勢(shì)。 永磁同步電機(jī)的定子也由三相繞組 及鐵心構(gòu)成，這在結(jié)構(gòu)上與異步電機(jī)大 體相同。為了減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、提高電 機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，定子繞組通常采用分布 式的短距繞組，同時(shí)繞組通常采用星形 連接以降低電機(jī)的雜散損耗。不同的永 磁同步電機(jī)其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)差別很大，根據(jù) 制造工藝的不同可以有多種分類：按磁 場(chǎng)方向，有徑向和軸向磁場(chǎng)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；按 定、轉(zhuǎn)子的內(nèi)外關(guān)系，可分為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 和內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；從安裝方式分有表面貼式、內(nèi)插式以及內(nèi)埋式這幾種基本結(jié)構(gòu)， 其轉(zhuǎn)子的實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。式、內(nèi)插式以及內(nèi)埋式這幾種基本結(jié)構(gòu)， 其轉(zhuǎn)子的實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。
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