现代永磁电机技术

2024-07-26

现代永磁电机技术（精选9篇）

现代永磁电机技术第1篇

作为传统电气工程的重要分支,电机技术的研究开展已久,特别是20世纪90年代以来,随着环境问题的不断加剧,世界各国对于清洁能源的开发利用以及各种动力车辆、船舰、飞机等的研发力度也不断增大,给永磁电机的发展提供了良好的契机。本文在分析现代永磁电机主要技术及发展方向的基础上,提出了永磁电机制造过程中存在的主要问题和提升制造质量的基本途径,并探讨了永磁电机技术在电机市场中的应用情况。

1现代永磁电机技术

1.1充磁技术

当前所使用的永磁电机中的半导体器件结构形式需要以充磁技术作为基础支撑,如此现代永磁电机的功能才能更好地发挥出来。随着当前半导体器件的不断发展,其逐渐呈现出功率越来越大的特点,这就在客观上给充磁技术的发展提出了要求,其要与现代永磁电机的发展相适应。

1.2装配技术

由于NdFeB永磁材料本身具有一定的高矫顽力特点,所以现代永磁电机装配过程中应充分保证单块NdFeB材料的稳定性,这就需要提升NdFeB永磁材料装配技术水平。现代永磁电机在开路状态下具有不会失磁的优点,应大力应用NdFeB永磁材料,更好地实现现代永磁电机生产。

1.3解析技术

磁路设计与计算是现代永磁电机解析过程的关键,其主要应用FEM计算方法及模糊优化磁路计算方法。当前,永磁电机解析过程中应首先确定磁路参数,其次应经过精确的漏磁计算来实现对永磁电机的精确解析,进而更为合理地开展现代永磁电机设计工作。

1.4控制技术

控制技术集中表现在模块化和智能化2个方面,随着现代永磁电机控制技术的不断发展,矢量控制技术在永磁电机设计生产过程中得到了较为广泛的应用,在很大程度上促进了现代永磁电机种类的增加,不仅扩大了永磁电机市场,还有效扩展了永磁电机技术应用领域。

2现代永磁电机技术应用的发展方向

2.1大功率化

现代永磁电机技术的大功率化发展主要是由于高矫顽力NdFeB永磁材料的设计研发和广泛应用使得永磁电机的退磁性有效降低,在结合高速开关的基础上,实现了变速驱动电源的大容量化,从而使现代永磁电机的功率达到了数百千瓦,转速达到了30000r/min。

2.2大转矩化

船用推进器永磁无刷直流电机的成功研制及其在国外的推广应用,使得其额定转矩发生了巨大的变化,永磁无刷直流电机的磁极采用了衫钻永磁材料,容量直接达到了1095kW,转速为230r/min,与普通的直流电机相比,其体积缩小了60%左右。

2.3耐高温化

随着科研水平的不断进步以及各种新型材料的研发和使用,电机绕组中采用了现代陶瓷以及玻璃纤维等材料进行内部绝缘处理,并采用了陶瓷轴承和固体润滑脂,使得该种电机能在200~300℃的高温条件下较为稳定地运行。

2.4一体化

当前,家用电器以及各种自动化办公技术的应用和普及,使得永磁无刷直流电机和电源实现了在同一机壳内的组装,最终形成了永磁电机真正意义上的一体化。在国际范围内,德国、日本、法国都已经成功应用了该产品,其最大容量为100kW,但重量却不到30kg,该产品的轻量化程度可见一斑。

2.5智能化

现代永磁电机的智能化发展主要是指其能通过控制中心设计以及相关网络实现对永磁电机运行状态的良好控制,与此同时对电机运行过程中的故障问题进行报警,在较大程度上提升了现代永磁电机运行的安全性和稳定性。

3永磁电机制造过程中面临的主要问题

3.1定子加工工艺复杂

从对横向磁通永磁电机制造过程的分析来看,定子加工工艺较为复杂,这就直接造成在工人加工过程中加工质量不能得到有效保障。虽然在定子加工时已对加工工具进行了改进,但效果并不明显,与此同时特殊加工工具在定子加工过程中的应用也相应增加了一定的制造成本,使得定子加工的经济效益大大降低。该问题在严重制约定子品质的同时,也使得永磁电机在安全性方面产生了巨大隐患。

3.2工序质量不稳定

永磁体作为永磁电机制造过程中的关键,其需要与转子精密配合,所以对永磁体的尺寸要求较为严格,假如尺寸超过了一定范围限制,那么很可能会造成较大的问题,例如导致转子及永磁体损坏,从而给永磁电机的质量带来较为严重的影响。

3.3定子损坏严重

通过对存在问题的半成品进行检查分析可知,大约有60%的产品不合格源于定子损坏,另外还有20%属于不可修复的质量问题,该种情况在造成一定损失的同时间接增加了加工成本,因此如何减少定子损坏数目、提升定子加工质量,已经成为当前永磁电机制造过程中亟需解决的重要问题。

4提升永磁电机制造质量的基本途径

从永磁电机的产品质量特征分析来看,其主要由组成零件的质量和装配质量决定,所以提升永磁电机制造质量的主要途径有以下两种:

(1)提升加工设备精度。提升加工设备精度的主要目的是减少制造过程中存在的误差,因此应采用现代化的高精度加工机床,其一般情况下都配备了可靠性较高的传感器检测机构和模糊控制、神经网络控制系统,从而能有效地对加工状态实施检测,并优化处理过程参数,进而对加工过程中存在的误差进行补偿和修正。

(2)加强制造过程质量控制。对于制造过程的质量控制可以采用统计质量控制和建模质量控制的方法,实现对大批量产品的在线及离线测量。统计质量控制简单来说就是运用数理统计的基本方法,对永磁电机零件生产的特性数据进行分析,并判断其生产稳定状态,从而区别和划分误差的性质,另外还需对界限制定、抽样方案等进行控制。建模质量控制主要是建立起永磁电机加工的过程模型,其又可分为基础模型和应用模型,在模型建立的过程中通过方程描述以及随机公式描述来确定过程的不确定性和输出参数的偏离值,从而抽象代替该过程的输入和输出关系。

5永磁电机技术在电机市场中的应用

(1)在家电市场中的应用。永磁电机技术在家电市场中的应用最早体现在VCD、DVD、计算机中,当前已经形成了产业化的发展,并逐步扩展至多相变速驱动中,比如家用变频空调,其在采用了永磁电机后,运行效率有了较大幅度的提升,电机体积也明显减小,噪声也大幅度降低。

(2)在电梯市场中的应用。永磁电机变速系统在电梯驱动系统中的运用已有近10年的时间,例如采用低速稀土永磁电机作为驱动电梯的曳引机,可使该种电梯节约10% 左右的电能。永磁电机被广泛应用于负载变化较大、速度调节要求较高的变速驱动系统中。

摘要：在分析现代永磁电机主要技术及发展方向的基础上,提出了永磁电机制造过程中存在的主要问题和提升制造质量的基本途径,并探讨了永磁电机技术在电机市场中的应用情况。

现代永磁电机技术第2篇

作者：张蓓文编译

现行的风力发电机多为螺旋桨式结构，由于结构上的原因，一般都是定向安放，需要4级以上的风力才可以运行发电。对于2级以下的微风状态，基本上很难正常工作，这使得风能的利用和技术推广受到一定限制。随着永磁风力发电机的产生，使发电机的结构得到简化，效能提高，各种损耗也有明显的降低。它具有在额定的低转速下输出功率较大、效率高、温升低、起动阻力矩小、建压转速低等优点。在此基础上，研究人员又引入了磁力传动技术和磁悬浮技术，研制成了更为先进、高效的永磁悬浮风力发电机。

现代永磁电机技术第3篇

关键词：永磁同步电机直接转矩控制DSP

中图分类号：TM3文献标识码：A文章编号：1007-3973(2010)012-091-02

1引言

由于永磁同步电机所具有：简单的结构、高能量的密度、高转矩惯量比、维修性好等优点。使其成为工业领域研究热点。而且近年来，直接转矩控制技术也受到了世界各国的学者和专家的重视，它可以避免相对比较复杂的解耦、坐标变换的计算。该控制结构简洁，易于数字化的实现。近年来，国内外学者开始将直接转矩控制技术开始用于永磁同步电机上。但是应用起来存在着一些问题，所以基于DSP永磁磁同步电机的直接转矩控制研究有十分重要的现实意义。

2永磁同步电机直接转矩控制理论

永磁同步电机直接转矩控制理论的指导思想是：保持定子磁链幅值饱和，便于利用电动机铁心：永磁同步电机转子的磁链幅值为恒定值，我们通常是改变定子和转子磁链的夹角大小，来改变电动机转矩的大小。

永磁同步电机直接转矩控制理论基础是：在保持定子的磁链幅值不变条件下，通过控制定子和转子磁链之间夹角达到控制电机转矩的目的。快速改变转矩角获得快速的转矩响应。

3基于DSP对永磁同步电机直接转矩控制系统硬件系统设计

本文设计的永磁同步电机直接转矩控制的硬件平台主要包括：(1)永磁同步电机；(2)上位机：(3)以TMS320F2812DSP为核心的控制系统及电压源逆变驱动器三个部分。其中上位机是模拟现代络筒机的主要的控制中心，它是由CAN总线向DSP控制系统进行发送指令，在此，DSP控制系统主要负责内容是实现本课题所提出的控制算法。使用的永磁同步电机是带有2000线的光电增量式编码盘，它可以用来反馈得到电机实际的转速值，更加便于进行结果的观察和对比。

3.1DSP2812控制系统介绍

永磁同步电机直接转矩控制系统的核心部分，本文采用美国TI公司的TMS320F2812芯片，它的外设资源非常丰富，系统的研发周期就可以得到缩短。同时系统的开发成本得到降低，因此，它的可靠性非常稳定。另一方面，TMS320C2000系列DSP芯片成本价格比较低，在控制领域不但得到广泛的应用，而且有着极高的功能。TMS320F2812的性能是TMS320C2000系列中用于数字控制领域在质量和性能方面都俱佳的DSP芯片。TMS320F2812芯片内部应用32位的定点DSP内核，可以达到150MIPS的速度，单个指令周期内，如此快的速度能够完成32位的乘法累加等复杂的运算，多种先进的外设在器件上得到了有效的集成，为实现电机的有效地的运动控制提供了硬件平台。

3.2主电路设计

控制系统的主电路部分是由整流电路、逆变电路以及滤波电路等组成的，根据电机的参数设置，输入功率部分选用的是基于三相桥式整流电路；由于整流输出经过中间环节的大电容滤波，来获得平滑的直流电压以便输出到逆变部分的开关器件。

3.3检测电路设计

为了直接转矩控制和相应保护功能的实现，检测电路设计主要包括：定子相电流检测和转速检测。

(1)定子相电流的检测电路。在控制系统中，控制器要准确及时测出绕组中实际电流的大小，以便于实现电流保护电路以及电流控制的设计。电流采样实现控制性能标准是：实时性、准确性、可靠性。在进行电流测量时，我们尽量使用方法简单、价格性能较好的电阻器测量。在此，我们使用电磁隔离霍尔元件来对电流进行检测。

(2)转速的检测。

对于转速的测量有多种方法，其中光电编码器是其中性能与精确性方面较好的一种方法，DSP芯片中QEP电路是专门接受光电编码器的输出信号。本论文使用的永磁同步电机带有2000线的光电增量式编码盘，该编码器有A、B、c三相电路输出，并且，A与B相之间的相位差是90度，主要作用是测速；其中z脉冲是转一圈输出的一个脉冲，它是主要作用是伺服控制系统的定位。

3.4时钟与复位电路

DSP数字信号处理器的工作以时钟为基准，要确保系统的可靠性、稳定性，就必须选用高性能的时钟。否则，就不能保证系统的稳定性以及可靠性。为了提高系统的稳定性、可靠性、抗干扰能力，本文选用有源晶振为数字信号处理器提供时钟信号。

对于DSP系统来说，上电复位电路的质量好坏直接影响着系统的可靠性与稳定性。另外，系统运行过程中，干扰等一些因素可能导致系统崩溃。对于这个缺点，本文选用了看门狗与复位电路，使系统在发生故障时，可以重新复位及时恢复正常工作。

4基于DSP对永磁同步电机直接转矩控制系统软件系统设计

本文设计的永磁同步电机直接转矩控制系统的软件部分的主程序，主要实现以下一些功能是：完成对全局变量与CPU和DSP外设的初始化，随后等待定时的中断，主程序是一个无限循环的过程。整个软件系统的核心部分是中断服务程序。中断服务程序的主要功能是：对转速进行辨识、对磁场的定向进行算法控制、对电机的电流与电压进行采样并进行模数的转换，进行电流环与速度环的算法控制以及CAN总线通信的显示等等。本文的软件设计采用以c语言为主的开发环境。

5系统控制效果测试

在系统构建结束之后，本文进行了实验测试。电机的参数如下：定子相绕组电阻Rs为1.2欧姆，定子d轴电感L_q是7.1e-3H，q轴电感L_q为5.5e-3H，转动惯量J是2.1e-3kg.m²，极对数pn为4，转子磁通uf大小为0.936Wb，粘滞摩擦系数Bm为零。另外，速度外环PI调节器的仿真参数Kp、Ki经过调解后选择的数值为18及0.4。从相关实验结果来看，本文构建的电机直接转矩控制系统真实有效，控制效果良好。

6结语

永磁同步电机控制技术研究第4篇

在现代交流调速系统领域中, 速度传感器由于存在降低系统可靠性, 增加系统成本等问题, 已经大大制约了交流传动系统的发展, 所以采用无速度传感器的调速方案是当今国内外研究的趋势。

永磁同步电机无速度传感器的研究方法主要有基于磁链位置的估算法、基于反电动势法、滑膜观测器法、扩展卡尔曼滤波法、高频注入法、人工智能估算法、模型参考自适应法 (MRAS) 。因为模型参考自适应法具有控制相对简单而且精度高的优点, 所以本文将模型参考自适应法应用到永磁同步电机调速系统当中。将永磁同步电机本身作为参考模型, 将含有转子转速的模型作为可调模型, 采用并联型结构进行速度辨识, 两个模型的输出量物理意义相同。利用可调和参考模型输出量所构成的误差, 计算出合适的比例积分自适应率, 并以此来调整可调模型的参数, 满足Popov超稳定性定理, 使系统逐渐稳定, 最终使可调模型的状态能稳定、快速地逼近参考模型, 即让误差值趋近于零, 进而使转速估计值逐渐逼近实际值, 实现转速的识别。

1 永磁同步电机数学模型

建立dq坐标系下的数学模型, 可以得到定子电压、电流均为直流的永磁同步电动机的电压方程式, 利于分析永磁同步电动机控制系统的瞬态性能和稳态性能。d轴作为基波磁场方向, q轴的位置则是在d轴方向上顺时针超前90°。

1.1 电压方程

1.2 磁链方程

1.3 转矩方程

其中, R为定子电阻;ud、uq为电机的定子电压在d、q轴上的分量;id、iq为定子电流在d、q轴上的分量;ψd、ψq为定子磁链在d、q轴上的分量;Ld、Lq分别为直轴和交轴同步电感;ωr为转子旋转角速度;ψf为转子永磁体磁链;Pn为电机极对数;p为微分算子。

2 SVM-DTC

永磁同步电机直接转矩控制的基本思想是在电机运行时, 转子磁链的数值基本恒定, 保持定子磁链幅值稳定在额定值上, 通过改变转子和定子磁链夹角的大小来改变电机转矩的大小, 进而进行达到调速的目的。

永磁同步电机调速系统中, 传统的直接转矩控制系统使用的是滞环控制器和开关表, 在一个周期内选择和发出单一的空间电压矢量来同时控制定子磁链和转矩的误差方向, 这样很难完全补偿当前定子磁链和转矩的误差, 会使定子磁链和转矩的脉动过大。同时, 在系统运行过程中, 如果两个置换控制器的输出信号和定子磁链位置信号在多个采样周期内保持不变, 则逆变器的开关状态会在多个采样周期内保持同一个值, 使得系统的开关频率不恒定。空间电压矢量调制 (SVM) 系统采用SVM单元来取代传统DTC系统的开关表, 并用PI调节器来代替传统DTC系统的滞环环节。在每个控制周期内该系统都能计算出磁链和转矩的误差, 然后选择相邻的非零矢量和零矢量, 计算出各矢量的作用时间, 最后利用线性组合的方式合成任意方向的空间电压矢量, 这样就大大增加了对电压矢量的选择机会, 更精确的补偿了磁链和转矩的误差, 降低了电机磁链和转矩的脉动, 输出的PWM波形会保证逆变器开关频率恒定, 图1 为SVM-DTC系统结构图。

3 模型参考自适应系统

根据永磁同步电机在d、q轴上的数学模型来建立MRAS系统的可调模型和参考模型。本文选择电机的电流模型, 根据公式 (1) 可得:

本文的永磁同步电机采用的是隐极式, 即直轴电感和交轴电感相等, 所以Ld=Lq=L。将式 (4) 、 (5) 合并可得:

由式 (7) 可得出可调模型的公式:

定义e为系统的状态广义误差。

用式 (7) 减式 (8) 可得到误差方程为

要根据波波夫超稳定性定理构建一个非线性反馈系统, 需要将式 (10) 化为:

非线性反馈系统由线性定常前向回路和非线性反馈回路组成, 误差系统要达到渐进稳定的条件是线性定常前向回路严格正实, 而且反馈回路要满足波波夫积分不等式:

式 (11) 的传递矩阵为严格正式矩阵, 即满足第一个条件;将式 (11) 代入 (12) 中可证实满足波波夫不等式, 同时得出自适应率为:

当广义状态误差e趋于0时, 转速估计值将与真值基本相等, 则系统渐进稳定。

4 仿真与试验结果

用Matlab-Simulink软件构建总体系统的仿真图, 如图2 所示。

本系统仿真采用的参数设置为:定子电阻为0.81Ω;绕组电感为2.59m H;极对数为4;给定定子磁链为0.1827Wb。

接下来设置参数为给定转矩2N•m, 给定初始速度为800r/min, 在0.06s时将转速提高到1000r/min, 在0.13s时将转速变为-200r/min, 通过图3- 图5 观察估算速度的跟踪情况。

图3 为定子磁链圆轨迹图, 定子磁链轨迹近似为圆且扰动很小, 运行良好;图4 为电机转矩图, 当速度在0.06s和0.13s突变时, 转矩的波动比较大, 但是在很短的时间里就能够平稳达到稳态, 说明系统对外界的干扰有较好的鲁棒性;图5 为电机转速图, 估计转速在速度突变时有很小的波动, 在很短的时间内又会平滑的跟踪到参考转速, 达到新的稳态, 表明系统的动态响应较快, 调速性能良好。

5 结语

本文采用SVM-DTC对永磁同步电动机进行调速, 对传统的直接转矩控制进行了改进, 同时采用了基于模型参考自适应法对电机转速进行辨识, 并通过理论分析和仿真验证得出, 该系统鲁棒性强, 动态响应较快, 具有良好的调速性能。该方案结构比较简洁, 可行性较强, 可为永磁同步电机的无速度调速控制提供参考。

参考文献

[1]李永东, 朱昊.永磁同步电机无速度传感器控制综述[J].电气传动, 2009, 39 (9) :3-10.

[2]Zhiqian Chen, Mutuwo Tomita, Shinji Doki.An extended electromotive force model for sensorless control of interior permanent-magnet synchronous motors[J].IEEE Transactions On Industrial Electronics, 2003, 50 (2) :288-295.

[3]French C, Acarnley P.Direct Torque Control of Permanent Magnet Drives[J].IEEETrans.on IA, 1996, 32 (5) :1080-1088.

[4]韩如成, 潘峰, 智泽英.直接转矩控制理论及应用[M].北京:电子工业出版社, 2012.9.

[5]田淳, 胡育文.永磁同步电动机直接转矩控制系统理论及控制方案的研究[J].电工技术学报, 2002, 17 (1) :7-11,

永磁直驱风力发电机技术综述第5篇

永磁直驱风力发电机是传统的直驱式风力发电机与永磁发电机的融合,是一种采用永磁体作为励磁系统,并由风轮直接驱动发电机的风力发电机组,取消了传统风力发电机中的齿轮箱、励磁绕组以及集电环电刷结构,结构简单,传动损耗小,有效地避免了由于齿轮箱磨损以及滑动电接触而带来的机组故障,可靠性高,使用寿命长,维护成本低,是风力发电机的主要发展方向,也是国内外风能利用技术的热点研究领域。

目前,国内外永磁直驱风力发电机相关专利申请量增长迅速,具体参见图1。

1 永磁直驱风力发电机常用结构

由于风速的原因,永磁直驱风力发电机的转速较低,为达到一定的发电频率,需要设置更多的电机极数,因此发电机的体积通常较大,需要采用特定的电机结构以降低体积,永磁直驱风力发电机常采用以下结构。

1)径向气隙结构

径向气隙结构的永磁直驱风力发电机通常包括内转子结构、外转子结构以及多定子/多转子结构,均为径向磁通。

其中,内转子结构的永磁直驱风力发电机与常规的多极发电机结构相同,定子上设置电枢绕组,转子上设置由永磁体构成的磁极,转子在定子的内部旋转。将内转子结构的定子和转子的位置互换,就是外转子结构,外转子结构的发电机定子固定在轴线上,由永磁体构成的转子励磁磁极在定子外围旋转;多定子/多转子结构的发电机是将多组常规的径向气隙发电机在径向上进行组合,多个定子和转子在径向上交替排列,能够有效提高发电机的功率密度[1]。

2)轴向气隙结构

轴向气隙结构的永磁直驱风力发电机通常采用盘式结构,轴向磁通。发电机的定子与转子均为圆盘形,相叠而成,定子与转子在轴向上交替排列,定、转子均可设置一个或多个,可构成中间定子盘式、中间转子盘式以及多定子/多转子盘式永磁直驱风力发电机。

2 永磁直驱风力发电机关键技术

根据永磁直驱风力发电机的设计要求,主要包括以下关键技术。

1)减小起动转矩

由发电机齿槽效应带来的起动转矩,限制了风力发电机的稳定运行范围,导致风能利用率的降低,因此,在设计永磁直驱风力发电机时,降低起动转矩是一个重要设计要求,通常采用转子斜极、定子斜槽以及分数槽来减小起动转矩[2]。

2)冷的冷却系统对发电机散热,目前常见的冷却方式有空冷、氢内冷、氢外冷和直接液冷等[3]。

3)永磁体却和散热设计

由于发电机电枢绕组在发电运行时产生较大的热量,同时磁材料中磁滞和涡流损耗也带来较高的温升,然而过高的温度将造成永磁体性能的降低,甚至不可逆退磁。因此,有必要设计高效的安装与固定

目前,普遍采用先充磁后装配的方法来安装永磁体,由于永磁体吸力很大,需采用专门的磁钢安装工具,以保证人身和设备安全。为减小吸力对装备过程的影响,也可以采用先安装后磁化的方法来安装永磁体。

此外,由于永磁体是固定在发电机的转子上,在转子旋转时,会产生较大的离心力,特别是内转子结构的发电机,永磁体固定在转子外侧或外表面,离心力会使永磁体的固定存在困难。目前,对于表面固定的永磁体,一般采用在永磁体外面加护套的方式来固定;此外也通常将永磁体紧固在转子上的燕尾槽内,采用槽楔进行固定。

4)发电机的防雷设计

永磁直驱风力发电机组通常安装在空旷的地区或是雷暴比较频繁的沿海地区,容易遭受雷击,因此设计防止风力发电机组在雷击过程中受损坏的防雷系统显的尤为重要。风力发电机的防雷系统通常包括雷击接闪器、引线和接地系统。

3 结束语

永磁直驱发电机的结构已经较为成熟,目前的研究主要在于提高功率密度和运行可靠性,降低制造成本,此外,提高永磁体的磁性能,克服永磁材料的高温不可逆退磁问题也是主要的研究方向。

参考文献

[1]赵炳胜,蔡晓峰,刘衍选.直驱式风力发电机[P].中国专利:CN101841209B,2009-09-29.

[2]薛玉石,韩力,李辉.直驱永磁同步风力发电机组研究现状与发展前景[J].电机与控制应用,2008,35(4):1-5+21.

永磁直线电机发电系统控制技术综述第6篇

直线电机是一种利用动子的直线运动直接产生电能或者利用电能直接产生直线运动的电器装置[1], 改变了以往利用链条、钢丝绳、传送带、齿条丝杠和涡轮螺杆等中间转换装置, 克服了传统机构传动链条长、效率低、体积大、精度差的缺陷。采用高能量的钕铁硼制造出来的永磁发电机, 体积小、重量轻、功率大、输出效率高。同时单相永磁同步发电机定子铁心上只需一套绕组, 这样的结构特别简单[2,3]。

永磁直线发电机具有结构简单、制造容易、动子振动频率高, 行程适中, 无需链条、钢丝绳、传送带、齿条丝杠和涡轮螺杆等中间转换装置, 可直接将直线机械振动转化为电能等特点, 将是未来几十年在发动机尾气能量回馈发电和海洋浪涌发电等方面主要的研究方向, 具有很强的应用前景[4,5]。

本文结合国内外永磁直线发电机的相关文献, 介绍了国内外直线电机发展情况, 分析了我国永磁直线发电机研究概况, 在此基础上综述了永磁直线发电机控制策略, 为进一步研究直线电机发电系统控制技术提供支持。

1 永磁直线发电系统发展现状

直线电机发展的起点并不比旋转电机晚很多, 在世界上出现旋转电机后不久, 就出现了直线电机的雏形, 但是直线电机的发展过程是曲折的, 并且经历了漫长的历史。1840年英国人惠斯顿发明了世界上第一台直线电机, 但这种直线电机由于气隙过大而导致效率很低, 未获成功。在1845年英国人查尔斯威斯顿 (Charles Whetstone) 提出并制作了略具雏形的直线电动机, 为以后的研究开发奠定了基础[6]。

从那时至今, 己经有了170年的历史。近年来直线电机发展迅速, 一些发达国家在研究开发直线电机产品方面取得了显著的成果, 德国西门子公司, 美国西屋公司, 还有英国日本的一些公司和研究机构就是其中代表。这些公司和研究机构投入研究直线电机的人员之多, 研究范围之广, 成果之多、生产的直线电机质量品质之高都是世界首屈的。

目前国内外在永磁直线发电系统的应用上主要是集中在汽车的馈能发电和海洋的浪涌能量吸收上, 并且取得一定的成果。

美国80年代使用直线永磁发电机作为M763引擎的电源电机, 该直线永磁发电机不需要气流驱动, 便于密封, 结构简单, 耐冲击性能好;便于制造, 价格比较便宜[7]。瑞典公司为美国NASA共同开发了宇航用的自由活塞式Stirling发动机发电系统。该系统应用斯特林热机与直线发电机的次级组成动力活塞组件, 通过直线电机发电, 引起了各方的广泛关注[8]。美国Cummins公司于1992开发了5～10 kW自由活塞式的碟式Stirling热发电系统, 把自由活塞式斯特林发动机一直线发电机组应用于碟式太阳热发电系统[9]。美国俄勒冈州于2004年应用55kW商业Stirling发动机和直线电机系统建立了一座利用废水处理中产生的沼气发电的示范工程。该工程证实了利用废水站沼气和其它热电共生项目热源的发电设备可进行成功的商业应用, 并提供了一种在有丰富生物能源的地区可广泛应用的可再生能源利用技术[10,11,12]。

总的来说, 永磁直线发电机现在正处于高速研发阶段, 世界多家大型企业都投人了巨大的人力物力对永磁直线发电机进行研究, 国外主要研究动磁式、动铁式和动磁铁式。研究内容非常广泛, 除电机本体以外, 还包括电机动态分析、无传感器控制算法、PWM波供电方式、矩形波供电与正弦波供电的区别等。无论从电机结构设计和控制上, 国外对永磁直线电机的研究和试验均处于领先地位。已经研制出用于斯特林制冷机上的永磁直线电机及冰箱、空调、水泵和油泵用的永磁直线电机, 海洋浪涌能量吸收用永磁直线电机, 军事导弹用永磁直线电机。

我国直线电机研究起步较晚, 虽然也取得了一些成绩, 但与国外相比, 其推广应用方面尚存很大差距。国内生产直线电机及其系统产品的厂家很少, 其中最大的是哈尔滨泰富科技实业有限责任公司, 该公司从设计、生产制造到检测试验均已初具规模, 已具备了生产多品种规格的直线电机及其系统产品的能力, 在国内己有较大影响。

2 永磁直线发电机系统控制策略

在直线电机系统的开发最初阶段, 主要是根据直线电机的稳态数学模型, 分析设计开环的控制方式对电机进行控制, 比如采用开环恒压频比的控制方式对电机进行控制。这些控制方式的优点是控制器结构简单、成本低, 缺点是调速控制性能不高, 难以满足高性能伺服系统的要求, 容易造成控制曲线随着负载的变化而变化, 系统鲁棒性和稳定性较差。

为了实现直线电机的高动态性能控制, 必须依据直线电机的动态数学模型, 设计闭环的控制策略对直线电机进行控制。直线电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量复杂系统[13], 国内外学者从不同角度着手进行了大量的研究和实践, 取得了较为丰硕的成果。

目前广泛采用的闭环控制理论按照是否引入交流电流反馈可以分为两大种:没有引入交流电流反馈的控制方式可以称为间接电流控制, 引入交流电流反馈的可以称为是直接电流控制。

2.1 间接电流控制

间接电流控制指通过对整流桥开关器件进行PWM控制, 使得在整流桥的交流侧生成幅值相位可控的正弦基波交流电压信号, 整流桥在交流侧正弦电压信号和电机反电动势信号的共同作用之下产生可控的基波正弦电流信号, 同时完成稳定整流桥直流侧电压的功能。由于间接电流控制是通过对整流桥交流侧电压的调节来完成对交流侧电流的控制, 因此间接电流控制的控制电路中不需要交流电流传感器, 是一种简单的闭环电流控制方案。间接电流控制的系统结构框图如图1所示。

间接电流控制中的主要控制策略有幅相控制方式[14,15,16], 相比于直接电流控制方式, 接电流控制的主要问题在于电流动态响应不够快, 甚至交流侧电流中含有直流分量, 且对系统参数波动较敏感, 因而常用于对动态响应要求不高且控制结构要求简单时的应用场合。

2.2 直接电流控制

直接电流控制指通过运算求出交流输入电流指令值, 再引入交流电流反馈, 通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流。直接电流控制与间接电流控制方式的主要区别是:直接电流控制具有网侧的电流闭环控制, 而间接电流控制无网侧的电流闭环控制。从而直接电流控制对系统参数不敏感, 增强了电力控制系统的系统鲁棒性。直接电流控制方式的系统流程图如图2所示。

直接电流控制主要控制方式有固定开关频率控制[17]和滞环电流控制[8]。直接电流控制加入了电流内环, 当网侧电压uN变化将导致电流iN变化率的变化, 使PWM开关点改变, 因此相对于配。而言, 电流的瞬时值内环实际上起到了前馈的作用, 从而提高了系统的动态响应速度;由于电流内环使得系统在每一个载波周期都对电流进行比较, 因此故障下过电流保护迅速, 可靠性高;加入了电流内环之后, 双环系统属于一个一阶系统, 属于无条件稳定系统, 系统控制参数比较好设计。

2.3 单位功率因数控制

通过单位功率因数控制的方法对永磁直线发电机系统进行控制。单位功率因数控制的最初目的是控制一系列开关信号使输出的直流电压达到预定的电压值并保证实现接近单位功率因数的系统控制性能。为了获取最大功率性能, 发电机电流被控制到总与发电机反电势同相, 以达到有功功率最大, 无功功率为零的目的。

Z.Q.Zhu在他的自由活塞驱动的永磁直线发电机系统中使用了单位功率因数控制的方法对系统进行控制, 以使发电系统的性能要求达到预期设定的性能指标。其单位功率因数控制的系统控制器结构如图3所示[18]。

PWM控制信号由有功功率误差信号和无功功率误差信号以及反电势电角度信号组成。通过查开关表来控制开关信号输出, 以达到将有功功率误差和无功功率误差在指定的滞后带中, 如果超出这个滞后带的话, 则逆变器就根据开关表被触发到一个新的开关状态下, 同时, 直流电压被PI控制器保持在给定值上。

2.4 最适负载控制

由于永磁直线发电系统的效率跟负载的大小直接相关, 负载的变化将直接影响永磁直线发电系统的性能。为了维持发电系统的性能, 可以依据负载情况对发电系统PWM信号发生器进行控制, 以使发电系统达到最佳效率的状态。Haojie Luan、Omer C.Onar和Alireza Khaligh为了将海洋中海浪的能量转换成可利用的电能[19], 设计了如下的永磁直线电机控制系统, 系统框图如图4所示。

同时, Haojie Luan并对发电系统的性能进行了理论推导, 求得了系统效率的表达式,

式中, Z为浮标位移;X为导线回路位移;a为电压的振幅;N为导线匝数;ρ为水的密度;D为PWM信号的占空比。

由此可知, 当发电系统承受不同负载时, 为使得发电系统的效率达到最大, 需要对PWM控制器进行不同的调节, 改变PWM信号的占空比D, 使其达到最适合当前负载的工作状态, 以达到系统效率最大的目的。

2.5 瞬时电流控制

由于对永磁直线发电机系统进行单位功率因数控制时, 控制性能与电机的三相平衡性有较大的关系。因而, T.Murai, Y.Sakamoto和H.Hasegawa在单位功率因数控制的基础上进行了改进, 创建了瞬时电流控制的控制策略, 通过对每一相瞬态无功电流进行控制, 来补偿电机线圈的阻抗压降, 从而完成对其他两相在三相平衡状态的差额补偿[20]。

图5是永磁直线发电机系统的单相等效电路。永磁直线发电机的线圈电抗压降为

这样, 转换器就可以达到补偿瞬时无功功率的目的。传统的单位功率因数控制是通过计算其它两相电流值的差值来获取无功电流的, 本方案为了避免线圈电抗不平衡对控制性能的影响, 通过对一相电流的z变换分析来获得瞬时相电流中的无功分量, 从而达到无功补偿的目的, 同时遏制了三相不平衡对控制性能的影响。

2.6 瞬间幅值相位控制

J.K.H.Shek、D.E.Macpherson和M.A.Mueller在他们应用的海浪能量的永磁直线发电机控制系统中应用了瞬间幅值相位控制, 以达到获得最大负载功率的目的[21]。

J.K.H.Shek、D.E.Macpherson和M.A.Mueller所设计的发电系统的电气模型如图6所示。

对于这种特殊的电机模型, J.K.H.Shek设计了幅值相位控制的控制策略, 对永磁直线发电系统的电流幅值和相位进行控制, 从而完成对Bg和Kg的控制。当满足Zg与Zw的共轭复数相等, 即Bg=Bw, Kg=ω2M-K时, 系统发生串联谐振, 此时系统电抗为零, 整个系统获得最大功率。

2.7 直接功率控制

当永磁直线发电机负载侧接电网时, 发电系统输出电压的频率和相位就已经完全固定了, 此时, 为使得系统的输出功率满足要求, 可以使用直接功率控制, 控制原动机的功率输入, 达到控制系统性能的目的。

Boldea在其设计的永磁直线发电机系统中使用了直接功率控制的方式, 系统结构图如图7所示。

Boldea在其设计的永磁直线发电机系统中, 以永磁直线发电系统的输出功率为控制量, 通过计算获得永磁直线发电系统的输出功率的指令信号, 通过换算将永磁直线发电系统输出功率的指令信号转换成原动机给料的多少, 从而达到了控制原动机输入功率的目的, 最终达到控制永磁直线发电系统的输出功率满足设定的要求, 控制电机性能使发电系统效率最优的目的。

3 结语

采用永磁直线电机利用振动进行发电, 可以省去中间转换装置, 简化了整个系统, , 保证了运行的可靠性、传递效率提高、制造成本较低, 易于维护。直线发电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量复杂系统, 提高系统的鲁棒性和稳定性就要求采用先进的控制方法和控制策略。本文结合国内外永磁直线发电机的相关文献, 对永磁直线发电机系统的控制策略进行了系统综述, 从发电系统负载电流反馈闭环人手, 分析了直接电流控制和间接电流控制的控制方法, 并总结了各种控制策略的优缺点, 为进一步研究永磁直线电机发电系统控制技术提供支持。

摘要：永磁直线发电机具有结构简单、制造容易、动子振动频率高, 行程适中, 可直接将直线机械振动转化为电能, 愈来愈受到学者重视。本文介绍了永磁直线发电系统国内外的发展现状, 针对国内外线性永磁直线发电系统的控制方式和控制策略进行了分析。

现代永磁电机技术第7篇

风力发电是一种目前开发火热的可再生能源,但是目前风机转换效率很低,风电建设成本很高,所以最大限度的提高风力发电机的最大功率输出是目前在研究的热门话题。风力发电机有两种机型,一种是双馈异步风力发电机(DFIG),一种是永磁同步风力发电机(PMSWG)。双馈异步风力发电机应用相当广泛,技术也非常成熟。永磁同步风力发电机较多的用于小型风力发电系统,随着其优越性能的体现,永磁同步发电机在风电领域应用越来越广泛,功率等级也越来越大。目前,对于永磁同步风力发电机的电路拓扑结构各不相同,最大功率跟踪技术也多种多样。

现在运用较多的永磁同步风力发电机最大功率跟踪控制算法需要测量的变量较多,其中转速是必不可少的一个测量变量,但有时因为震动或者其他原因,转速测量并不是那么精确,或者一些小型的永磁同步风力发电机其转速测量实现起来并不像大型风力发电机那么容易。所以通过转速变量来实现永磁同步风力发电机的最大功率跟踪技术存在一定的不可靠性。所以,研究新的最大功率控制方法也显得很有必要。

本文将会以Buck-Boost Chopper电路为基础,对永磁同步风力发电机全功率变流器直流侧电压进行控制,采用爬山搜索法实现永磁同步风力发电机最大功率输出。

1 风力发电机运行原理

风力机的功率与风速的三次方成正比[1],即:

其中:ρ为空气密度,单位为kg/m3;S为风机叶片扫过的面积,单位为m2;v为风速,单位为m/s;CP为风力机输出功率的功率系数,小于0.59,一般在0.3~0.5之间。

叶尖速比:

其中:ω为风机角速度,单位为rad/s;n为风机转速,单位为r/min;R为风机叶轮半径,单位为m;功率系数CP与叶尖速比λ为非线性关系,如图1所示。

根据公式(1)、(2),可知在某一风速下,只要寻找到最大的功率系数CP,也就是最佳叶尖速比λ,就可以追踪到风机最大功率,经过长期的积累,形成了以下几种常用的最大功率控制方法:

(1)叶尖速比法:系统根据实时测量的风速v和风机转速ω计算出叶尖速比λ并构成叶尖速比闭环控制系统,如能一直保证λ=λopt也就保证了系统工作在最大功率点[2]。

(2)功率曲线跟踪法:实时测量不同风速下风机转速ω和风机输出功率P,跟随设定好的功率曲线进行最大功率跟踪[3]。

(3)爬山搜索法:此方法不需要对风速测量,也不需要风力机的精确的功率曲线,仅仅通过对发电机功率与转速的变化关系,来判断是通过增加转速还是降低转速来搜索最大功率。转速变大时,如果功率也增大,则继续增加转速来搜索最大功率点;如果功率降低,则降低转速来搜索最大功率点。转速降低时也是如此。

2 不控整流升降压斩波电路分析

以Buck-Boost Chopper电路为例进行分析,如图2所示将整个系统分为四个部分:发电机、不控整流、斩波电路、负载(蓄电池或逆变器),这四个部分都可以看作相对独立的。注意:斩波电路输入与输出反向[4,5,6,7]。

图2中Ea、Eb、Ec为发电机a、b、c三相定子感应电动势;Xa、Xb、Xc与Ra、Rb、Rc为发电机定子电抗与电阻;X=Xa=Xb=Xc与R=Ra=Rb=Rc;Ug、Ig为发电机定子输出相电压、相电流;Udc、Idc为整流后的直流电压、电流;Uload、Iload为负载电压、电流。

对于负载来说,其特性要求非常重要。如果是蓄电池,要求其容量足够,蓄电池本身也是完好的,这样可以稳定负载侧直流电压Uload;如果是逆变器,则需要通过对其变换器的控制,使负载侧直流电压Uload保持不变。负载电阻:

通过对Buck-Boost Chopper电路IGBT(绝缘栅双极晶体管)占空比的控制可以直接控制Udc的大小。设定IGBT占空比为α,根据功率守恒原则,直流电压Udc与负载电压Uload的关系为:

直流电流Idc与负载电流Iload的关系为:

直流电阻Rdc与负载电阻Rload的关系为:

由上述公式可得当占空比α<0.5时,输入电压大于输出电压,为降压电路,Rload0.5时,输入电压小于输出电压,为升压电路,Rload>Rdc;发电机定子输出线电压为Vll,线电压峰值为Vllpeak,直流电压Udc与峰值线电压Vllpeak的关系为:

由公式(4)、(7)可以计算出直流电压Udc与发电机定子相电压Ug的关系为:

根据功率守恒原则,直流电流Idc与发电机定子相电流Ig的关系为:

发电机定子每相绕组的感应电动势E为:

其中,p为电机极对数;n为电机线速度,单位r/min;ω为电机角速度,单位rad/s;Nk为电枢每相绕组的有效匝数;Ф为每级磁通。

不考虑功率损耗,发电机输出功率:

由公式(8)、(9)、(11)得功率的表达式:

由公式(10)带入公式(12),整理得:

由公式(13)可知:每给定一个转速ω的情况下,都有一个x,即占空比α,使得风机工作在最大功率点。为了防止发电机定子侧以及直流侧过电压,占空比α不能太小,α范围设置为1/3~1,相应x的取值范围为2~0。当风力发电机刚刚启动的时候,占空比α可以取较小的值,以提高发电机在低风速时的出力。

3 基于爬山法最大功率算法的实现

基于爬山搜索最大功率算法[5],如图3所示为发电机功率-转速曲线。

根据功率与转速曲线可知,在某一固定风速下,发电机存在某一转速,可以使发电机处于最大功率输出状态。当发电机处于最大功率输出的时候,满足:

由于离网型风力发电机大多数都是小型发电机,出于成本和安装工艺的考虑,一般不会对转速进行测量。即使对转速进行测量,也可能会因为各种各样的原因,转速测量不准确。所以在控制策略中不再依赖对转速的测量,根据公式(13),可将爬山策略建立在功率与占空比的变化关系上,即d P/dα。

根据公式(14),对其进行分解得:

根据公式(4)、(8)得:

忽略发电机内部损耗,根据公式(10):

所以,存在:,使得功率处于最大点。

如图4所示:G为发电机最大功率工作点;Δx为x值的变化步长,变化后的x值减去变化前的x值;ΔP为x值变化时,相应的功率变化量,变化后的功率值减去变化前的功率值。

最大功率跟踪具体步骤如下:(1)初始某一风速v下,发电机转速为ω,当前工作点为A,此时x=xa,P=Pa。(2)x增加一个步长Δx,此时x=xb,功率也发生变化ΔP,P=Pb;(3)如果ΔP>0时,则继续增加x一个步长,功率也相应的变化ΔP,直到ΔP=0,既运行在最大功率点上;(4)如果ΔP<0时,则减小x一个步长,功率也相应的变化ΔP,如果ΔP>0,则继续减小x,直到ΔP=0,使系统工作在最大功率点上。(5)当初始情况下x减小一个步长Δx,其最大功率搜索逻辑和上述一致。

注意:最大功率点ΔP不是完全等于0的,只是ΔP小于一个很小的数值。具体的流程图如图5所示。

以上最大功率搜索时建立在固定风速、固定转速之下,当风速发生变换时,相应的转速也会发生变化,风机将会运行在新的P-x曲线上。同样,根据上述方法在新的P-x曲线上进行最大功率搜索。由于x=(1-α)/α,可知x与α是一一对应的关系,当x处于某值的时候存在最大功率,必然会有一个占空比α,使得发电机功率处于最大值。

4 系统仿真

1)仿真参数

现在以一台离网型10 k W风力发电机为例进行仿真,仿真软件为Matlab/Simulink。具体仿真参数如下:发电机参数:极对数p=10,额定功率PN=10k W,额定转速n=200 r/min,定子每相串联匝数N1=228,每极主磁通Φ=6.616×10-3Wb,定子电阻Rs=0.362Ω,定子直轴电感Ld=6.5 m H,定子交轴电感Lq=13.5 m H;蓄电池参数:标称电压为300 V DC,蓄电池容量为1 000 A·h,初始容量为75%,蓄电池内阻为0.003Ω。

2)仿真过程

使发电机转速维持在200 r/min(额定转速),改变Buck-Boost Chopper电路IGBT的占空比,观察输出功率的变化如图6所示。

由图6的仿真波形得到当占空比在0.72时,发电机在额定转速下得到最大功率,P=10.6 k W。

3)仿真结果分析

发电机维持在额定转速,当占空比从0逐渐增加到1的过程中,发电机功率曲线呈山峰形状,在IGBT某一占空比下找到最大功率点,从而验证了算法的正确性。同样在其他转速下也能得到同样的仿真结果[8]。

5 结语

本文是基于斩波电路的反向应用来实现对风力发电机输出功率的控制。从仿真中可以看到,本文所建立的永磁同步风力发电机组模型的正确性,实现了Buck-Boost Chopper电路输入电压的控制和风力发电机最大功率的追踪,也进一步验证了本文所使用的控制策略的有效性。该控制策略同时适合于离网型永磁同步风力发电机控制和并网型永磁同步风力发电机;不仅Buck-Boost Chopper电路能实现该控制策略,其他一些斩波电路也可以实现该控制策略。总之,由于电力电子技术的发展,使得风力发电机控制由比较单一的机械控制,转向了手段丰富的电气控制,要想实现更好的控制,还需要进一步探索。

摘要：介绍了风力发电机运行原理,以及常用的风力发电机功率跟踪技术。在Buck-Boost Chopper电路的基础上,对其进行反向应用,推导出永磁同步风力发电机功率和Buck-Boost Chopper电路IGBT(绝缘栅双极晶体管)占空比的关系式。采用爬山搜索法对风力发电机最大功率进行搜索,并通过Matlab/Simulink仿真得出了整个推断的正确性。

关键词：永磁同步风力发电,斩波电路,最大功率跟踪,爬山法

参考文献

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[3]曹云峰,蔡旭.变速恒频双馈风力发电系统最大功率跟踪算法的比较与仿真研究[J].华东电力,2008,36(10):1234-1238.

[4]邓秋玲,谢卫才,林友杰,彭磊,许志伟.使用永磁同步发电机和boost斩波电路的风力发电系统[J].湘潭大学自然科学学报,2009,31(2):119-122.

[5]陈兴峰,曹志峰,许洪华,焦在强.光伏发电的最大功率跟踪算法研究[J].可再生能源,2005(1):8-11.

[6]陈家权,薛娟妮,杨刚峰,丰家辉.直驱风电系统最大功率捕获技术的仿真分析[J].可再生能源,2009(1):23-26.

[7]张建辉,许莹莹.离网小型风力发电系统的研究[J].华东电力,2008,36(11):118-120.

基于电子技术下的永磁电机特性分析第8篇

1 永磁材料的发展

永磁材料根据成分可分为永磁铁氧体、铝镍钴系合金、铁铬钴系合金、稀土永磁材料。稀土永磁又可分为钴永磁材料与钕铁硼永磁材料。钴永磁材料的磁能积可达碳钢永磁的150多倍、铝镍钴永磁材料的3--5倍, 永磁铁氧体的8~10倍, 更具有温度系数低、磁性稳定、矫顽力高达的优点。钕铁硼永磁材料为第三代稀土永磁材料, 其剩磁、矫顽力和最大磁能积比钴永磁材料高, 不易碎, 有较好的机械性能, 合金密度低, 有利于磁性元件的轻型化、薄型化、小型和超小型化。

2 永磁电机的磁路分析

2.1 永磁最佳工作点分析

如图1。

永磁体提供的磁能:

最大磁能工作点:A点在回复线中点:

最大磁能积:BrHc/2。

2.2 平行充磁和径向充磁的模拟

如图2。

2.3 气隙磁密分布

如图3。

3 永磁电机的拖动控制特性

永磁同步电动机由于应用了高磁能积的永磁材料, 其电动机的运行过程将比异步电动机具有不定的特性, 该电动机一般也制成与异步电动机相似的电动机, 即电动机的定子与异步电动机一样, 转子、高磁能的永磁材料。电机在起动过程中, 其起动电流将比用铁氧体永磁同步电动机大, 比异步电动机起动更大。原因是在起动过程中永磁体将发出电机的能量, 电机起动时, 不但消耗异步电机起动时的能量 (产生空载起动电流) , 还将克服发电机的能量, 因此它的起动电流是很大的。

永磁同步电动机的永磁转子, 其磁场的分布是比较复杂的, 在不同频段下, 可能产生不同的高次波, 如果此高次波与异步电动启动过程中产生的高次波叠加, 在此情况下, 反映在电流的大小上, 其电流值一般将大于额定电流值, 这种大电流往往就影响变频电源的最大工作电流的选择。

4 永磁电机的优势

永磁同步电机的外特性效率曲线相比异步电机, 在轻载时效率值要高很多。因为通常电机在驱动负载时, 很少情况是在满功率运行, 在实际运行的电机90%以上是工作在额定功率的70%以下, 电机通常工作在轻载区。对异步电机来讲, 其在轻载时效率很低, 而永磁同步电机在轻载区, 仍能保持较高的效率, 其效率要高于异步电机20%以上。

同时, 永磁同步电机功率因数高低不受电机极数的限制, 在电机配套系统允许的情况下, 可以将电机的极数设计的更高, 相应电机的体积可以做得更小, 电机的直接材料成本更低。

5 结束语

永磁同步电机是众多高新技术和高新技术产业的基础, 它与电子技术和微电子控制技术相结合, 可以制造出许多新型的、性能优异的机电一体化产品和装备。近几年随着设备装备的不断提高, 对永磁电机控制精度也在不断提升, 电机生产厂家随之与变频器厂家不断努力深化合作, 正向着着提供机电一体化解决方案的服务商方向迈进。

参考文献

[1]王秀和.永磁电机[M].北京:中国电力出版社, 2007.

现代永磁电机技术第9篇

目前,我国以天然气为燃料的分布式能源建设已进入实质性开发实施阶段,微型燃气轮机(简称微燃机)作为小型化、高效率、分散型和环保的发电装置,被认为是分布式能源的重要组成部分,根据能源发展“十二五规划”,2015年我国将建成1 000个左右天然气分布式能源项目。微燃机就是把燃气轮机小型化,使用天然气、柴油等多种燃料和空气作为工质,产生高温、高压气体,推动透平旋转做功,驱动发电机发电,最终将燃料的化学能转换为电能,实现电力输出,并利用回热技术,实现热电冷联产,大大提高了燃料利用率,且具有低噪声、低排放、多燃料选择、多台联供的特点。

微燃机作为一个多技术的复杂集成系统,其关键技术不仅仅只在燃气轮机这一个方面,还包括了高速永磁电机等重要部件技术。高速永磁电机与燃气轮机透平同轴连接,与微燃机的起动、发电、转子稳定工作以及全系统的控制紧密相关,决定着微燃机产品的成败。正是基于这样的研究与应用背景,本文对微燃机高速永磁电机的国内外技术研究概况进行了分析与总结,对其关键技术进行了阐述,并在此基础之上对其技术发展的趋势进行了展望。

1 高速永磁电机国内外研究现状

由于微燃机直接驱动的高速永磁电机,具有功率密度大、效率高、高速运行时性能优势突出等特点,更适合在微燃机中使用,目前已成为国际电工领域研究的热点之一[1,2,3]。早在1989年,瑞典就制造了一台额定转速为100 000 r/min、额定功率为20 k W的高速永磁电机。样机采用了非导磁钢对转子永磁体进行了保护,转子转速试验时达到了75 000 r/min。

该样机采用了如图1所示的定子不开槽结构。由于定子铁心没有齿槽,所以防止了因定子开槽在转子表面引起的巨大涡流损耗,这也是该种结构的优点所在。但是在转子永磁之间,电枢长度占了很大空间,该部分空间在磁场分析时应按气隙处理,这样等效气隙长度就非常大,从而使得永磁体到铁心的磁压降很大,导致了电机输出功率受到限制。

ABB和VOLVO公司联合研制出型号为MT100的热电联产样机[4]。该机组的电输出功率为100 k W,热输出功率为167 k W,总效率高达80%。采用的高速永磁电机为4极结构,转速超过60 000 r/min。

英国Turbo Genset公司成立于1993年,专门从事开发微燃机高速永磁电机的产品。曾研制出一种盘式结构高速永磁发电机。转子由一个或多个同轴的圆盘构成,圆盘内是轴向磁化的永磁体。定子也是由一个或多个圆盘构成,盘内是定子绕组。转子盘和定子盘交错排列,具有较高的效率和强度。但是结构较复杂,增加了加工难度和成本。

英国皇家海军已经对微燃机进行了研究,用于替换轮船上的柴油机。他们制造出了一台高速永磁发电机样机,最大输出功率为2 030 k W,转速范围为19 000~25 000 r/min,样机转子采用了碳纤维护套。

美国Calnetix公司开发了从几瓦到兆瓦级的高速永磁电机,转速从4 000~450 000 r/min,典型的转速范围是30 000~100 000 r/min,其产品长期运行验证了可靠性,居世界领先地位。

国内科研机构在高速永磁电机研制方面处于起步阶段,沈阳工业大学王凤翔教授分析了高速永磁电机的定子结构设计、转子强度分析、磁轴承的转子动力学分析等问题。同时也制造出了能在30 000 r/min空载长时间运行的样机,其最高转速可达到60 000 r/min。参考文献[5]提出了一种新型定子环形绕组结构,如图2所示,定子采用24槽,不但满足了冷却需求,还增加了转子的刚度。参考文献[6]分析了定子结构型式对高速永磁电机电磁性能的影响,计算结果表明背绕式绕组结构增加了绕组感应电动势,并使定子轭部负载磁密略微降低,而无槽结构定子铁心增加了电机铜耗,减少了转子涡流损耗。参考文献[7]中对径向励磁结构、Halbach阵列结构和环形绕组结构3种不同结构的永磁同步发电机进行对比仿真研究,为进一步设计高性能的电机提供了理论基础。

2 高速永磁电机关键技术

高速永磁电机具有三个鲜明的技术特点:

(1)转子的高速旋转,转速高达每分钟数万转甚至十几万转,圆周速度可达200 m/s以上;

(2)电磁的高频率,一般在1 000 Hz以上[8];

(3)功率对电机的限制,高速并不单单指转速,同时永磁电机也要达到一定的功率等级[2]。

这些特点也决定了高速永磁电机具有不同于普通电机的一些关键技术,如转速-功率限值关系、损耗和温升、永磁体设计、单转子动力学分析、轴承技术和电机控制技术等。

2.1 转速-功率限值关系

相关研究表明,高速永磁电机转速-功率限值主要由电磁、热和机械等因素决定。参考文献[9]中给出了高速永磁电机转速-功率的限值条件存在对数函数关系:logf=4.27-0.275log P(f为频率,P为功率)。这个关系式也表明在现有技术条件下,高速永磁电机转速与功率所能达到的最大值之间的对应关系。图3是根据当前实际产品规格运用数值分析方法模拟出的高速永磁电机转速功率-限值曲线。

x—感应电机 ◦—永磁电机 •—无槽大气隙永磁电机

2.2 损耗和温升

高速永磁电机的高频不仅增加定子铁耗,同时转子的高频涡流损耗也增加,特别是高速运行时转子表面空气摩擦损耗增加,因而高速永磁电机转子的涡流损耗与空气摩擦损耗的计算是高速永磁电机的关键技术之一。国内外关于空气摩擦损耗的计算都是基于流体场进行的,但是计算方法还需要进一步的实验验证。转子涡流损耗计算主要采用解析法和有限元法两种。国内外开展的计算工作中已经考虑了空间和时间谐波的影响,并得出了一些结论,包括:增大气隙、减小槽口宽度都可以减小涡流损耗;定子开槽有限情况下通过齿冠开槽等效多槽定子结构和滤波技术能有效降低转子损耗等。

2.3 永磁体设计

高速电机的永磁体不仅要具有良好的磁性能,即较高的剩余磁通密度、矫顽力和最大磁能积,还要具有足够高的工作温度和热稳定性。由于高速永磁转子的高速、高频附加损耗较大而散热条件较差,因此防止转子过热造成永磁体不可逆失磁,是需要考虑的一个重要问题。综合技术要求和材料成本,目前在高速永磁电机设计中,多选用耐高温的烧结钕铁硼稀土永磁材料。

高速电机选用的烧结钕铁硼稀土永磁体,不能承受大的拉应力,如果没有保护措施,永磁体无法承受转子高速旋转时产生的巨大离心力。保护永磁体的方法之一,是在永磁体外面加一高强度非导磁保护套,永磁体与护套间采用过盈配合。另外一种保护方法是采用碳纤维绑扎永磁体。采用非导磁合金钢护套的优点是能够对高频磁场起到一定的屏蔽作用,并能减小永磁体和转子轭中的高频附加损耗,同时导热性能较好,有利于永磁体的散热;其缺点是护套为导电体,会产生涡流损耗。与金属护套相比,碳纤维绑扎带的厚度要小,而且不产生高频涡流损耗;然而碳纤维是热的不良导体,不利于永磁转子的散热,而且对永磁体没有高频磁场的屏蔽作用。

2.4 单转子动力学分析

国内外对高速永磁电机单转子动力学理论分析较少,多使用有限元软件,如ANSYS等软件,研究不平衡磁拉力和滑动轴承动力特性对柔性轴转子固有频率影响和额定转速下的动态相应问题。初步研究进展表明,磁拉力刚度是影响永磁电机转子系统动力学特性的重要因素之一。偏心、电机转速的变换均会使转子失稳。转速的微小变化可能使转子响应产生幅值阶跃现象,使电机振动突然加剧而遭到破坏。

2.5 轴承技术

转子的支撑是高速永磁电机中一个急需解决的问题。高速永磁电机转子支撑有机械轴承、磁轴承、油轴承和空气轴承四种。磁轴承与其他三种轴承相比具有明显的优势,其主要优点是无摩擦与损坏、可高速旋转、极少的振动与噪音、无润滑系统、可减少机械的维修及磨耗污染、可在特殊环境中使用(如高温、低温和真空等)。

提高磁轴承的性能和可靠性是当前应用中的关键技术。磁轴承本身具有的非线性和开环不稳定的动力学特性,增加了控制器设计的难度。因此如何对高速永磁电机磁轴承悬浮力建立准确的数学模型,使用更好的控制方法,提高磁轴承的性能,同时加强对磁轴承系统的故障监测,提高磁轴承运行的可靠性是磁轴承研究开发急需解决的问题。

2.6 微燃机高速永磁电机控制技术

微燃机起动时,永磁电机工作在电动机状态,驱动透平加速运行到点火转速;微燃机点火成功后,经过暖机后,透平对外做功,进入双机拖动状态,即电动机和透平共同对外做功;当微燃机转速升高到空载转速时,仅透平做功就可以克服微燃机损耗时,永磁电机可由电动机切换到发电机状态;此后,发电机按照给定的转速-转矩运行。基于这些技术需求,高速永磁电机工作在电动机状态时常用变频控制技术,在发电机状态时,既可采用矢量控制技术又可采用直接转矩控制技术,使得发电机输出电磁转矩可控。值得指出的是,由于电机工作在高速高频,且难以安装位置传感器。电机需要采用无位置传感器技术、谐波抑制技术,并且需要采用能够高速采样和控制的硬件,并尽可能使软件控制算法简单,减少每个控制周期的算法计算时间。

3 微燃机高速永磁电机技术发展趋势展望

对微燃机高速永磁电机技术的研究要顺应时代发展,符合工程实际。随着电机、材料、电力电子、自动控制等相关学科领域的技术进步,微燃机高速永磁电机会有一个广阔的发展前景。微燃机在功率、转速、效率、可靠性等方面也会有很大地提高,并向着大功率、高转速/频率、轻量化和高度集成化方向发展。下面,从以下几个方面对微燃机高速永磁电机技术的发展趋势进行展望,从而为今后的相关研究提供参考。

3.1 建模计算方法研究

微燃机高速永磁电机建模过程比较复杂,涉及到机、电、磁、热以及控制等诸多学科。在今后的研究中将从学科交叉的角度综合运用电磁、机械、电力电子、控制、热力学等多系统联合建模方法。根据实际电机暂态和稳态运行时仿真需求,进行合理的耦合和简化,同时要考虑微燃机的特点以及对电机的需求,得到一个微燃机高速永磁电机的综合仿真与性能评估平台,为系统的设计和优化提供依据。

3.2 电机优化设计方法研究

可应用于微燃机的永磁电机主要是永磁同步电机,根据微燃机工程环境和性能要求,合理进行结构、电磁、冷却、特性及可靠性等设计方法研究,并根据高转速/频率这个突出特性,结合电力电子控制技术、动力学技术,重点考虑电机谐波及振动抑制等问题。

3.3 控制技术研究

针对微燃机高速永磁电机的运行特点、性能指标要求以及实际工况,基于系统综合仿真及性能评估平台,对传统的矢量控制或直接转矩电机控制技术进行改进,增强其适用性,提高其控制性能。

这些技术改造应包含硬件和软件两个方面。在硬件设计中,应着力在电力电子主电路拓扑选取和控制电路的选型上,需要研究由于高频工作而带来的控制信号采样、有源谐波抑制和发热损耗冷却等问题;在软件方面,要进行大量的算法优化工作,提高代码的效率,减少硬件控制芯片的计算时间。还特别涉及到PWM优化技术,用于减少电机谐波。

4 结语

微燃机是分布式能源系统的组成部分,是国家能源发展“十二五”规划中分布式能源发展的重点。高速永磁电机是微燃机的关键技术,对该技术的研究可促进微燃机向大功率、轻量化、高效率和高度集成化方向发展,进而提高微燃机的整体性能。

文中对微燃机发电原理作了简要介绍,指出了高速永磁电机是微燃机的关键技术。通过对国内外技术研究状况的分析,也显示出我国在这一技术领域与世界先进水平有着不小的技术差距。另外还分析了推进高速永磁电机在微燃机系统应用过程中需要解决的一系列关键技术。同时也对高速永磁电机技术发展的趋势进行了展望,为今后的相关研究提供了参考。

摘要：作为一个多技术的复杂集成系统,高速永磁电机是微型燃气轮机(微燃机)的关键技术。分析了微燃机发电的技术原理,介绍了高速永磁电机的国内外研究现状,及其在微燃机系统应用过程中需要解决的关键技术,并对其发展趋势进行了展望,为今后的相关研究提供了参考。

关键词：微型燃气轮机,高速永磁电机,研究概况,关键技术,发展趋势

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