低速大转矩永磁电机技术研究报告

低速大转矩稀土永磁同步电动机技术研究报告

大连钰霖电器有限公司

2007年3月

1. 项目背景与研究目的

[1] 项目背景

21世纪人类面临的三大难题是：能源危机，环境污染和人口爆炸。而工程技术界的主题无疑应该是能源危机和环境污染。

目前，在机械装备制造业，诸如：机床、重矿机械、建筑机械、电力机械、石油机械等需要低速大转矩传动的系统，仍主要采用减速机-电机的传统驱动模式。一方面，由于减速机齿轮等机械的原因降低了系统的整体传动效率；另一方面，由于减速机的存在使驱动系统的整体体积较大，或者说系统的传输力能密度较低。近年来出现的机电一体化技术，虽然在力能密度方面有所提高，但由于其在理论思想方面仅限于机械减速机构与电机配合的结构尺寸减小，仍未跳出减速机-电动机传动模式的桎梏，所以其效率和力能密度亦未能令人满意。这种传动模式的主要弊端在于：减速齿轮效率低，尤其是在需要大减速比的传动系统，效率更低；功率密度低，机械减速机的存在，使机械装备体积庞大、设备笨重；环境污染，机械转速机不仅存在噪声污染，同时存在润滑油造成的环境污染；机械加工工艺环节共时多，加速机齿轮加工工艺复杂，工艺环节多，并且精确度要求严格，给机械装备的加工制造带来难度和增加了工艺成本。所以，使用低速大转矩传动，取消机械减速机，实现无齿轮传动是时代的要求，发展的需要。

本项目在国家自然科学基金和辽宁省自然科学基金资助下，由沈阳工业大学和大连钰霖电器有限公司共同研制成功，并在2005年获得辽宁省科技进步二等奖。

[2] 研究目的

在低速大扭矩无齿轮传动系统中，采用稀土永磁电机取代传统的异步电动机是各国专家的共识，其技术关键是如何消除电机在低频时的转矩脉振问题。芬兰学者J. Salo, T.等人报导了一种新型低速大扭矩内嵌式磁极结构的永磁同步电动机（PMSM），对不同转子磁极结构利用计算和仿真的方法进行了研究，尽管其理论结果可使电机的转矩纹波减小至5%，但其气隙磁密中仍含有严重的齿谐波。显然在超低速情况下，这些齿谐波的存在仍然会产生转矩脉振。瑞典的Nicola Bianchi等人，采用移动转子磁极位置的方法消除PMSM的转矩纹波，仅适用于8极以下，且要求电机的转子要具有足够磁极摆放空间。德国的N. Bianchi等人，利用供电电流波形调制来削弱PMSM转矩纹波[3]，是一种依赖于电机外部控制的方法，尽管部分地减小了PMSM的输出转矩纹波，但由于电机内电势波形和气隙磁场谐波的存在，使电机损耗加大，影响了电机的效率。瑞士的P. Lampola等人，分析了多极低速PMSM，但其样机仅局限于12极以内的情况。

综观上述文献报导，其共同之处在于没有注意到PMSM在现代正弦波脉宽调制（SPWM）电源供电情况下，如何从低速大转矩传动系统最佳的角度来研究PMSM的分析和设计问题，并且其分析和解决问题的出发点都是从针对电机的转矩，而忽视了产生转矩脉振的根本原因，即电机内电势波形的设计和研究。

本项目研究低速大转矩稀土永磁同步电动机，与电力电子技术、高集成的机电一体化技术一同，组成的电子-电气-机械一体化驱动技术的理论和技术。从低速大转矩传动系统最优化的角度，重点解决低速大转矩稀土永磁同步电动机的最优化设计问题；消除低频转矩脉动问题；转子嵌入式磁极结构的漏磁问题。并成功地在工厂大机械无齿轮传动系统中得到应用。

2. 低速大转矩稀土永磁同步电机的研制原理

2. 1 SPWM 电源供电下PMSM 的数学模型

现代变频器几乎全部采用SPWM 的电压输出波形，它是利用标准的正弦波与三角波经调制而成。理论分析和实验均表明，SPWM 输出电压波形中低次谐波之和为零，或者说SPWM 的输出电压是一个标准的正弦波。

将三相SPWM 的输出电压，采用功率不变约束的dq0坐标变换后供电给PMSM 的电压、磁链和电磁转矩方程，在dq0轴坐标系中，写成空间矢量形式为[5]：

⎥⎥

⎥

⎦⎤

⎢⎢⎢⎣⎡⎥

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+----+-=⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎣⎡w v u e e e e

e e o q d u u u u u u 21

2121)32sin()32sin()sin(

)32cos()32cos()cos(32πθπθθπθπθθ

（1）

s,1s s u i Ψs

spwm d ΨR j dt

ω=+

+ψ

（2）

q

d ji i +=s i

（3）

q

d j ψ+ψ=ψs

（4）

s

s i ⨯ψ=p T em

（5）

式中 []T w v u u u u 为SPWM 电源的输出三相对称电压有效值（V ）；

[]s p w m s T T o q d u u u ,u =为SPWM 电源在dqo 坐标下的分量，

对于三相对称系统0=o u ； ⎰+=0θωθdt e 是以电弧度计的转子磁极轴线相对定子u 相轴线沿气隙圆周的夹

角，o θ为初始位置角，ω为定子电角频率；

1R 为电机定子绕组相电阻)(Ω；

s s i Ψ为

dqo 坐标下电流和磁链的空间矢量；

p 为电机极对数； em T 为PMSM 的电磁转矩。

PMSM 的空间矢量图，如图1所示。从图1中可以看出，定子电流空间矢量s i 与

定子磁链空间矢量s Ψ同相，而定子磁链与永磁体产生的气隙磁链f ψ间的空间电角度为

β，且

βcos s d i i = （6）

βsin s q i i = （7）

将（6）（7）式代入（5）可得

])([q d q d q f em i i L L i p T -+=ψ （8）

式中 d q L L ,分别为PMSM 的直轴和交轴同步电感。

θβ

ϕ

e d

q

u 相绕组轴线

i q

i d

i s

ω

ψf

ψs

u phase axis

图1 PMSM 空间矢量图

由上式可以看出，PMSM 电磁转矩含有两个分量，第一项为永磁转矩，第2项磁阻转矩。对于PMSM ，一般d q L L >，因此，为充分利用磁阻转矩，在控制上要使直轴电流分量为负值，即o 90>β。

在采用功率不变约束的坐标变换后，dqo 轴系统中的各量（电压、电流、磁链）等于uvw 轴系统中各相应量的相有效值的m 倍，（m 为相数）。电磁转矩（8）的稳态表达式可为

])([q d q d q o em i i X X i e p

T -+=

ω

（9）

式中o e 为dqo 坐标下永磁体磁场在PMSM 电枢绕组中产生的内电势，q d X X ,分别为PMSM 的直轴和交轴同步电抗。

从（2）和（9）式可见，要消除PMSM 低频脉振转矩脉动，只要能使其内电势的波形为标准的正弦波，即可使电流的波形也为正弦波。当然，若做到了这一点，也就实现了消除低频转矩脉振的目的。 2.2 低速大扭矩PMSM 的设计研究

从电磁感应定律Blv e =可知，要使电机内电势波形正弦，其实就是如何使产生内电势的磁场波形正弦的问题。从电机的基本理论可知，影响磁场波形的因素除电机设计的共同问题外，对于PMSM 可主要可归纳为转子永磁体结构形式的选取；主磁极极弧系数的选择；电枢绕组的排布方式和定子齿谐波影响的消除等四个方面。