解 恩,王 璞
(西北工業(yè)大學,陜西西安 710129)
無刷直流電動機(以下簡稱BLDCM)由于其體積小、重量輕、能效高、維護方便,以及調(diào)速特性好等一系列優(yōu)勢,它在航空、航天和航海等領域得到迅速發(fā)展,應用日趨廣泛。隨著BLDCM應用功率的不斷提高,其轉(zhuǎn)子溫升問題開始被關(guān)注。BLDCM通常采用轉(zhuǎn)子永磁體勵磁,勵磁磁場和轉(zhuǎn)子同步運轉(zhuǎn),所以其轉(zhuǎn)子大多為非疊片結(jié)構(gòu)。但隨著電機功率的增加,控制方式的不同,電樞電流磁場會在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生相應的損耗;同時電機的齒槽結(jié)構(gòu)也會使得運動的轉(zhuǎn)子(特別是轉(zhuǎn)子外緣)產(chǎn)生渦流損耗。由于轉(zhuǎn)子散熱困難,所以在這些損耗共同作用下,轉(zhuǎn)子溫升顯著。文獻[1]中表明,當永磁電機功率超過10 kW時,在其轉(zhuǎn)子上的渦流損耗變得不容忽視。
目前對于永磁電機轉(zhuǎn)子溫升問題的研究,主要集中在電機運行控制和電機結(jié)構(gòu)設計兩大方面。在電機運行控制方面,文獻[2]分析了對于表貼永磁體轉(zhuǎn)子,繞組電流對于永磁體渦流損耗的影響,得到無刷交流控制方式比無刷直流方式在轉(zhuǎn)子中的渦流損耗要明顯低。文獻[3]表明當電機控制采用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)或矢量控制(VC)等現(xiàn)代控制方法時,其諧波含量要比標準正弦PWM控制方式高,從而使得轉(zhuǎn)子永磁體內(nèi)渦流損耗增加。在電機結(jié)構(gòu)設計方面,文獻[4]分析得到電機定子開口槽會造成氣隙磁阻變化,從而在運動轉(zhuǎn)子(特別是轉(zhuǎn)子表面)上產(chǎn)生鐵耗,對于高速電機,這種由于齒槽結(jié)構(gòu)帶來的轉(zhuǎn)子損耗明顯增加。文獻[5-6]認為電機的氣隙長短對轉(zhuǎn)子溫升有影響,氣隙越長,電機齒槽所帶來的轉(zhuǎn)子渦流損耗越小;同時認為表貼永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)渦流明顯,當采用分段永磁體可減緩永磁體內(nèi)的渦流損耗。
綜上所述,產(chǎn)生永磁電機轉(zhuǎn)子損耗的因素是很多的,對于高轉(zhuǎn)速、大功率永磁電機,轉(zhuǎn)子溫升問題應得到重視。本文中重點分析電樞中方波電流和正弦波電流對于轉(zhuǎn)子溫升的影響,并針對某11 kW BLDCM,通過實驗測定額定條件下正弦波電流、方波電流以及齒槽結(jié)構(gòu)對于轉(zhuǎn)子溫升的貢獻比例。
BLDCM方波控制通常采用120°方波控制(三相六狀態(tài))運行,任意時刻兩相繞組通電,每60°換相一次,每相繞組連續(xù)通電120°。
通常永磁同步伺服電機三相對稱繞組流過三相對稱交流電,則電樞合成空間電樞磁勢(以下簡稱MMF)為旋轉(zhuǎn)圓形軌跡,并且這個圓形軌跡和轉(zhuǎn)子同步運轉(zhuǎn),所以電樞電流合成空間MMF也就不會在轉(zhuǎn)子鐵心中產(chǎn)生鐵損(不考慮齒槽條件下)。但由于BLDCM控制方式通常采用120°方波控制,如果BLDCM的反電勢為理想梯形波,那么繞組電流波形也就為120°方波,對比標準三相正弦波形如圖1所示。通過將方波電流對比標準正弦電流,可以將120°方波電流看成比較粗的SPWM控制。方波電流同樣為周期波形,三相對稱互差120°電角度,因而三相方波對稱電流可以分解為三相基波電流和高次諧波電流,其中高次諧波會在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生渦流損耗。
圖1 三相對稱交流電流與三相120°方波電流波形對比
很明顯,當BLDCM三相繞組中通入圖1(b)三相方波電流,那電樞MMF就不是圓形同步旋轉(zhuǎn)的,而是同步跳躍的。那么此種情況下電樞MMF就會在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生鐵耗,這等同于三相方波電流諧波分解的高次諧波在轉(zhuǎn)子上所產(chǎn)生的鐵耗。由于電機機械氣隙、緊固套和永磁體的相對磁導率接近于1,使得磁路磁阻較大,當電樞電流較小時,電樞電流磁密不高,其產(chǎn)生的電機鐵耗有限,但隨著BLDCM功率的增加,電樞MMF在電機定、轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的鐵耗明顯。電機定子接觸外環(huán)境便于散熱,但電機轉(zhuǎn)子散熱條件困難,因而在BLDCM方波控制下,電樞MMF在轉(zhuǎn)子上的鐵耗所帶來的轉(zhuǎn)子溫升更為明顯。
為了便于和無刷交流控制對比,現(xiàn)采用諧波分析法將一相方波電樞周期電流進行傅里葉分解?,F(xiàn)建立方波電流數(shù)學模型如下:
如圖2所示,方波周期函數(shù)在(-π,π]上的表達式如下:
圖2 方波電流模型圖
式(1)可傅里葉展開:
從式(5)可以看出,120°導通方波電流中除基波外含有豐富的諧波電流,但不含有3k(k=1,2,…)次諧波,不過即便有3k次諧波,對Y型連接電機不會帶來影響,圖3為各次諧波頻譜圖為各次諧波與基波幅值比)。
上述計算表明了各次諧波在轉(zhuǎn)子中的狀況:
圖3 120°方波電流中各次諧波頻譜圖
(1)各次諧波的幅值和階次的倒數(shù)成正比;
(2)沒有3k次諧波;
(3)在轉(zhuǎn)子中電樞電流(6k-1)次和(6k+1)次諧波磁場角速度相同,都是6kω1,但方向相反,例如電樞電流5次和7次諧波磁場在轉(zhuǎn)子中角速度相同,都是6ω1,但方向相反;
(4)雖然隨著諧波階次的提高,其幅值下降,但綜合其頻率的增加,高階諧波所產(chǎn)生的鐵耗不容忽視(但考慮到渦流反應,高階諧波由于幅值低,更容易受到抑制)。
BLDCM轉(zhuǎn)子溫升通常主要來自兩個方面:電樞電流MMF和齒槽結(jié)構(gòu)。為了區(qū)分這兩個方面對轉(zhuǎn)子溫升的貢獻,設計了電機溫升測試方法,以及搭建了測試平臺。
測試電機選用某11 kW BLDCM,轉(zhuǎn)子永磁體表貼結(jié)構(gòu)。其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 測試電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖
轉(zhuǎn)子緊固圈材料為不銹鋼 1Cr18Ni9Ti,永磁體為 SmCo2∶17。為了測試轉(zhuǎn)子溫度,在轉(zhuǎn)子中(2個測試點位置)埋設兩個溫度傳感器——Pt1000,該傳感器為正溫度系數(shù)測溫電阻??赏ㄟ^測量阻值,再與分度表查詢得到對應溫度。另外,由于工作時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,所以這兩個傳感器引出線3根(有2根復用)經(jīng)轉(zhuǎn)軸滑環(huán)伸出端蓋,在圖6中可以看到。在電機定子上也預埋兩個Pt1000,分別用于測量定子鐵心和繞組溫度。表1為轉(zhuǎn)子材料參數(shù),為便于對比,將Cu也加入表中。
表1 轉(zhuǎn)子材料參數(shù)[7-8]
從表1可以看到,緊圈材料1Cr18Ni9Ti和永磁體材料SmCo2∶17的熱傳導率和電阻率比較接近,同時緊圈相對永磁體很薄,都不導磁,所以將它們合并稱為轉(zhuǎn)子外緣。圖4中1#測試點就定在轉(zhuǎn)子外緣。同時由于渦流效應和集膚效應,轉(zhuǎn)子外緣的溫升通常顯著超過轉(zhuǎn)子鐵心溫升,因而文中測試數(shù)據(jù)只羅列定子鐵心和轉(zhuǎn)子外緣溫度。
為便于電機加載測試,以兩臺相同的11 kW BLDCM組成對拖結(jié)構(gòu),如圖5所示,測試實景如圖6所示。
圖5 兩臺BLDCM對拖結(jié)構(gòu)圖
圖6 電機對拖測試實景
兩臺同型11 kW BLDCM對拖,一臺做電動機,一臺做發(fā)電機,發(fā)電機接電阻柜(三相Y型連接),同時實驗系統(tǒng)還接有功率分析儀WT3000,可記錄波形和實驗數(shù)據(jù)。WT3000有4組模塊,將實驗中的兩個電機都采用三相兩表法接線,這樣共采集了4路線電壓和4路線電流。實驗主要測量、記錄儀表還有:HR-WP-XD808用以直接顯示定子傳感器溫度、FLUK 8846A用以測量轉(zhuǎn)子Pt1000阻值。
由于轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn)測量不便及不安全,每次測量時均需停機測量轉(zhuǎn)軸滑環(huán)間電阻。
3.3.1 實驗測試內(nèi)容
為區(qū)分電機齒槽結(jié)構(gòu)和方波電流對轉(zhuǎn)子溫升的影響,設計兩組實驗,電動機PWM占空比100%:
(1)額定電壓Ud=280 V,發(fā)電機開路;
(2)額定電壓Ud=280 V,id=41 A(電動機DC電源電流),發(fā)電機負載。
第一組實驗對拖系統(tǒng)發(fā)電機開路,可測量發(fā)電機轉(zhuǎn)子溫升,由于發(fā)電機繞組中沒有電流,所以其轉(zhuǎn)子溫升即為只在永磁體勵磁條件下,電機齒槽結(jié)構(gòu)對電機轉(zhuǎn)子帶來的溫升。
第二組實驗對拖系統(tǒng)負載運行,調(diào)節(jié)發(fā)電機負載(3相星型電阻柜阻值),使得電動機輸入功率達到11 kW,測量電動機轉(zhuǎn)子溫升,就可以得到額定條件下方波電流和電機齒槽結(jié)構(gòu)共同作用帶來的轉(zhuǎn)子溫升。
在測量發(fā)電機波形時,發(fā)現(xiàn)該電機空載反電勢和負載電流波形都很接近正弦波,由此可以看到正弦波電流對電機轉(zhuǎn)子溫升的影響。
3.3.2 實驗測試波形及數(shù)據(jù)
測試中,這兩組實驗記錄了線電壓、線電流波形,如圖7所示。
圖7 兩組實驗線電壓、線電流波形圖
圖7中每幅圖自上而下4條波形,依次為電動機線電壓、線電流和發(fā)電機線電壓、線電流。可以看到該電機反電勢為正弦波,負載發(fā)電機電流同樣為正弦波。
兩組測試電機溫度數(shù)據(jù)如表2和表3所示。測試時,環(huán)境溫度為16℃,每組實驗當電機溫度基本穩(wěn)定,即停止測試。
從表2可以看到,對拖兩電機定子溫度正常,溫升有33℃左右,但電機轉(zhuǎn)子溫升異常明顯。
3.3.3 實驗測試分析
測試數(shù)據(jù)分析忽略電機定轉(zhuǎn)子間輻射、對流以及風摩等因素。
從表2的發(fā)電機數(shù)據(jù)中,可以得到由于電機齒槽結(jié)構(gòu)在永磁體勵磁條件下帶來的轉(zhuǎn)子溫升:
從表3的電動機數(shù)據(jù)可以得到額定方波電流和電機齒槽共同作用轉(zhuǎn)子溫升為:
剔除齒槽結(jié)構(gòu)的影響,額定方波電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子溫升(式(7)減去式(6)):
表2 Ud=280 V,發(fā)電機開路,對拖電機溫度
表3 Ud=280 V,id=41 A,對拖電機負載溫度
由于對拖負載發(fā)電機電流為正弦波,所以從表3的發(fā)電機數(shù)據(jù)可以得到正弦波電流轉(zhuǎn)子溫升:
從上述11 kW BLDCM測試數(shù)據(jù)得到影響方波控制BLDCM轉(zhuǎn)子溫升的兩個主要因素(方波電流諧波和電機齒槽)中,電機齒槽結(jié)構(gòu)貢獻達79.7℃;額定方波電流貢獻為17.3℃。實驗中同時得到額定負載正弦波電流對轉(zhuǎn)子溫升幾乎沒有貢獻。
通過實驗測試,可以看到被測電機齒槽結(jié)構(gòu)對于電機轉(zhuǎn)子溫升影響是顯著的,對于高速、大功率電機設計時應加以關(guān)注。
從額定方波電流對轉(zhuǎn)子溫升貢獻17.3℃,以及額定負載正弦波電流對轉(zhuǎn)子溫升沒有貢獻可以看出,方波電流諧波在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生了相應損耗,導致轉(zhuǎn)子溫度升高。
另外,對于額定負載,正弦波對于轉(zhuǎn)子溫升沒有貢獻解釋為兩個因素:
(1)雖然額定負載正弦波增加了氣隙MMF,但相比永磁體MMF,增加有限;
(2)負載轉(zhuǎn)速比空載轉(zhuǎn)速低了300 r/min。
本文重點分析了BLDCM在方波控制下,電樞電流對電機轉(zhuǎn)子溫升得影響。對方波電流建模并進行傅里葉分解,得到方波電流各諧波含量,這些諧波穿過氣隙會在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生損耗,為測定方波電流及電機齒槽結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子溫升影響,針對某11 kW BLDCM設計對拖實驗,并通過預埋在電機定、轉(zhuǎn)子中溫度傳感器測量電機運行溫度,從而得到方波電流、正弦波電流以及電機齒槽結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子溫升的貢獻比例,得到以下結(jié)論:
(1)BLDCM方波控制電樞電流含有豐富諧波,會對電機轉(zhuǎn)子帶來明顯的溫升;
(2)三相對稱正弦波電流對BLDCM轉(zhuǎn)子產(chǎn)生溫升不明顯;
(3)BLDCM的齒槽結(jié)構(gòu)會對轉(zhuǎn)子溫升產(chǎn)生顯著影響,對于高速、大功率電機設計應重點考慮。
另外,BLDCM工作期間通常會應用到多種PWM技術(shù),PWM也會對轉(zhuǎn)子溫升產(chǎn)生影響。
[1]Yasuaki Aoyama,Koji Miyata,Ken Ohashi.Simulations and experiments on eddy current in NdFeB magnet[J].IEEE Transaction on Magnetics,2005,41(10):3790 ~3792.
[2]黃平林,胡虔生,崔楊,等.PWM逆變器供電下電機鐵心損耗的解析計算[J].中國電機工程學報,2007,27(12):19 -23.
[3]Fouladgar J,Chauveau E.The influence of the harmonics on the temperature of electrical machines[J].IEEE Transaction on Magnetics,2005,41(5):1664 -1647.
[4]周鳳爭,沈建新,林瑞光.從電機設計的角度減少高速永磁電機轉(zhuǎn)子損耗[J].浙江大學學報,2007,41(9):1587 -1591.
[5]梁艷萍,張建濤,索文旭,等.雙屏蔽復合轉(zhuǎn)子電機渦流損耗分析[J].中國電機工程學報,2009,29(24):78 -83.
[6]周鳳爭,沈建新,王凱.轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對高速無刷電機轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響[J].浙江大學學報,2008,42(9):1587 -1590.
[7]中華人民共和國工業(yè)和信息化部.XB/T 507-20092:17型釤鈷永磁材料[S].北京:中國標準出版社,2009.
[8]工程標準材料手冊[S].北京:中國標準出版社,1988.