高速永磁無(wú)刷電機(jī)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)研究

鄭睿鵬（環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京100000）

高速永磁無(wú)刷電機(jī)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)研究

鄭睿鵬
（環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京100000）

永磁無(wú)刷電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)勵(lì)磁損耗、效率高等特點(diǎn)，適合高速場(chǎng)合。目前，高速永磁無(wú)刷電機(jī)已經(jīng)在一些電動(dòng)汽車中得到實(shí)際應(yīng)用，并且在分布式發(fā)電供電系統(tǒng)中顯示了其價(jià)值和重要性。通過(guò)對(duì)高速永磁無(wú)刷電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問(wèn)題的探討、對(duì)高速永磁無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的研究得出，高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速非常高，而且其功率的密度非常大，其幾何尺寸小于其輸出功率相同的低速電機(jī)，這些特征使得它在工業(yè)領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

高速；永磁無(wú)刷；電機(jī)設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng)；分析

Abstract∶Permanent magnet brushless motor has a simple structure，no excitation loss，high efficiency，suitable for high speed applications.Currently，high-speed permanent magnet brushless motor has been applied in a number of electric vehicles，and has demonstrated its value and importance in distributed power generation and distribution systems.By discussing the key issues of high-speed permanent magnet brushless motor design，the study of high-speed permanent magnet brushless motor control system derived，high-speed motor speed is very high，and its power density is very large，and its geometry is less than its the same output power low-speed motor，these features make it in the industrial sector has been widespread concern and applications.

Keywords∶High speed；permanent magnet brushless；motor design；control system；analysis

1　高速永磁無(wú)刷電機(jī)

高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速非常高，而且其功率的密度非常大，其幾何尺寸小于其輸出功率相同的低速電機(jī)，這些特征使得它在工業(yè)領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，比如說(shuō)高速磨床高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)以及在污水處理中采用的高速離心壓縮鼓風(fēng)機(jī)，這些都是高速電機(jī)在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的具體體現(xiàn)。在之前的電機(jī)運(yùn)行中，如果人們想要得到較高的轉(zhuǎn)速輸出，就要先將之前的電機(jī)齒輪箱的變速達(dá)到能夠提高變速的作用，我們需要注意的是，齒輪箱的體積是非常大的，而且會(huì)出現(xiàn)很大的噪音，其使用的壽命也不是很長(zhǎng)，因此齒輪箱會(huì)在一定的使用時(shí)間內(nèi)降低系統(tǒng)的整體效率，但是如果我們使用高速電機(jī)，就會(huì)不再使用齒輪箱這一環(huán)節(jié)，這樣就會(huì)減少系統(tǒng)的整體體積，最重要的是能夠在一定程度上提高系統(tǒng)的效率。也正是由于永磁無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，無(wú)勵(lì)磁損耗、效率高等特點(diǎn)，使得永磁無(wú)刷電機(jī)非常適合高速的場(chǎng)合。

2　高速永磁無(wú)刷電機(jī)的應(yīng)用

2.1在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用

現(xiàn)階段汽車行業(yè)的發(fā)展是推動(dòng)整個(gè)社會(huì)現(xiàn)代化進(jìn)程的一個(gè)非常重要的動(dòng)力源泉，但是汽車工業(yè)的快速發(fā)展和它對(duì)環(huán)境的污染速度是成正比的，尤其在我國(guó)特別明顯，汽車行業(yè)的市場(chǎng)日益擴(kuò)大，環(huán)境污染和能源消耗的問(wèn)題就越來(lái)越嚴(yán)重，因此，電動(dòng)汽車逐漸受到了人們的廣泛關(guān)注，而電動(dòng)汽車當(dāng)中的電機(jī)應(yīng)該具備較高的轉(zhuǎn)速，高啟動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，而且要在較大功率的范圍內(nèi)始終能夠保持很高的效率。而永磁無(wú)刷電機(jī)就具有上述的特點(diǎn)，因此它也受到了廣大汽車行業(yè)研究者的關(guān)注和研究，目前已經(jīng)在一些電動(dòng)汽車中得到了實(shí)際的應(yīng)用。

2.2在分布式發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前主要的電力能源生產(chǎn)和分配的方式是集中發(fā)電以及遠(yuǎn)距離輸電，但是這種輸電的方式在我國(guó)的電力系統(tǒng)分配當(dāng)中是存在一定缺陷的，造成這種情況的主要原因是因?yàn)槲覈?guó)的面積非常廣闊，因此我國(guó)能源的分布形式也是非常不均勻的，而且不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況也是有著很大的差異，這樣也就造成了我國(guó)電力輸送的成本增加的情況，所以在生產(chǎn)和使用的時(shí)候就出現(xiàn)了不平衡的現(xiàn)象，針對(duì)現(xiàn)階段的這種情況，能夠有效解決這一問(wèn)題的方法就是使用分布式發(fā)電供電系統(tǒng)來(lái)作為一個(gè)輔助系統(tǒng)，這一輔助系統(tǒng)主要是由內(nèi)燃機(jī)以及儲(chǔ)能裝置等構(gòu)成的，而我們所說(shuō)的高速永磁無(wú)刷電機(jī)的效率是非常高的，而且在實(shí)際的運(yùn)行當(dāng)中也體現(xiàn)了其可靠性的一面，非常適合中小型高速發(fā)電機(jī)的使用，這也使得高速永磁無(wú)刷電機(jī)在分布式發(fā)電供電系統(tǒng)當(dāng)中顯示了其價(jià)值，使其有了更加廣闊的應(yīng)用空間。

3　高速永磁無(wú)刷電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問(wèn)題

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)按照永磁體安裝的方式可以分為三種，一種是安心永磁體結(jié)構(gòu)，第二種是永磁體表貼式，第三種是永磁體內(nèi)嵌式。一般永磁體實(shí)心結(jié)構(gòu)是將永磁材料制成一個(gè)圓柱的形狀，利用高強(qiáng)度非導(dǎo)磁鋼護(hù)套通過(guò)盈配合將永磁體整體包裹起來(lái)，這種結(jié)構(gòu)是沒(méi)有軸的，因此需要將永磁體護(hù)套與芯軸焊接在一起來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩。永磁體要采用整體結(jié)構(gòu)平行充磁，因此具有較好的電磁特性。而永磁體表貼式結(jié)構(gòu)可以做成一個(gè)整體的環(huán)形空心形狀，當(dāng)采取這種結(jié)構(gòu)的時(shí)候，永磁體可以采用平行充磁的方式。永磁體內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)是將永磁體整個(gè)埋入了鐵芯的內(nèi)部，這樣整體的結(jié)構(gòu)就會(huì)非常的堅(jiān)固，也就能夠承受高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所出現(xiàn)的離心力。

實(shí)心永磁體結(jié)構(gòu)和永磁體表貼式結(jié)構(gòu)都具有非常好的機(jī)械對(duì)稱性，可是由于永磁材料能夠承受的拉應(yīng)力是有限的，所以工作人員在運(yùn)用的過(guò)程當(dāng)中，為了能夠有效地防止永磁體在高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)破壞的情況，工作人員就在永磁體的外層加了一個(gè)保護(hù)的措施，現(xiàn)階段在這一領(lǐng)域能夠使用的最有效的措施主要有兩種，一種是碳纖維捆綁式，另一種是外部金屬護(hù)套式，碳纖維的厚度相對(duì)較小，而且它的導(dǎo)電性也是非常差的，所以不會(huì)產(chǎn)生高頻渦流方面的損耗。但是它還是有一定的缺點(diǎn)，比如說(shuō)碳纖維的散熱性能較差，轉(zhuǎn)子不容易散熱，有的時(shí)候?yàn)榱诉_(dá)到屏蔽諧波的目的，還會(huì)在捆綁的內(nèi)部增加一層銅屏蔽層，這樣又在一定程度上增加了工作的難度。而非導(dǎo)磁金屬護(hù)套則具有非常好的導(dǎo)電性能，因此它可以有效地屏蔽高次的諧波，最重要的是它的導(dǎo)熱性能也非常好，利于轉(zhuǎn)子的散熱，但是它也是存在一個(gè)不足，就是它的金屬材料價(jià)格相當(dāng)昂貴。

4　高速永磁無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)

永磁無(wú)刷電機(jī)如果是按照反電勢(shì)波形會(huì)分為無(wú)刷電機(jī)和正弦波無(wú)刷電機(jī)，正弦無(wú)刷電機(jī)是由交流電進(jìn)行供電的，而永磁同步電機(jī)則是由電勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)展過(guò)來(lái)的，它用永磁代替了之前的電勵(lì)磁同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)也按照永磁體的安裝形式分為實(shí)心轉(zhuǎn)子式和內(nèi)嵌式，而對(duì)于永磁無(wú)刷電機(jī)來(lái)說(shuō)，其矢量的目的就是為了將永磁同步電機(jī)近似地看成電流電機(jī)控制，一般情況下，都是開展控制電機(jī)外部的系統(tǒng)來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制的，其實(shí)矢量控制是利用了空間矢量變換的方法對(duì)定子電流進(jìn)行相應(yīng)的解耦，最終實(shí)現(xiàn)解耦控制。

［1］沈建新.氣隙磁場(chǎng)波形及磁瓦充磁方式對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)性能的影響［J］.微特電機(jī)，2006，（06）：28-29.

［2］周風(fēng)爭(zhēng)，王凱.轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)高速無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42（9）：1588，1590.

High-speed permanent magnet motor design and control system of brushless

ZHENG Rui-peng
（Safety Center of Ministry of Environmental Protection Nuclear and Radiation，Beijing100000，China）

TM355

A

1674-8646（2015）02-0044-02