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永磁同步电动机的应用与研究

谭茀娃金如麟

谭茀娃女士,上海交通大学教授;金如麟先生,教授。

关键词:永磁同步电动机极槽比低速转矩波动分数槽绕组内置式永磁体


节能和环保是国家既定国策,为永磁同步电动机(以下简称 PMSM)及其系统的应用与研究带来蓬勃
发展生机。高性能低成本的钕铁硼永磁材料、全控型的电力电子器件,尤其是 IGBT 的广泛应用为 PMSM
及各种专用的高性能变频装置奠定了物质基础。磁场定向矢量变换控制理论与 DSP 快速数字信号处理
器又为 PMSM 系统奠定了技术基础。PMSM 的应用除可获得高的综合节能效果,还可满足以下特殊需
求:大起动转矩和最大转矩、低速直接驱动、多极高功率因数、高功率密度和运动控制系统的需求,
显示出异步电动机系统无法比拟的优点。

一低速时转矩波动的原因

采用磁场定向控制技术的 PMSM 具有和直流电动机一样优良的线性转矩控制特性,若控制定子电
流直轴分量 id=0 时,其电磁转矩为:
Te=kΨfis (1)
式中
Ψf—定子磁链
is—定子电流矢量的模
k—常数
但由于变频器供电的非正弦性,以及随着气隙磁密不断增大所带来的定位转矩和齿槽转矩,影响
了 PMSM 的低速性能和定位精确度,在有些需要调速范围高达 100000∶1,低速转矩波动小于 1~2%
的应用场合,更必须加以克服。
因为钕铁硼永磁材料的导磁率与空气的导磁率相近,为了充分利用磁钢,有时极弧系数选取较大,
从而较难保证主极磁场在空间按正弦规律分布,从而使各相感应电动势中存在着 3、5、7、11、13 次
等高次谐波。此外,虽经 PWM 调制,变频器电流仍难免有谐波存在,由于定子采用 Y 连接,且无中
线,因此变频器电流主要谐波次数为 5、7、11 等次。
理论推导可得
Tem=T0+T6COS6ω1t+T12COS12ω1t+T18COS18ω1t+T24COS24ω1t+……(2)
⎡T0 ⎤⎡ m1 EE m5 E m7 E m11 ⎤⎡Im1 ⎤
⎢⎥⎢⎥⎢⎥
T 3 −−−− EEEEEEEE I
⎢ 6 ⎥= ⎢ m7 m5 m11 m1 m13 m1 m17 m5 ⎥⎢ m6 ⎥(3)
⎢T12 ⎥ 2Ω⎢ m13 − m11 m17 − m7 m13 − m5 m23 − EEEEEEEE m1 ⎥⎢Im7 ⎥
⎢⎥⎢⎥⎢⎥
⎣T18 ⎦⎣ m19 − m17 m23 − m13 m25 − m11 m29 − EEEEEEEE m7 ⎦⎣Im11 ⎦
式中Em1、Em5、Em7、Em11、Em13……分别代表基波和 5、7、11、13 次等高次谐波感应电动势幅值;
Im1、Im5、Im7、Im11分别代表基波和 5、7、11 次等高次谐波电流幅值;Ω为转子的机械角速度。
从式(2)可见,电磁转矩中含有频率为基波频率 6 倍的纹波转矩。
从式(3)可见,纹波转矩的脉动幅值与反电动势和定子电流偏离正弦的程度有关,故应尽量减小定
子电流和反电动势中 5、7、11 和 13 次等较低次谐波的幅值。
目前采用快速电流跟踪控制的变频器,在开关频率许可范围内,已尽量减小电流