[align=left] 高速電機(jī)具有體積小、重量輕、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于高速負(fù)載，用高速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)可以省去機(jī)械傳動(dòng)裝置，避免了傳動(dòng)裝置引起的損耗、機(jī)械振動(dòng)與噪聲，從而使設(shè)備體積減小，運(yùn)行效率和運(yùn)行精度得以提高。高速電機(jī)在主軸、電動(dòng)工具、泵、高速壓縮機(jī)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外普遍采用感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行高速直接驅(qū)動(dòng)，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但轉(zhuǎn)子損耗大、效率低、壽命短，同時(shí)存在轉(zhuǎn)差，穩(wěn)速困難。方波驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)采用電勢(shì)換向、鎖相控制，雖然去掉了傳感器，但諧波損耗大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大，一般僅用于小功率驅(qū)動(dòng)。永磁同步電機(jī)具有效率高、噪音低、運(yùn)行可靠、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、控制特性良好等優(yōu)點(diǎn)，最適合高速運(yùn)行，但傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)需要轉(zhuǎn)子位置傳感器。而高速電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)子要求有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，因此高速電機(jī)的結(jié)構(gòu)較一般電機(jī)更為緊湊，盡可能把轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)得短一些，以提高其剛度，這樣要在高速電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝位置傳感器，無(wú)論從電機(jī)結(jié)構(gòu)上考慮還是傳感器的裝配與調(diào)試都有較大的難度。利用電機(jī)的三相電壓或電流來(lái)估算電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，但由于相電壓上疊加有較大的PWM載波，給濾波帶來(lái)一定的困難，且控制回路與主回路電氣隔離較難實(shí)現(xiàn)。 本文以一臺(tái)30,000r/min、3.3kW的高速永磁同步電機(jī)為例，對(duì)高速永磁同步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。并采用了一種新型簡(jiǎn)易轉(zhuǎn)子位置傳感方法，即采用一個(gè)鎖定型霍爾元件作為傳感器。通過(guò)對(duì)位置信號(hào)的轉(zhuǎn)化和補(bǔ)償，可以得到高精度的轉(zhuǎn)子信號(hào)。同時(shí)，轉(zhuǎn)速信可以從位置信號(hào)處理電路中得到?；谶@種位置傳感方法，采用CRPWM電流控制法實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)定向矢量控制。 電磁設(shè)計(jì) 由于采用電子換向和變頻電源供電，無(wú)刷直流電機(jī)在極數(shù)的選擇上有較大的余地。但電機(jī)定子繞組中的電流頻率為: f＝pn／60 （1） 式中n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速;p為極對(duì)數(shù)。 可見(jiàn)，對(duì)于給定的轉(zhuǎn)速來(lái)說(shuō)，極數(shù)越多，定子電流的交變頻率越高，這會(huì)增加定子鐵心的鐵耗與定子繞組的銅耗，且有輸出頻率的升高，脈寬調(diào)制的載波比將減小，定子電流諧波將增加，這又會(huì)增加定轉(zhuǎn)子損耗。但2p=2時(shí)，定轉(zhuǎn)子軛部磁密較高，且繞組端部較長(zhǎng)。 定子繞組如果采用整數(shù)槽，往往會(huì)出現(xiàn)較大的齒槽定位力矩，影響電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的低速性能。由于加工條件所限，電機(jī)又不易采用斜槽或斜極。為了減少定位力矩，同時(shí)為了減少空載反電勢(shì)中的齒諧波，本文采用分?jǐn)?shù)槽分布繞組。 綜合上述因素，取極數(shù)2p=4，定子槽數(shù)為18，每極每相槽數(shù)q=1.5。 為了安裝方便，電機(jī)采用徑向磁路表面磁鋼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，磁鋼采用高磁能積的釹鐵硼永磁材料，瓦形磁鋼粘貼于轉(zhuǎn)子表面，極弧系數(shù)α＝1。電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 [/align] 在高速永磁同步電機(jī)中，隨著供電頻率的升高，高頻鐵損的影響也將增大，為減少鐵損，同時(shí)為避免磁路飽和，氣隙磁密不易取得過(guò)高，本文設(shè)計(jì)的電機(jī)的氣隙磁密為0.5T。 本文研究的高速同步電機(jī)的相反電勢(shì)波形及其頻譜圖如圖2、圖3所示。從頻譜圖可以看出，反電勢(shì)中主要存在3次諧波，但由于采用三相半橋無(wú)中線(xiàn)逆變驅(qū)動(dòng)電路，線(xiàn)電勢(shì)中無(wú)3的倍數(shù)次諧波，不會(huì)產(chǎn)生3次諧波電流;反電勢(shì)中同時(shí)存在相對(duì)幅值小于1%的5次諧波，偶次諧波可能由于轉(zhuǎn)速不均勻和磁鋼材料不均勻產(chǎn)生的，其相對(duì)幅值小于5‰。 機(jī)械設(shè)計(jì) 高速電機(jī)中，不但選用的軸承要適合高速運(yùn)行，同時(shí)軸承檔與軸承室的配合要合適，不能太緊也不能太松，還應(yīng)對(duì)軸承施加一定的預(yù)緊力。 電機(jī)的轉(zhuǎn)子應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的動(dòng)平衡性，以避免高速運(yùn)行時(shí)離心力作用使轉(zhuǎn)子受到損壞。同時(shí)轉(zhuǎn)子表面要求光滑，以減少高速運(yùn)行時(shí)的噪聲和機(jī)械損耗。磁鋼外面用玻璃纖維帶綁扎，以加強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度。綁扎匝數(shù) 可以表示為: （2） 式中C為安全系數(shù);Z為離心力（kg）;FT為綁扎帶的強(qiáng)度（kg）。 轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè) 在永磁同步電機(jī)中，在定子適當(dāng)位置安放一個(gè)霍爾元件，轉(zhuǎn)子勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件就會(huì)輸出一個(gè)上升沿和下降沿與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度B0的過(guò)零點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的方波信號(hào)，將方波信號(hào)處理后，便得到數(shù)字式的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)θ，用這個(gè)數(shù)字量去查表，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和放大后即得正弦波參考電壓，如圖4所示。本文采用了文獻(xiàn)[5] 提出的位置轉(zhuǎn)換電路，霍爾的輸出與實(shí)際轉(zhuǎn)子位置的相差可得到補(bǔ)償。同時(shí)，超前角也可設(shè)定。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 本文采用CRPWM實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)定向適量控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。高速同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由高速永磁同步電機(jī)（PMSM）、起動(dòng)電路、霍爾傳感器位置信號(hào)轉(zhuǎn)換和補(bǔ)償及測(cè)速電路、三相電流指令合成電路、電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器、SPWM電路和功率驅(qū)動(dòng)部分構(gòu)成。 由于該電機(jī)沒(méi)有自起動(dòng)能力，必須設(shè)計(jì)起動(dòng)電路。本文研究的系統(tǒng)采用同步起動(dòng)方式，為此設(shè)計(jì)了同步脈沖發(fā)生器，該起動(dòng)電路原理簡(jiǎn)單，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，起動(dòng)可靠。 忽略高次諧波，死區(qū)時(shí)間引起的偏差電壓可以等效為一個(gè)矩形波的偏差電壓，極性與電流方向相反。由于高速永磁同步電機(jī)的繞組電感很小，偏差電壓會(huì)在繞組中產(chǎn)生較大的諧波電流。為了抑制諧波電流，本文采用了死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)。為了進(jìn)一步控制電流，本文采用了比例電流調(diào)節(jié)器。 要實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向適量控制，應(yīng)該使Id=0。不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載條件下，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向矢量控制的最佳超前角可表示為: （3） 式中L、Ra為繞組相電感和相電阻;Ke為相電勢(shì)系數(shù);ωr為角頻率;Kp為電流比例調(diào)節(jié)器的增益;KS為SPWM逆變器等效增益;Kf為電流反饋系數(shù);Iq為相交軸電流。 試驗(yàn)結(jié)果 本文采用精密磁滯測(cè)功機(jī)對(duì)高速永磁同步電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在10000r/min和1.1Nm時(shí)測(cè)得的相電流波形如圖6所示，其頻譜見(jiàn)圖7。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，電流中低次諧波含量很小，所以低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很小;而由于電機(jī)繞組電感很小，PWM引起的高次諧波較大。 在10,000r/min時(shí)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率進(jìn)行了測(cè)試，輸出力矩為1.1Nm系統(tǒng)的效率達(dá)80%。 結(jié)語(yǔ) 本文設(shè)計(jì)的高速永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)可靠，適合高速運(yùn)行，并且線(xiàn)反電勢(shì)中諧波含量少。 采用一個(gè)鎖定型霍爾元件作為位置傳感器是可行的。速度信號(hào)可從轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的處理電路中獲得。 本文設(shè)計(jì)高速永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，由于采用了死區(qū)補(bǔ)償和比例電流調(diào)節(jié)器，繞組電流中低次諧波含量少，低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很小。