新型混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)用于 電梯門(mén)機(jī)系統(tǒng)的分析與仿真

檀 昊

（武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，武漢 430019）

1 引言

隨著節(jié)能環(huán)保理念的深入人心，越來(lái)越多的電梯生產(chǎn)廠商重視電梯節(jié)能技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，越來(lái)越多的用戶選擇節(jié)能型電梯。電梯除了曳引機(jī)，還有門(mén)機(jī)。因此，門(mén)機(jī)也是電梯節(jié)能的突破口。然而節(jié)能不應(yīng)以犧牲性能為代價(jià)，新型混合勵(lì)磁高速稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)）以其節(jié)能且高性能的特點(diǎn)，是電梯門(mén)機(jī)系統(tǒng)理想的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

電梯門(mén)機(jī)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)門(mén)電動(dòng)機(jī)的電氣控制，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)門(mén)的自動(dòng)調(diào)速功能。開(kāi)門(mén)時(shí)速度變化過(guò)程是：低速→加速至全速→減速→停機(jī)，之后靠慣性開(kāi)門(mén)到位；而關(guān)門(mén)時(shí)速度變化過(guò)程是：全速起動(dòng)→一級(jí)減速→二級(jí)減速→停機(jī)，慣性運(yùn)行至關(guān)門(mén)到位[1]。不難看出，這要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)有較寬的調(diào)速范圍。本文所述的混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)是指同時(shí)采用稀土永磁勵(lì)磁和電流勵(lì)磁兩種勵(lì)磁方式。這種混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)的設(shè)計(jì)思想是：適當(dāng)降低無(wú)刷電機(jī)磁鋼充磁方向的厚度，使其能產(chǎn)生電機(jī)所需氣隙磁密的70%左右；同時(shí)增設(shè)勵(lì)磁線圈，使其能產(chǎn)生30%左右的增磁、或去磁磁通。混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)的控制策略是：電機(jī)在基速以下調(diào)速時(shí)，勵(lì)磁線圈通入勵(lì)磁電流使其產(chǎn)生增磁磁通；電機(jī)在基速以上調(diào)速時(shí)，勵(lì)磁線圈不通入勵(lì)磁電流，或通入勵(lì)磁電流使其產(chǎn)生去磁磁通[2]。

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)電想，本文對(duì)混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行了磁路建模和分析，以確認(rèn)勵(lì)磁線圈的增磁和去磁能力，并構(gòu)建了基于磁路模型的電機(jī)仿真模型。在此基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)刷電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)能很好地滿足電梯門(mén)機(jī)系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)速要求。

2 磁路分析

圖1為混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。轉(zhuǎn)子磁極采用徑向充磁，考慮到釹鐵硼永磁材料有很高的矯頑力，充磁方向厚度比普通同容量無(wú)刷電機(jī)有所減小，以降低電流勵(lì)磁的勵(lì)磁磁阻。轉(zhuǎn)子磁極下開(kāi)槽用于嵌放勵(lì)磁線圈，勵(lì)磁電流通過(guò)轉(zhuǎn)軸上的滑環(huán)等構(gòu)件送入。圖中所示的勵(lì)磁磁通與永磁磁通方向相反，即電流勵(lì)磁磁通起去磁作用，顯然，改變勵(lì)磁電流的方向，電流勵(lì)磁磁通則起增磁作用。

圖1 混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于采用釹鐵硼磁鋼、徑向磁化結(jié)構(gòu)的稀土永磁電機(jī)，為了簡(jiǎn)化分析，一般不考慮電樞磁動(dòng)勢(shì)的影響；同時(shí)不考慮磁路飽和，即假定電機(jī)主磁路的等效磁導(dǎo)恒定。

這里利用解析法求解等效磁路[3]。對(duì)于混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)的磁路分析，可以分別建立僅有永磁勵(lì)磁（不加勵(lì)磁線圈）作用下的等效磁路和僅有勵(lì)磁線圈勵(lì)磁（不加磁鋼）作用下的等效磁路，然后分別計(jì)算兩個(gè)等效磁路的氣隙磁通，最后疊加得到氣隙合成磁通[4]。圖2、圖3是僅有永磁作用下的磁路分析模型和等效磁路，圖4、圖5是僅有勵(lì)磁線圈作用下的磁路分析模型和等效磁路。

圖2 磁鋼作用時(shí)轉(zhuǎn)子磁路分析模型

圖3 磁鋼作用時(shí)轉(zhuǎn)子磁路等效磁路

圖4 勵(lì)磁線圈作用時(shí)轉(zhuǎn)子磁路分析模型

圖5 勵(lì)磁線圈作用時(shí)轉(zhuǎn)子磁路等效磁路

上圖中，F(xiàn)M、Ff分別為磁鋼磁動(dòng)勢(shì)和勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)；Φ′M、Φ″M分別為磁鋼所產(chǎn)生的總磁通和勵(lì)磁線圈通入勵(lì)磁電流后的總磁通；Φ′δ、Φ″δ分別為磁鋼所產(chǎn)生的氣隙有效磁通和勵(lì)磁線圈通入勵(lì)磁電流后所產(chǎn)生的氣隙磁通；Φsm、Φsf分別為磁鋼作用時(shí)的漏磁通和勵(lì)磁線圈作用時(shí)的漏磁通；G'δ、G〃δ分別為磁鋼作用時(shí)電機(jī)主磁路的等效磁導(dǎo)和勵(lì)磁線圈作用時(shí)電機(jī)主磁路的等效磁導(dǎo)；Gsm、Gsf分別為磁鋼作用時(shí)的總漏磁導(dǎo)和勵(lì)磁線圈作用時(shí)的總漏磁導(dǎo)；G01為磁鋼的內(nèi)磁導(dǎo)。

磁路計(jì)算的有關(guān)數(shù)據(jù)有：混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)為36槽40極，磁鋼為NdFeB永磁材料，充磁方向厚hM=2.0 mm，Br=1250×10-3T，Hc=9070 A/cm，氣隙δ=0.8 mm，勵(lì)磁線圈匝數(shù)Nf= 50匝，最大勵(lì)磁電流If=3A。

求解圖3所示的等效磁路，得磁鋼作為磁源時(shí)所產(chǎn)生的氣隙有效磁通Φ′δ=2.55×10-4Wb；求解圖5 所示的等效磁路，得勵(lì)磁線圈通入最大勵(lì)磁電流后所產(chǎn)生的氣隙磁通Φ″δ=6.909×10-5Wb。于是有：

（1）當(dāng)通入勵(lì)磁線圈的勵(lì)磁電流起去磁作用時(shí)，氣隙合成磁通為

（2）當(dāng)通入勵(lì)磁線圈的勵(lì)磁電流起增磁作用時(shí)，氣隙合成磁通為

可見(jiàn)，勵(lì)磁線圈所產(chǎn)生的勵(lì)磁磁通可以使氣隙磁通增大，或減小27.1%左右，與前述設(shè)計(jì)思想基本吻合。

3 仿真模型

采用Matlab建立混合勵(lì)磁速系統(tǒng)的仿真模型，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行仿真研究。

根據(jù)無(wú)刷電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以建立其電壓、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)等仿真模塊。由于這些模塊已很成熟，在此不作累述，參見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

對(duì)于混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)，本文提出在無(wú)刷電機(jī)原有的仿真模型中加入勵(lì)磁模塊，構(gòu)建混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)的所謂“雙路”（磁路與電路）仿真模型，這樣可以在其仿真分析時(shí)直接研究勵(lì)磁電流的作用。混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)的勵(lì)磁模塊如圖6所示。

圖6 混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)的勵(lì)磁模塊

將勵(lì)磁模塊加入無(wú)刷電機(jī)原有的仿真模型，同時(shí)加入觸發(fā)信號(hào)模塊和逆變器模塊，得到混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)的仿真模型，如圖7所示。

4 仿真結(jié)果

混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)仿真有關(guān)數(shù)據(jù)：額定電壓UN=48V，額定轉(zhuǎn)速nN=300r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=6N?m，極對(duì)數(shù)p=20，定子每相繞組電阻R=1.5Ω，定子每相繞組電感L=3.72mH，互感M=2.9037mH，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.006kg?m2。

圖7 混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)的仿真模型

當(dāng)勵(lì)磁線圈不通入勵(lì)磁電流的情況下，對(duì)無(wú)刷電機(jī)的定子相電流、電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真，其波形見(jiàn)圖8、9、10所示；當(dāng)勵(lì)磁線圈通入勵(lì)磁電流If= ±3 A，仿真得到其去磁和增磁時(shí)無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波形，見(jiàn)圖11、圖12。

圖8 相電流仿真波形

圖9 轉(zhuǎn)矩仿真波形

圖10 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速仿真波形

圖11 增磁后的轉(zhuǎn)速仿真波形

圖12 去磁后的轉(zhuǎn)速仿真波形

當(dāng)混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)勵(lì)磁線圈通入勵(lì)磁電流（If=3A），勵(lì)磁磁通起增磁作用，此時(shí)氣隙磁通為額定磁通，電機(jī)為額定轉(zhuǎn)速nN=300r/min，見(jiàn)圖11；當(dāng)勵(lì)磁線圈未通入勵(lì)磁電流（If=0），僅磁鋼產(chǎn)生氣隙磁通，比額定磁通下降約30%，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升至400r/min，見(jiàn)圖10；當(dāng)無(wú)刷電機(jī)勵(lì)磁線圈通入勵(lì)磁電流（If=-3A），勵(lì)磁磁通起去磁作用，此時(shí)氣隙合成磁通比額定磁通下降約60%，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升至500 r/min，見(jiàn)圖12。

電梯門(mén)機(jī)處于低速起動(dòng)時(shí)，勵(lì)磁線圈通入3A 勵(lì)磁電流，勵(lì)磁磁通起增磁作用，混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)達(dá)到額定氣隙磁通，使電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩增大，電機(jī)可靠起動(dòng)，之后勵(lì)磁線圈不通入，或通入-3A 勵(lì)磁電流，勵(lì)磁磁通起去磁作用，使電機(jī)弱磁升速，此時(shí)無(wú)刷電機(jī)最高轉(zhuǎn)速達(dá)500r/min。反之，則是減速過(guò)程。由此可見(jiàn)，仿真結(jié)果與前述混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)控制策略是符合的。

需要說(shuō)明的是，本文所做的仿真分析并沒(méi)有考慮勵(lì)磁線圈中勵(lì)磁電流的暫態(tài)過(guò)程。

5 結(jié)論

對(duì)于合理設(shè)計(jì)的混合勵(lì)磁無(wú)刷電機(jī)，通過(guò)改變通入勵(lì)磁線圈勵(lì)磁電流的大小和方向，可以在一定范圍內(nèi)改變無(wú)刷電機(jī)的氣隙磁通，進(jìn)而拓寬無(wú)刷電機(jī)的調(diào)速范圍，能很好地滿足電梯門(mén)機(jī)系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)速要求。而且此系統(tǒng)還具有體積小、重量輕、能耗低、效率高、特性強(qiáng)、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，。雖然目前永磁同步電機(jī)和異步電機(jī)還是占據(jù)著主導(dǎo)地位，但是鑒于永磁無(wú)刷直流電機(jī)的種種優(yōu)點(diǎn)，相信在未來(lái)的門(mén)電動(dòng)機(jī)市場(chǎng)中，永磁無(wú)刷直流電機(jī)占據(jù)的份額肯定會(huì)越來(lái)越多。

[1] 葉安麗.電梯控制技術(shù)(第2版).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.7.

[2] Rahman,F.; Dutta,R..A new rotor design of interior permanent magnet machine suitable for wide speed range.Industrial Electronics Society,2003.IECON '03.The 29th Annual Conference of the IEEE，2003，2-6 Nov：699-704.

[3] 唐任遠(yuǎn) 等著.現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[4] 李新華,李朗如.單相永磁同步電動(dòng)機(jī)磁路計(jì)算[J].微特電機(jī),1993(2).

[5] 楊浩東,李榕,劉衛(wèi)國(guó).無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其仿真[J].微電機(jī),2003,36(4)：8-10.