高效永磁同步驅動系統在太陽能動力飛機中的應用

王 真，戴 亮，王思遠，于 淼，張東寧

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

臨近空間太陽能動力飛機的目標要求實現升限28 000 m，續航時間3 個月以上。其環境指標主要有:環境溫度范圍一般為－70 ～+55℃;氣壓約為1.59 ～100 kPa，風速范圍為0 ～30 m。

由于臨近空間，太陽能動力飛機采用太陽電池及蓄電池供電，需要電機裝置實現較高的驅動效率以使電池的使用量降到最低，從而減輕系統重量;為增加太陽能飛機的有效載荷，還需要盡量減小電機裝置的重量;電機裝置的高效率化也能降低電機裝置的發熱，提高電機的使用壽命，使電機安全可靠運行。因此本文針對電機裝置的輕量化技術和高效率、高可靠技術進行研究。首先結合使用環境條件要求，通過分析各類電機的特性及各種結構的優缺點，采用有限元分析軟件對電動機本體進行了滿足高效電磁優化設計，設計出具有效率高、重量輕、可靠性高等特點的無刷直流電動機。并且針對所設計電動機的結構特點，采用了高效率的驅動控制方式，實現電機裝置的高效率控制。

1 基本結構和原理

1.1 永磁同步驅動系統基本結構

驅動系統主要結構形式如圖1 所示。

圖1 驅動系統主要結構

電機為組裝式結構，采用徑向磁路結構，其中驅動器與電機組裝為一體，確保整個系統體積緊湊、重量輕。

1.2 主要工作原理

系統原理如圖2 所示。

圖2 系統原理框圖

本電機為永磁同步電動機，電動機繞組安放在定子上，采用稀土永磁材料作為轉子。轉矩的獲得是通過驅動器改變電樞線圈電流在不同極下時的方向，從而使轉矩總是沿著一個固定的方向。電機采用三相六狀態的控制方式。

外部電源接入驅動器后，一路接到功率電路端，即由IGBT/MOSFET 組成的3 相半橋電路端;另一路送至驅動器內部的開關電源，產生控制電需要的5 V、15 V 電壓。在系統上電后，CPU 初始化后與上位機間進行串行通信，接收上位機的起動、停止、調速等指令，對電機按指令進行控制。并將電機的轉速，是否故障等狀態傳送到上位機。CPU 檢測電機電流、母線電壓等信號，對電機運行狀態是否正常進行判斷。

2 設計內容

針對太陽能預警偵查無人機螺旋槳對永磁同步驅動系統的要求，本文主要研制內容如下。

2.1 高效率電機技術設計及仿真技術

電機在把輸入的電功率轉換成輸出的機械功率的過程中，在電機內部要消耗一部分功率。消耗掉的功率將對電機造成兩個負面影響:降低了電機效率，損耗越大，效率越低;在電機內部消耗掉的功率最終將變成熱能，增加了電機本身的溫升，在一定的散熱條件下，損耗越多，電機本身的溫升越高。

一般情況下，制造電機所使用的有效材料越多，例如，銅、永磁體和硅鋼片等越多，電機的效率越高。但減輕電機重量可能會降低電動機效率，因此設計時必須綜合考慮電動機的損耗和效率問題。

電機本體內的損耗主要由電樞繞組內的電損耗(銅損)、電樞鐵心內的磁滯損耗和渦流損耗(鐵損)、機械損耗和附加損耗。下面分析研究在不增加電機重量的基礎上減少銅損和鐵損的方法。

(1)減少銅損，提高電機效率

減少電機銅損主要有兩個方法:一是通過對不同的極槽配合進行計算篩選，在提高繞組系數的同時減少端部電阻引起銅損;二是通過對電機定子沖片各個部分的磁密進行精確計算，在保證磁密不飽和的情況下增加槽面積，以便增加繞組截面積，減少繞組電阻，從而達到減少銅損的目的。

(2)減少鐵損提高電機效率

鐵損分為磁滯損耗和渦流損耗。根據經驗公式，磁滯損耗與磁密成線性關系，而渦流損耗與磁密的平方成線性關系，因此對電機進行有限元分析后再對結果進行研究，在保證定子槽面積的基礎上，調整局部尺寸，降低電機磁密，以達到減少鐵損的目的。同時，在控制方面，在保證電機電流可控的前提下，盡量降低開關頻率，從而減小鐵損。

本文采用18 齒16 極的齒槽結構設計(如圖3所示)，該設計的齒槽配合繞組系數較高，從而提高電機效率，電機仿真的磁密分布圖見圖4，從圖中可以看出電機各部分磁密分布較合理。同時針對螺旋槳運行要求計算出在不同電壓輸入條件下電機的轉速效率曲線(見圖5)與轉速功率曲線(見圖6)。在此基礎上確定電機的額定工作點為1 500 r/min，同時計算出在1 500 r/min 的額定轉速下，輸出功率為1 577 W，電機本體效率為92%。

圖3 電機結構圖

圖4 磁密分布圖

圖5 電機轉速與效率曲線

圖6 電機轉速功率曲線

本文對電機定子沖片槽形進行優化，通過合理分布各部分磁密，有效減少鐵損，并使磁密在不飽和的情況下增加槽面積，增加繞組截面積，減少繞組電阻，從而達到減少銅損的目的，并且在磁軛部分磁密較小處進行減重，如圖7 所示。同時對電機轉子沖片及磁鋼形狀進行分析，優化氣隙磁密分布，減少高次諧波，減小電機轉矩脈動。從圖7 中可以看出，電機采取優化后，電機的齒槽轉矩明顯減小，對降低電機轉矩脈動非常有利。

圖7 優化前后對比圖

2.2 一體化高效率驅動器設計

為了減輕重量，提高系統可靠性，將驅動器置于電機內部，實現系統一體化設計。功率模塊直接與電機機殼相連，省去了驅動器的散熱器，有效地降低了系統的重量。圖8 為硬件系統框圖。

圖8 硬件系統框圖

本文對整體效率的要求較高，除電機本體設計為高效率電機，還要求驅動器也具有較高的效率。本文從器件選擇與控制策略兩方面進行高效率設計。

驅動器的器件選擇方面:(a)由于驅動器在正常給電工作時，DC－DC 電源轉換模塊會一直給系統的弱電部分進行供電，所以需要選擇高效率的DC－DC 轉換模塊。(b)MOSFET 是系統的主要功率轉換器件，在實際的系統中，除考慮其散熱設計外，所選MOSFET 在驅動電機時的損耗決定了系統整體損耗的大小。因此在設計中選擇低開關損耗與低導通電阻的MOSFET。

驅動器控制策略方面:(a)MOSFET 的開關損耗與其開關頻率成正比，因此合理選擇MOSFET 的開關頻率，在保證電機電流可控的前提下，盡量降低開關頻率，可減小系統損耗。(b)系統在中高速區時采用方波控制策略，導通相的一相下橋常開，另一相上橋進行斬波調制。這樣可以使調制的MOSFET數最少，減少功率器件的開關損耗。

2.3 溫度控制設計技術

電機裝置在－70℃低溫情況下會有控制器電路不能正常工作以及電機潤滑油粘稠度高等問題。電機裝置在大負載運行時，可以依靠自身發熱量保持溫度，但電機裝置起動或者低速運轉時，自身發熱量不夠，因此需要對電機進行溫控。

通過在電機及驅動器上安裝低溫繼電器，當溫度低于最低運行溫度時，對裝置進行加熱。其中驅動器方面，驅動器的電子元器件工作溫度一般在－40℃以上，同樣需要將驅動器采用溫控的手段將其環境溫度控制在－40℃以上。本文采用溫度繼電器串聯加熱板，當溫度低于最低運行溫度時，繼電器打開，加熱電路工作，到達加熱上限值時，加熱電路停止工作。溫控效果圖如圖9 所示。當驅動器內部溫度低于－30℃時，加熱電路開始工作，當加熱到－10℃時停止加熱。由于控制器芯片儲存溫度大都在－55℃，因此要求在環境溫度低于－55℃時必須給控制器提供母線電壓。在電機運行時，若電機工作于低速區，正常驅動時電機的發熱量較小，不足以使驅動器環境溫度在－40℃以上;另一種可行的控制策略是調整電機的超前角，使其運行在低效率區，電機中的電流除產生轉矩外，也產生足夠的加熱功率，使電機本體和驅動器維持在能夠正常的工作溫度范圍內。

圖9 溫控效果圖

3 測試結果

本文對永磁同步驅動系統進行了測試。電動機額定功率1 500 W、額定轉矩9.55 N·m、輸入電壓110 V，電機實物圖如圖10 所示，電機反電勢測試波形如圖11 所示，其反電勢測試波形與仿真結果較為接近，正弦性較好，其結果與理論分析相符。

電機加載電流測試波形如圖12 所示。電流波形較好，與仿真波形較接近。在加載測試中，樣機轉速達到1 500 r/min 時對不同角度下的效率進行了測試，其具體結果如表1 所示，結果表明在超前角7°時，整體效率可達到87.1%(電機本體仿真計算效率為92%，驅動器效率約為96%、機械損耗為1%，可以得出電機系統計算效率為87.4%，因此計算值與實測值較為接近)。同時對永磁同步驅動系統進行了低溫條件下測試，在－70℃條件下，系統運行正常。

圖10 樣機實物圖

圖11 反電勢測試波形圖

圖12 電流測試波形圖

表1 1 500 r/min 時樣機不同超前角下的加載測試數據

4 結 語

本文采用電機與控制器的一體化結構設計使永磁同步驅動系統減小了體積，降低了系統的整體重量;使用合理的極槽配合并進行優化，提高了電動機的效率;采用溫控設計技術，使系統可以穩定運行在低溫環境下。

［1］ 陳伯時.電力拖動自動控制系統［M］.北京:機械工業出版社，1996.

［2］ 許實章.電機學［M］.北京:機械工業出版社，1992.

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