高速永磁無刷電機設計與控制系統研究

鄭睿鵬（環境保護部核與輻射安全中心，北京100000）

高速永磁無刷電機設計與控制系統研究

鄭睿鵬
（環境保護部核與輻射安全中心，北京100000）

永磁無刷電機具有結構簡單、無勵磁損耗、效率高等特點，適合高速場合。目前，高速永磁無刷電機已經在一些電動汽車中得到實際應用，并且在分布式發電供電系統中顯示了其價值和重要性。通過對高速永磁無刷電機設計的關鍵性問題的探討、對高速永磁無刷電機控制系統的研究得出，高速電機的轉速非常高，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，這些特征使得它在工業領域受到了廣泛的關注和應用。

高速；永磁無刷；電機設計；控制系統；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　高速永磁無刷電機

高速電機的轉速非常高，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，這些特征使得它在工業領域受到了廣泛的關注和應用，比如說高速磨床高速飛輪儲能系統以及在污水處理中采用的高速離心壓縮鼓風機，這些都是高速電機在各個應用領域的具體體現。在之前的電機運行中，如果人們想要得到較高的轉速輸出，就要先將之前的電機齒輪箱的變速達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，而且會出現很大的噪音，其使用的壽命也不是很長，因此齒輪箱會在一定的使用時間內降低系統的整體效率，但是如果我們使用高速電機，就會不再使用齒輪箱這一環節，這樣就會減少系統的整體體積，最重要的是能夠在一定程度上提高系統的效率。也正是由于永磁無刷電機的結構非常簡單，無勵磁損耗、效率高等特點，使得永磁無刷電機非常適合高速的場合。

2　高速永磁無刷電機的應用

2.1在電動汽車中的應用

現階段汽車行業的發展是推動整個社會現代化進程的一個非常重要的動力源泉，但是汽車工業的快速發展和它對環境的污染速度是成正比的，尤其在我國特別明顯，汽車行業的市場日益擴大，環境污染和能源消耗的問題就越來越嚴重，因此，電動汽車逐漸受到了人們的廣泛關注，而電動汽車當中的電機應該具備較高的轉速，高啟動的轉矩，而且要在較大功率的范圍內始終能夠保持很高的效率。而永磁無刷電機就具有上述的特點，因此它也受到了廣大汽車行業研究者的關注和研究，目前已經在一些電動汽車中得到了實際的應用。

2.2在分布式發電系統中的應用

目前主要的電力能源生產和分配的方式是集中發電以及遠距離輸電，但是這種輸電的方式在我國的電力系統分配當中是存在一定缺陷的，造成這種情況的主要原因是因為我國的面積非常廣闊，因此我國能源的分布形式也是非常不均勻的，而且不同地區的經濟發展情況也是有著很大的差異，這樣也就造成了我國電力輸送的成本增加的情況，所以在生產和使用的時候就出現了不平衡的現象，針對現階段的這種情況，能夠有效解決這一問題的方法就是使用分布式發電供電系統來作為一個輔助系統，這一輔助系統主要是由內燃機以及儲能裝置等構成的，而我們所說的高速永磁無刷電機的效率是非常高的，而且在實際的運行當中也體現了其可靠性的一面，非常適合中小型高速發電機的使用，這也使得高速永磁無刷電機在分布式發電供電系統當中顯示了其價值，使其有了更加廣闊的應用空間。

3　高速永磁無刷電機設計的關鍵性問題

轉子結構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構，第二種是永磁體表貼式，第三種是永磁體內嵌式。一般永磁體實心結構是將永磁材料制成一個圓柱的形狀，利用高強度非導磁鋼護套通過盈配合將永磁體整體包裹起來，這種結構是沒有軸的，因此需要將永磁體護套與芯軸焊接在一起來傳遞轉矩。永磁體要采用整體結構平行充磁，因此具有較好的電磁特性。而永磁體表貼式結構可以做成一個整體的環形空心形狀，當采取這種結構的時候，永磁體可以采用平行充磁的方式。永磁體內嵌式結構是將永磁體整個埋入了鐵芯的內部，這樣整體的結構就會非常的堅固，也就能夠承受高速運轉時所出現的離心力。

實心永磁體結構和永磁體表貼式結構都具有非常好的機械對稱性，可是由于永磁材料能夠承受的拉應力是有限的，所以工作人員在運用的過程當中，為了能夠有效地防止永磁體在高速旋轉的時候不會出現破壞的情況，工作人員就在永磁體的外層加了一個保護的措施，現階段在這一領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套式，碳纖維的厚度相對較小，而且它的導電性也是非常差的，所以不會產生高頻渦流方面的損耗。但是它還是有一定的缺點，比如說碳纖維的散熱性能較差，轉子不容易散熱，有的時候為了達到屏蔽諧波的目的，還會在捆綁的內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。而非導磁金屬護套則具有非常好的導電性能，因此它可以有效地屏蔽高次的諧波，最重要的是它的導熱性能也非常好，利于轉子的散熱，但是它也是存在一個不足，就是它的金屬材料價格相當昂貴。

4　高速永磁無刷電機控制系統

永磁無刷電機如果是按照反電勢波形會分為無刷電機和正弦波無刷電機，正弦無刷電機是由交流電進行供電的，而永磁同步電機則是由電勵磁同步電機發展過來的，它用永磁代替了之前的電勵磁同步電機，其轉子的結構也按照永磁體的安裝形式分為實心轉子式和內嵌式，而對于永磁無刷電機來說，其矢量的目的就是為了將永磁同步電機近似地看成電流電機控制，一般情況下，都是開展控制電機外部的系統來對電機進行控制的，其實矢量控制是利用了空間矢量變換的方法對定子電流進行相應的解耦，最終實現解耦控制。

［1］沈建新.氣隙磁場波形及磁瓦充磁方式對無刷直流電動機性能的影響［J］.微特電機，2006，（06）：28-29.

［2］周風爭，王凱.轉子結構對高速無刷電機轉子渦流損耗的影響［J］.浙江大學學報，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