基于磁场分析的永磁无刷直流电动机动态仿真研究.pdf

圭粪幕毫华磊粟差叁 2006年学术年会论文集(微特电机专委套) 2 我国应重视永磁无刷电机的研究、开发和产业化 (1)我国改革开放后，经济得到了迅速发展，但是，是高消耗的粗放型经济发展，每生产价值一万美元 的商品，消耗的原材料是日本的7倍，美国的6倍，甚至比印度还高2倍。2004年我国对世界经济的总贡 献是4．3％，但是，我们消耗了全球30％的煤炭，27％的钢铁，25％的铝材和40％的水泥。我国已经成为 世界第二大能源消费国，能源消费约占世界的11％，石油对外依存度已超过40％，预计到2010年将达到 57％。为了落实科学发展观，党的十六届五中全会通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十 一个五年规划的建议》提出了“十一五”期末单位国内总产值能源消耗降低20％左右的目标，我国也提出 了建设节约型社会，国家发改委编制的中期能源节约规划中将永磁电机作为节能推广产品，因为电力的 60％左右消耗在电机上。因此我们应该积极加速各类永磁无刷电机的研究、开发和产业化。 (2)我国是稀土材料储藏大国，邓小平同志南巡讲话时指出“中东有石油，我国有稀土”，江泽民同志 视察包头时题词“搞好稀土开发应用，把资源优势转化为经济优势”。我们理应加强稀土永磁材料的应用 研究，提高稀土材料的性能，改变目前稀土材料低价出售的局面，将丰富的资源变成高科技产品，实现科 学发展观。 (3)我国除有稀土永磁材料丰富的优势外，还有永磁无刷电机人才资源，政府应制定相应的优惠政 策，实现政府推动下的产学研的联合，充分发挥各方面人才优势，进行联合开发、联合攻关，实现产业化， 一定能赶上世界永磁无刷电机先进技术水平，打造出有自主知识产权的各类永磁无刷电机品牌。 (4)我国使用的精密永磁交流伺服驱动控制系统绝大部份依赖进口，据不完全统计每年进口费用2 亿美元左右，我们有责任迅速实现各类永磁无刷电机产业化，形成真正的商品，替代进口，改变依赖进口 的局面，使我国不仅是微特电机生产大国，又是微特电机技术强国。’ 基于磁场分析的永磁无刷直流电动机动态仿真 上海大学章跃进江建中 永磁无刷直流电动机的运行分析通常需要动态仿真。仿真方法有两种，建立在等效电路参数基础上 的常规方法和场路耦合法。常规方法实现容易，但模型参数难以准确给定，影响仿真精度。严格地讲，电 机的电感是电流和转子位置的函数，在电机运行时，电感参数时变且非线性。场路耦合法考虑到这一因 素，在每一时刻将电机有限元方程和状态方程同时求解，随着时间和转子位置的变化，计算出电机新的磁 场值和电流值。 场路耦合法又称时步法，普遍采用的时步法是将电路方程和磁场方程直接耦合成一个总体方程，方 程中包括空间区域的离散和时间的离散，磁场和电流同步求解。场路耦合法计算精度高，但难度也高，计 算用时大幅增加。本文通过一种新的途径计算动态过程，首先通过磁场计算获得电机绕组的磁链函数， 为动态仿真作好数据准备；然后建立用磁链函数描述的电机非线性动态数学模型，利用预先得到的磁链 函数进行动态计算。这样将动态计算与磁场计算分开，避免难度颇高的两类计算相混合产生更复杂的局 面。该方法的实现关键是如何计算作为电流和转子位置函数的绕组磁链。本文用数值解析结合法计算 电机磁场。气隙区域用解析方程描述，这样气隙内没有网格剖分，转子能够灵活自由转动，为电机磁场的 连续计算创造了条件。精确的磁链函数模型为仿真精度提供了保证。动态计算独立进行，可以按需计算 变速或恒速动态过程，另一方面更能适应电路拓扑结构的变化，方法的通用性提高。 l 永磁无刷电机的非线性数学模型 电机定子绕组的电压方程式：“=Ri--FPC, (1) 屯 式中，电压向量翟=[‰‰虬]r；电流向量f=ri。 f。]T；磁链向量妒一[以咖 识]r；电阻矩阵R r =diagErrJ；上标T表示转置，下标口，b，f表示三相绕组；p--_d／dt，表示对时间的导数。 绕组端部漏磁链与饱和及转子位置无关，与之对应的端部漏电感为常数。因此将其从总磁链中分离 出来，并用下标Z表示，则磁链表达式为： ～64— 章跃进．江建中：基于磁场分析的永磁无刷直流电动机动态仿真