交流主軸電機的設計

李忠杰(合肥工業大學)

【摘  要】  分析交流主軸電機由于逆度器供電、矢量控制及寬廣的調逮范圍對電機性能的

影響。提出電動機與逆變器的匹配關系、額定電壓的正確選擇、參數特征等的設計原則。介紹了考慮逆變器輸出電壓中主要諧波含量時交流主軸電機的設計方法，并通過試制樣機得以驗證。

    【敘  詞】  ／交流主軸電機逆變器矢量控制／疊加原理

1引  言

  交流主軸系統的典型框圖如圖l所示，是一個基于微機控制速度閉環系統，主要是由轉矩／磁鏈解耦控制器(矢量控制器)、脈寬調制(pwm)發生器、逆變器、電流及速度反饋裝置構成的交流主軸伺服單元與交流主電機組成。交流主軸電機一般為寬調速鼠籠型感應電動機，調速比在1：100以上。本文主要討論與交流主軸伺服單元配套的交流主軸電機設計原則及方法，并通過試制樣機加以驗證。

2交流主軸電機的設計特點

2．1逆變器電源對電機性能的影響及計算

逆變器電源中一系列諧波電壓在電機繞組內產生諧波電流。對于k次諧波而言，電機總是處于滑差s_k=1的短路狀態，可按2所示的等值電路計算k次諧波電流。

2．1．2產生諧波損耗

    a．諧波銅耗。計算方法與基波相同，但應計及集膚引起定轉子電阻的增加。

 

式中m——電機的相數

    b．諧波鐵耗。各次諧波電流(與基波電流一樣)除產生一次諧波磁勢外，還產生高次空間諧波磁勢。這些高次空間諧波磁勢產生磁通也穿過氣隙進入轉子，并在定轉子鐵心中引起鐵耗，但其磁通甚微，設計時可以忽略。以下只計算由k次諧波電流空間基波磁通a產生的鐵耗。

式中  p10／50——對應50hz、1丁的損耗系數

  s——對應k磁通磁路截面積

  k_fc——鐵耗增大系數，可取2．5～3

  c．諧波雜散損耗。諧波電流可能引起較大的端部損耗及斜槽損耗，精確計算有困難，可按下式估算：

式中p．——對應基頻f_e時的額定功率考慮如上蘭方面損耗，較之正弦供電總損耗約增加20 。 

2．1．3產生諧波轉矩

    諧波電流產生磁勢在轉子中感應電流，產生諧波轉矩，不計諧波電流產生的空間諧波磁勢，則每次諧波磁勢產生附加平均轉矩可計算為:

式中p——電機極對數

    t₂₄——轉子k次諧波電流折合值

    有一種諧波轉矩是由不同次諧波電流產生一次諧波磁勢相互作用產生交變轉矩(亦稱脈動轉矩)，這種轉矩將有(k2—k)個，其中最嚴重的是基波電流產生的基波磁勢與各次諧波電流產生的一次諧波磁勢相互作用產生的轉矩，這種轉矩將有(k一1)個，可按下式計算:

式中r₁，l₁₁——定子電阻及電感

r₂，l₂₂——轉子折合到定子電阻及電感

式中e₂——基波電流磁勢的轉子感應電勢折合值

    ψ₂₄----e₂和轉子k次諧波電流，t2k間相位差

    由于脈動轉矩的存在，使得電機振動和噪聲增大。在轉速較低、電感較小、轉子電阻較大時，脈動轉矩可能引起電機旋轉不均勻。

2．2矢量控制模式對電機性能影晌及計算

    矢量控制模式通過矢量變換解耦，間接分別控制磁通和轉矩，本質上相當于把交流電動機動態控制簡化為他勵直流電動機的動態控制。矢量控制方法是把三相交流系統變一為正交的二相同步旋轉系統，且把基準坐標軸置予氣隙磁運軸線上，如圖3所示。