新型混合励磁无刷电机用于 电梯门机系统的分析与仿真

檀 昊

（武汉市特种设备监督检验所，武汉 430019）

1 引言

随着节能环保理念的深入人心，越来越多的电梯生产厂商重视电梯节能技术的研发与应用，越来越多的用户选择节能型电梯。电梯除了曳引机，还有门机。因此，门机也是电梯节能的突破口。然而节能不应以牺牲性能为代价，新型混合励磁高速稀土永磁无刷直流电动机（以下简称混合励磁无刷电机）以其节能且高性能的特点，是电梯门机系统理想的驱动电机。

电梯门机系统通过对开关门电动机的电气控制，实现开关门的自动调速功能。开门时速度变化过程是：低速→加速至全速→减速→停机，之后靠惯性开门到位；而关门时速度变化过程是：全速起动→一级减速→二级减速→停机，惯性运行至关门到位[1]。不难看出，这要求驱动电机应有较宽的调速范围。本文所述的混合励磁无刷电机是指同时采用稀土永磁励磁和电流励磁两种励磁方式。这种混合励磁无刷电机的设计思想是：适当降低无刷电机磁钢充磁方向的厚度，使其能产生电机所需气隙磁密的70%左右；同时增设励磁线圈，使其能产生30%左右的增磁、或去磁磁通。混合励磁无刷电机的控制策略是：电机在基速以下调速时，励磁线圈通入励磁电流使其产生增磁磁通；电机在基速以上调速时，励磁线圈不通入励磁电流，或通入励磁电流使其产生去磁磁通[2]。

为了验证上述设计电想，本文对混合励磁无刷电机进行了磁路建模和分析，以确认励磁线圈的增磁和去磁能力，并构建了基于磁路模型的电机仿真模型。在此基础上，对无刷电机的电流、转矩和转速等进行了仿真分析。仿真结果表明，混合励磁无刷电机能很好地满足电梯门机系统对驱动电机的调速要求。

2 磁路分析

图1为混合励磁无刷电机结构示意图。转子磁极采用径向充磁，考虑到钕铁硼永磁材料有很高的矫顽力，充磁方向厚度比普通同容量无刷电机有所减小，以降低电流励磁的励磁磁阻。转子磁极下开槽用于嵌放励磁线圈，励磁电流通过转轴上的滑环等构件送入。图中所示的励磁磁通与永磁磁通方向相反，即电流励磁磁通起去磁作用，显然，改变励磁电流的方向，电流励磁磁通则起增磁作用。

图1 混合励磁无刷电机结构示意图

对于采用钕铁硼磁钢、径向磁化结构的稀土永磁电机，为了简化分析，一般不考虑电枢磁动势的影响；同时不考虑磁路饱和，即假定电机主磁路的等效磁导恒定。

这里利用解析法求解等效磁路[3]。对于混合励磁无刷电机的磁路分析，可以分别建立仅有永磁励磁（不加励磁线圈）作用下的等效磁路和仅有励磁线圈励磁（不加磁钢）作用下的等效磁路，然后分别计算两个等效磁路的气隙磁通，最后叠加得到气隙合成磁通[4]。图2、图3是仅有永磁作用下的磁路分析模型和等效磁路，图4、图5是仅有励磁线圈作用下的磁路分析模型和等效磁路。

图2 磁钢作用时转子磁路分析模型

图3 磁钢作用时转子磁路等效磁路

图4 励磁线圈作用时转子磁路分析模型

图5 励磁线圈作用时转子磁路等效磁路

上图中，FM、Ff分别为磁钢磁动势和励磁磁动势；Φ′M、Φ″M分别为磁钢所产生的总磁通和励磁线圈通入励磁电流后的总磁通；Φ′δ、Φ″δ分别为磁钢所产生的气隙有效磁通和励磁线圈通入励磁电流后所产生的气隙磁通；Φsm、Φsf分别为磁钢作用时的漏磁通和励磁线圈作用时的漏磁通；G'δ、G〃δ分别为磁钢作用时电机主磁路的等效磁导和励磁线圈作用时电机主磁路的等效磁导；Gsm、Gsf分别为磁钢作用时的总漏磁导和励磁线圈作用时的总漏磁导；G01为磁钢的内磁导。

磁路计算的有关数据有：混合励磁无刷电机为36槽40极，磁钢为NdFeB永磁材料，充磁方向厚hM=2.0 mm，Br=1250×10-3T，Hc=9070 A/cm，气隙δ=0.8 mm，励磁线圈匝数Nf= 50匝，最大励磁电流If=3A。

求解图3所示的等效磁路，得磁钢作为磁源时所产生的气隙有效磁通Φ′δ=2.55×10-4Wb；求解图5 所示的等效磁路，得励磁线圈通入最大励磁电流后所产生的气隙磁通Φ″δ=6.909×10-5Wb。于是有：

（1）当通入励磁线圈的励磁电流起去磁作用时，气隙合成磁通为

（2）当通入励磁线圈的励磁电流起增磁作用时，气隙合成磁通为

可见，励磁线圈所产生的励磁磁通可以使气隙磁通增大，或减小27.1%左右，与前述设计思想基本吻合。

3 仿真模型

采用Matlab建立混合励磁速系统的仿真模型，通过仿真实验对其进行仿真研究。

根据无刷电机的数学模型可以建立其电压、电磁转矩、转子运动等仿真模块。由于这些模块已很成熟，在此不作累述，参见文献[5]。

对于混合励磁无刷电机，本文提出在无刷电机原有的仿真模型中加入励磁模块，构建混合励磁无刷电机的所谓“双路”（磁路与电路）仿真模型，这样可以在其仿真分析时直接研究励磁电流的作用。混合励磁无刷电机的励磁模块如图6所示。

图6 混合励磁无刷电机的励磁模块

将励磁模块加入无刷电机原有的仿真模型，同时加入触发信号模块和逆变器模块，得到混合励磁无刷电机的仿真模型，如图7所示。

4 仿真结果

混合励磁无刷电机仿真有关数据：额定电压UN=48V，额定转速nN=300r/min，负载转矩TL=6N⋅m，极对数p=20，定子每相绕组电阻R=1.5Ω，定子每相绕组电感L=3.72mH，互感M=2.9037mH，转子转动惯量J=0.006kg⋅m2。

图7 混合励磁无刷电机的仿真模型

当励磁线圈不通入励磁电流的情况下，对无刷电机的定子相电流、电磁转矩及转子转速进行仿真，其波形见图8、9、10所示；当励磁线圈通入励磁电流If= ±3 A，仿真得到其去磁和增磁时无刷电机转子转速波形，见图11、图12。

图8 相电流仿真波形

图9 转矩仿真波形

图10 转子转速仿真波形

图11 增磁后的转速仿真波形

图12 去磁后的转速仿真波形

当混合励磁无刷电机励磁线圈通入励磁电流（If=3A），励磁磁通起增磁作用，此时气隙磁通为额定磁通，电机为额定转速nN=300r/min，见图11；当励磁线圈未通入励磁电流（If=0），仅磁钢产生气隙磁通，比额定磁通下降约30%，电机转速上升至400r/min，见图10；当无刷电机励磁线圈通入励磁电流（If=-3A），励磁磁通起去磁作用，此时气隙合成磁通比额定磁通下降约60%，电机转速上升至500 r/min，见图12。

电梯门机处于低速起动时，励磁线圈通入3A 励磁电流，励磁磁通起增磁作用，混合励磁无刷电机达到额定气隙磁通，使电机电磁转矩增大，电机可靠起动，之后励磁线圈不通入，或通入-3A 励磁电流，励磁磁通起去磁作用，使电机弱磁升速，此时无刷电机最高转速达500r/min。反之，则是减速过程。由此可见，仿真结果与前述混合励磁无刷电机控制策略是符合的。

需要说明的是，本文所做的仿真分析并没有考虑励磁线圈中励磁电流的暂态过程。

5 结论

对于合理设计的混合励磁无刷电机，通过改变通入励磁线圈励磁电流的大小和方向，可以在一定范围内改变无刷电机的气隙磁通，进而拓宽无刷电机的调速范围，能很好地满足电梯门机系统对驱动电机的调速要求。而且此系统还具有体积小、重量轻、能耗低、效率高、特性强、稳定性好的特点，。虽然目前永磁同步电机和异步电机还是占据着主导地位，但是鉴于永磁无刷直流电机的种种优点，相信在未来的门电动机市场中，永磁无刷直流电机占据的份额肯定会越来越多。

[1] 叶安丽.电梯控制技术(第2版).北京：机械工业出版社,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] 唐任远 等著.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社,1997.

[4] 李新华,李朗如.单相永磁同步电动机磁路计算[J].微特电机,1993(2).

[5] 杨浩东,李榕,刘卫国.无刷直流电动机的数学模型及其仿真[J].微电机,2003,36(4)：8-10.