高速永磁无刷电机设计与控制系统研究

郑睿鹏（环境保护部核与辐射安全中心，北京100000）

高速永磁无刷电机设计与控制系统研究

郑睿鹏
（环境保护部核与辐射安全中心，北京100000）

永磁无刷电机具有结构简单、无励磁损耗、效率高等特点，适合高速场合。目前，高速永磁无刷电机已经在一些电动汽车中得到实际应用，并且在分布式发电供电系统中显示了其价值和重要性。通过对高速永磁无刷电机设计的关键性问题的探讨、对高速永磁无刷电机控制系统的研究得出，高速电机的转速非常高，而且其功率的密度非常大，其几何尺寸小于其输出功率相同的低速电机，这些特征使得它在工业领域受到了广泛的关注和应用。

高速；永磁无刷；电机设计；控制系统；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　高速永磁无刷电机

高速电机的转速非常高，而且其功率的密度非常大，其几何尺寸小于其输出功率相同的低速电机，这些特征使得它在工业领域受到了广泛的关注和应用，比如说高速磨床高速飞轮储能系统以及在污水处理中采用的高速离心压缩鼓风机，这些都是高速电机在各个应用领域的具体体现。在之前的电机运行中，如果人们想要得到较高的转速输出，就要先将之前的电机齿轮箱的变速达到能够提高变速的作用，我们需要注意的是，齿轮箱的体积是非常大的，而且会出现很大的噪音，其使用的寿命也不是很长，因此齿轮箱会在一定的使用时间内降低系统的整体效率，但是如果我们使用高速电机，就会不再使用齿轮箱这一环节，这样就会减少系统的整体体积，最重要的是能够在一定程度上提高系统的效率。也正是由于永磁无刷电机的结构非常简单，无励磁损耗、效率高等特点，使得永磁无刷电机非常适合高速的场合。

2　高速永磁无刷电机的应用

2.1在电动汽车中的应用

现阶段汽车行业的发展是推动整个社会现代化进程的一个非常重要的动力源泉，但是汽车工业的快速发展和它对环境的污染速度是成正比的，尤其在我国特别明显，汽车行业的市场日益扩大，环境污染和能源消耗的问题就越来越严重，因此，电动汽车逐渐受到了人们的广泛关注，而电动汽车当中的电机应该具备较高的转速，高启动的转矩，而且要在较大功率的范围内始终能够保持很高的效率。而永磁无刷电机就具有上述的特点，因此它也受到了广大汽车行业研究者的关注和研究，目前已经在一些电动汽车中得到了实际的应用。

2.2在分布式发电系统中的应用

目前主要的电力能源生产和分配的方式是集中发电以及远距离输电，但是这种输电的方式在我国的电力系统分配当中是存在一定缺陷的，造成这种情况的主要原因是因为我国的面积非常广阔，因此我国能源的分布形式也是非常不均匀的，而且不同地区的经济发展情况也是有着很大的差异，这样也就造成了我国电力输送的成本增加的情况，所以在生产和使用的时候就出现了不平衡的现象，针对现阶段的这种情况，能够有效解决这一问题的方法就是使用分布式发电供电系统来作为一个辅助系统，这一辅助系统主要是由内燃机以及储能装置等构成的，而我们所说的高速永磁无刷电机的效率是非常高的，而且在实际的运行当中也体现了其可靠性的一面，非常适合中小型高速发电机的使用，这也使得高速永磁无刷电机在分布式发电供电系统当中显示了其价值，使其有了更加广阔的应用空间。

3　高速永磁无刷电机设计的关键性问题

转子结构按照永磁体安装的方式可以分为三种，一种是安心永磁体结构，第二种是永磁体表贴式，第三种是永磁体内嵌式。一般永磁体实心结构是将永磁材料制成一个圆柱的形状，利用高强度非导磁钢护套通过盈配合将永磁体整体包裹起来，这种结构是没有轴的，因此需要将永磁体护套与芯轴焊接在一起来传递转矩。永磁体要采用整体结构平行充磁，因此具有较好的电磁特性。而永磁体表贴式结构可以做成一个整体的环形空心形状，当采取这种结构的时候，永磁体可以采用平行充磁的方式。永磁体内嵌式结构是将永磁体整个埋入了铁芯的内部，这样整体的结构就会非常的坚固，也就能够承受高速运转时所出现的离心力。

实心永磁体结构和永磁体表贴式结构都具有非常好的机械对称性，可是由于永磁材料能够承受的拉应力是有限的，所以工作人员在运用的过程当中，为了能够有效地防止永磁体在高速旋转的时候不会出现破坏的情况，工作人员就在永磁体的外层加了一个保护的措施，现阶段在这一领域能够使用的最有效的措施主要有两种，一种是碳纤维捆绑式，另一种是外部金属护套式，碳纤维的厚度相对较小，而且它的导电性也是非常差的，所以不会产生高频涡流方面的损耗。但是它还是有一定的缺点，比如说碳纤维的散热性能较差，转子不容易散热，有的时候为了达到屏蔽谐波的目的，还会在捆绑的内部增加一层铜屏蔽层，这样又在一定程度上增加了工作的难度。而非导磁金属护套则具有非常好的导电性能，因此它可以有效地屏蔽高次的谐波，最重要的是它的导热性能也非常好，利于转子的散热，但是它也是存在一个不足，就是它的金属材料价格相当昂贵。

4　高速永磁无刷电机控制系统

永磁无刷电机如果是按照反电势波形会分为无刷电机和正弦波无刷电机，正弦无刷电机是由交流电进行供电的，而永磁同步电机则是由电励磁同步电机发展过来的，它用永磁代替了之前的电励磁同步电机，其转子的结构也按照永磁体的安装形式分为实心转子式和内嵌式，而对于永磁无刷电机来说，其矢量的目的就是为了将永磁同步电机近似地看成电流电机控制，一般情况下，都是开展控制电机外部的系统来对电机进行控制的，其实矢量控制是利用了空间矢量变换的方法对定子电流进行相应的解耦，最终实现解耦控制。

［1］沈建新.气隙磁场波形及磁瓦充磁方式对无刷直流电动机性能的影响［J］.微特电机，2006，（06）：28-29.

［2］周风争，王凯.转子结构对高速无刷电机转子涡流损耗的影响［J］.浙江大学学报，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