·1566· 工程科学学报，第39卷，第10期 损耗，却没有理想的应对方式，且转子处于电机本体内部， 直接进行斩波，其中包括方波脉冲宽度调制、正弦脉冲 散热条件差，极易造成热量累积导致磁钢过热甚至退磁， 宽度调制、空间矢量脉冲宽度调制]等.由于超高速 对于滑动轴承电机更是如此.由于实验电机所用的水润 永磁无刷电机自身电感极小，一般在100μH以内，如 滑动压轴承是靠水膜产生支撑力，因此，轴与轴瓦之间的 此小的电感导致斩波造成的电流波动非常严重，而高 间隙对于电机稳定运行至关重要，随着转子温度上升，轴 频波动的电流是引起涡流损耗的重要因素.减小电流 与轴瓦间十几微米的间隙被逐步压缩，很容易造成抱轴 波动最直接的办法是提高斩波频率，以减小电流波动 事故.鉴于上述原因，如何减小涡流损耗尤其是转子涡流 的幅值，文献「51已经通过实验证实，随脉冲宽度调制 损耗成为超高速永磁无刷电机研究中必须考虑的问题。 调制频率上升，产生的电流谐波会显著减少.文献 国内外学者对超高速永磁无刷电机涡流损耗进行 [11]中指出，对于自身电感较低的电机，要得到比较 了许多研究，如Fouladgar和Chauveau分析了电流谐 理想的调制电流，理想开关频率需达到200kHz以上 波对于电机转子温升的影响，指出了高频电流谐波是 但是大多数情况下，目前市场上的功率开关器件包括 转子温升的重要诱因：高鹏飞等[]和周凤争等3]均对 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅 定子槽数、槽宽、气隙长度等对涡流损耗的影响进行了 双极型晶体管(IGBT)等，无法同时达到开关频率和功 理论分析和建模，但定子结构优化对减小定子涡流损 率要求，并且随着开关频率的上升，其开关损耗也会急 耗作用比较明显，对减小转子涡流损耗没有明显效果； 剧增加)]，所以如何在没有大功率高频开关器件的情 Cavagnino等[研究了三种永磁体分块方式对减小转 况下给电机提供相对纯净的电流成为超高速永磁无刷 子涡流损耗的影响，但是该方法极大地增加了转子成 电机驱动器开发面临的重要问题，也是中大功率超高 本且不适用于高速场合.目前对于定子或转子涡流损 速电机驱动器研发普遍面临的难题. 耗的研究主要集中在如何改进电机机械结构或优化电 出于上述考虑，本驱动器在逆变器前加降压式变 磁设计，对于不同控制方式对转子涡流损耗影响的研 换电路(Buck变换器)，通过Buck变换器调节直流母 究相对较少，Khomfoi等)从理论方面分析了脉冲宽度 线电压进行调速，在逆变器处只进行换相，从而消除脉 调制(PWM)对于涡流损耗的影响并进行了实验，证实 冲宽度调制斩波造成的电流谐波[).虽然该控制方 了高频脉冲宽度调制斩波会极大的增加电机铁损：Ho 式会不可避免地造成Buk变换器斩波开关的损耗，但 seinpour与Ghazit提出了一种并联有源滤波器(SAF) 是可以减小逆变器和定转子的损耗，从而避免电机定 法来减小电流谐波的技术，但是该方法极大增加了设 转子过热.Buck变换器增加的损耗位于驱动器内，可 计成本和控制复杂性，并不是非常实用：Caricchi等[) 以通过驱动器的冷却系统散热，因而从一定角度说，该 提出了一种针对电机的Buck-Boost电路，但是其主要 方案是将难以散热的电机定转子损耗转移到了易于散 分析的是该Buck-Boost电路的设计要点及性能，并未 热的驱动器中 将其与实际的电机驱动器结合起来研究：邹继斌等[] 为了验证该方案的可行性，设计了一台滚珠轴承 就驱动方式对永磁无刷直流电机损耗的影响进行了分 实验验证机进行定转子温升实验，如图1所示，轴后端 析，但是分析过程未考虑脉冲宽度调制的影响，由于超 开孔以通过红外测温仪监测转子磁钢温度，通过埋在 高速电机低电感和低内阻的特点，脉冲宽度调制引起 电机绕组中的PT100温度传感器测量定子温度，定子 的电流谐波是损耗分析中必须考虑的成分，因此，其结 通过机壳上的水冷管道散热 果并不适用于超高速电机：赵南南等[]从理论上分析 了方波脉冲宽度调制驱动与方波驱动对热损耗的影 响，通过损耗分析发现，脉冲宽度调制的存在会极大增 加电流的谐波成分，从而引起热损耗的增加 本文从驱动策略的角度出发，立足于减小电枢电 流中斩波引起的电流谐波，开发出了一套适用于燃料 电池汽车空气压缩机的超高速永磁无刷电机方波驱动 图1滚珠轴承实验验证机 器.文中对超高速电机无位置传感器控制中面临的启 Fig.1 Verification machine with ball bearings 动和换相精度等问题均进行了详细的分析并提出了独 到的解决方案，最终，通过实验验证了该驱动器能有效 为了验证斩波对定转子发热的影响，分别以方波 降低因高频斩波引起的损耗. 驱动和方波脉冲宽度调制驱动（后文简称“脉冲宽度 调制驱动”)进行实验，每隔5000r·min进行一组实 1电机控制方式选择 验并记录其稳定后的温度，实验结果如图2所示.从 目前永磁无刷电机的主要驱动方式是在逆变器处 图中可以看出，同样转速下，方波驱动时定子和转子的工程科学学报,第 39 卷,第 10 期 损耗,却没有理想的应对方式,且转子处于电机本体内部, 散热条件差,极易造成热量累积导致磁钢过热甚至退磁, 对于滑动轴承电机更是如此. 由于实验电机所用的水润 滑动压轴承是靠水膜产生支撑力,因此,轴与轴瓦之间的 间隙对于电机稳定运行至关重要,随着转子温度上升,轴 与轴瓦间十几微米的间隙被逐步压缩,很容易造成抱轴 事故. 鉴于上述原因,如何减小涡流损耗尤其是转子涡流 损耗成为超高速永磁无刷电机研究中必须考虑的问题. 国内外学者对超高速永磁无刷电机涡流损耗进行 了许多研究,如 Fouladgar 和 Chauveau [1]分析了电流谐 波对于电机转子温升的影响,指出了高频电流谐波是 转子温升的重要诱因;高鹏飞等[2] 和周凤争等[3] 均对 定子槽数、槽宽、气隙长度等对涡流损耗的影响进行了 理论分析和建模,但定子结构优化对减小定子涡流损 耗作用比较明显,对减小转子涡流损耗没有明显效果; Cavagnino 等[4]研究了三种永磁体分块方式对减小转 子涡流损耗的影响,但是该方法极大地增加了转子成 本且不适用于高速场合. 目前对于定子或转子涡流损 耗的研究主要集中在如何改进电机机械结构或优化电 磁设计,对于不同控制方式对转子涡流损耗影响的研 究相对较少,Khomfoi 等[5]从理论方面分析了脉冲宽度 调制(PWM)对于涡流损耗的影响并进行了实验,证实 了高频脉冲宽度调制斩波会极大的增加电机铁损;Ho鄄 seinpour 与 Ghazi [6]提出了一种并联有源滤波器( SAF) 法来减小电流谐波的技术,但是该方法极大增加了设 计成本和控制复杂性,并不是非常实用;Caricchi 等[7] 提出了一种针对电机的 Buck鄄鄄Boost 电路,但是其主要 分析的是该 Buck鄄鄄Boost 电路的设计要点及性能,并未 将其与实际的电机驱动器结合起来研究;邹继斌等[8] 就驱动方式对永磁无刷直流电机损耗的影响进行了分 析,但是分析过程未考虑脉冲宽度调制的影响,由于超 高速电机低电感和低内阻的特点,脉冲宽度调制引起 的电流谐波是损耗分析中必须考虑的成分,因此,其结 果并不适用于超高速电机;赵南南等[9] 从理论上分析 了方波脉冲宽度调制驱动与方波驱动对热损耗的影 响,通过损耗分析发现,脉冲宽度调制的存在会极大增 加电流的谐波成分,从而引起热损耗的增加. 本文从驱动策略的角度出发,立足于减小电枢电 流中斩波引起的电流谐波,开发出了一套适用于燃料 电池汽车空气压缩机的超高速永磁无刷电机方波驱动 器. 文中对超高速电机无位置传感器控制中面临的启 动和换相精度等问题均进行了详细的分析并提出了独 到的解决方案,最终,通过实验验证了该驱动器能有效 降低因高频斩波引起的损耗. 1 电机控制方式选择 目前永磁无刷电机的主要驱动方式是在逆变器处 直接进行斩波,其中包括方波脉冲宽度调制、正弦脉冲 宽度调制、空间矢量脉冲宽度调制[10] 等. 由于超高速 永磁无刷电机自身电感极小,一般在 100 滋H 以内,如 此小的电感导致斩波造成的电流波动非常严重,而高 频波动的电流是引起涡流损耗的重要因素. 减小电流 波动最直接的办法是提高斩波频率,以减小电流波动 的幅值,文献[5]已经通过实验证实,随脉冲宽度调制 调制频率上升,产生的电流谐波会显著减少. 文献 [11]中指出,对于自身电感较低的电机,要得到比较 理想的调制电流,理想开关频率需达到 200 kHz 以上. 但是大多数情况下,目前市场上的功率开关器件包括 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅 双极型晶体管(IGBT)等,无法同时达到开关频率和功 率要求,并且随着开关频率的上升,其开关损耗也会急 剧增加[12] ,所以如何在没有大功率高频开关器件的情 况下给电机提供相对纯净的电流成为超高速永磁无刷 电机驱动器开发面临的重要问题,也是中大功率超高 速电机驱动器研发普遍面临的难题. 出于上述考虑,本驱动器在逆变器前加降压式变 换电路(Buck 变换器),通过 Buck 变换器调节直流母 线电压进行调速,在逆变器处只进行换相,从而消除脉 冲宽度调制斩波造成的电流谐波[13鄄鄄14] . 虽然该控制方 式会不可避免地造成 Buck 变换器斩波开关的损耗,但 是可以减小逆变器和定转子的损耗,从而避免电机定 转子过热. Buck 变换器增加的损耗位于驱动器内,可 以通过驱动器的冷却系统散热,因而从一定角度说,该 方案是将难以散热的电机定转子损耗转移到了易于散 热的驱动器中. 为了验证该方案的可行性,设计了一台滚珠轴承 实验验证机进行定转子温升实验,如图 1 所示,轴后端 开孔以通过红外测温仪监测转子磁钢温度,通过埋在 电机绕组中的 PT100 温度传感器测量定子温度,定子 通过机壳上的水冷管道散热. 图 1 滚珠轴承实验验证机 Fig. 1 Verification machine with ball bearings 为了验证斩波对定转子发热的影响,分别以方波 驱动和方波脉冲宽度调制驱动(后文简称“脉冲宽度 调制驱动冶)进行实验,每隔 5000 r·min - 1进行一组实 验并记录其稳定后的温度,实验结果如图 2 所示. 从 图中可以看出,同样转速下,方波驱动时定子和转子的 ·1566·