寬轉(zhuǎn)速永磁同步電動機電磁參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

孫建銳　于萬娟（遼寧電機集團大型電機有限公司，遼寧　撫順　113122）

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寬轉(zhuǎn)速永磁同步電動機電磁參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

孫建銳于萬娟
（遼寧電機集團大型電機有限公司，遼寧撫順113122）

摘要：永磁同步電動機在近些年受到越來越多的歡迎。特別是電動汽車領(lǐng)域，永磁同步電動機的使用可以有效的增加電動汽車的驅(qū)動性能。不過，基于自身條件的限制，永磁同步電動機在使用過程中存在一些問題，本文首先對永磁同步電動機的基本結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型以及控制原理做簡要介紹，然后介紹永磁同步電動機的弱磁擴速措施以及與弱磁擴速有關(guān)的電磁參數(shù)。

關(guān)鍵詞：永磁同步電動機；問題；措施；電磁參數(shù)

永磁同步電動機具有體積小、效率高、性能優(yōu)異等特點，在近些年受到越來越多的歡迎。特別是在電動汽車領(lǐng)域，永磁同步電動機的使用可以有效增加電動汽車的驅(qū)動性能。不過，永磁同步電動機在使用過程中采用永磁體勵磁，這種方式無法靈活調(diào)節(jié)勵磁強度。此外，永磁體勵磁會對直流母線的電壓和逆變器的飽和度進行限制，永磁同步電動機在運行過程中的轉(zhuǎn)矩和功率會快速下降，從而影響電動機的正常運轉(zhuǎn)。本文首先對永磁同步電動機的基本結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型以及控制原理做簡要介紹，然后介紹永磁同步電動機的弱磁擴速措施以及與弱磁擴速有關(guān)的電磁參數(shù)。

一、基本結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

（一）永磁同步電動機結(jié)構(gòu)特點

永磁同步電動機，顧名思義，其采用的是永磁體勵磁。這種勵磁方式的電動機的轉(zhuǎn)子磁路會有所不同，一般有表面式和內(nèi)置式兩種。表面式轉(zhuǎn)子磁路的永磁體位于轉(zhuǎn)子的外表面，這樣永磁體就可以充分地和空氣接觸，讓永磁體的磁導(dǎo)率和空氣相近，抑制弱磁的擴速作用。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，這種方式比較容易產(chǎn)生弱磁擴速。

（二）永磁同步電動機dq軸數(shù)學(xué)模型

永磁同步電動機的轉(zhuǎn)軸運動是建立在dq軸數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，該模型的電壓方程為：

磁鏈方程為：電磁體轉(zhuǎn)矩方程：

二、永磁同步電動機的控制原理

（一）永磁同步電動機的 MPTA 控制通過上文中的（1）（2）（3）式，我們可以看出來，電動機的轉(zhuǎn)矩是由電流的空間矢量is決定，is是由d軸和q軸的電流id和iq決定，因此，電動機的轉(zhuǎn)矩實際是由d軸和q軸的電流id和iq決定。所以，永磁同步電動機的 MPTA 控制均需要通過對d軸和q軸的電流id和iq的控制加以完成。

（二）永磁弱磁原理

永磁電動機在運轉(zhuǎn)的時候為保證電動機的持續(xù)正常運轉(zhuǎn)，需要盡量減少勵磁磁動勢，保證電動機的供電電壓平衡穩(wěn)定供給，不過永磁同步電動機的勵磁磁動勢一般是無法進行調(diào)節(jié)的，只能間接地加以控制，通常的做法是在電樞中加入一個反向的磁場來抵消掉一部分勵磁磁動勢，從而達到控制永磁勵磁磁動勢的目的。

三、永磁同步電動機的弱磁擴速措施

（一）增加電動機直軸電感和永磁體產(chǎn)生的磁鏈

永磁電動機的磁場控制是由直軸電感和永磁體產(chǎn)生的磁鏈完成的，所以，在實際的工作中會經(jīng)常增加電動機直軸電感和永磁體產(chǎn)生的磁鏈，從而達到弱磁效果。此外，電樞反應(yīng)也需要弱磁環(huán)境實現(xiàn)，增加電動機直軸電感和永磁體產(chǎn)生的磁鏈不僅可以增大永磁電動機的調(diào)速范圍，還可以增大電樞反應(yīng)，以保證永磁電動機正常運轉(zhuǎn)。

（二）減小交軸電感

交軸電感的減小可以同時改變電感各軸向電流分量的大小，這種電流的改變必然會讓磁場發(fā)生變化，同時，電流的大小和磁場的大小成正比，所以，想要實現(xiàn)等效的弱磁效應(yīng)，就可以進行對應(yīng)的弱電流控制。

（三）合理選擇漏磁系數(shù)

磁場在通過氣隙的時候會發(fā)生漏磁現(xiàn)象，這會造成一定的資源浪費，但是這種漏磁是微乎其微的。我們借助漏磁系數(shù)的調(diào)節(jié)，來控制磁場在通過氣隙的時候漏磁多少，漏磁系數(shù)越大，漏磁現(xiàn)象越明顯，那么通過氣隙的磁通量就會減少得越多。所以，改變漏磁系數(shù)的大小可以有效達到弱磁的目的，從而實現(xiàn)弱磁擴速的目的。

四、與弱磁擴速有關(guān)的電磁參數(shù)

（一）永磁同步電動機的交直軸電抗

在上文中我們簡單介紹了永磁同步電動機dq軸數(shù)學(xué)模型，通過這個模型，我們了解到實現(xiàn)永磁同步電動機的弱磁效果與直軸和交軸同步電抗Xd和Xq有非常緊密的聯(lián)系。永磁同步電動機的電抗主要分為兩種類型，第一種是電樞旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的電抗，第二種是漏磁現(xiàn)象產(chǎn)生的漏磁電抗。在優(yōu)化電磁參數(shù)的選擇上，會首先考慮永磁體充磁方向長度的變化永磁體充磁方向長度減小，會使得直軸電樞電感增大，電感的增大會造成電抗的增大，而電抗增大就會讓氣隙長度的影響增大。這樣一系列的影響是連續(xù)變化的，在優(yōu)化電磁參數(shù)的時候，任何一個環(huán)節(jié)的改變會讓整個系統(tǒng)發(fā)生改變。

（二）空載漏磁系數(shù)

前文已經(jīng)簡單介紹了漏磁系數(shù)對弱磁擴速的影響，不過，漏磁系數(shù)的調(diào)節(jié)對應(yīng)的漏磁現(xiàn)象產(chǎn)生并非是線性變化，所以，如何對漏磁系數(shù)進行科學(xué)的設(shè)定需要一整套數(shù)據(jù)作為支撐。不過，在實際的工作中，永磁體磁化方向長度具有不確定性，那么就需要合理選擇電動機氣隙的大小，間接地調(diào)節(jié)空載漏磁系數(shù)的大小。

結(jié)語

通過上文對永磁同步電動機結(jié)構(gòu)特點、永磁同步電動機dq軸數(shù)學(xué)模型以及永磁同步電動機的控制原理的介紹，我們列舉了一些永磁同步電動機的弱磁擴速措施，包括：增加電動機直軸電感和永磁體產(chǎn)生的磁鏈、減小交軸電感、合理選擇漏磁系數(shù)。在這個過程中，需要注意設(shè)定弱磁擴速有關(guān)的電磁參數(shù)，其中包括：永磁同步電動機的交直軸電抗、空載漏磁系數(shù)。

參考文獻

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[2]歐金生.高動態(tài)性能稀土永磁同步電動機的設(shè)計研究[D].湖南大學(xué)，2007.

中圖分類號：TM351

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