永磁同步電動機弱磁擴速概況

  李春艷，寇寶泉，程樹康

(哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001)

    摘要：分析了適合弱磁運行的永磁同步電動機的結構特點，從本體和控制兩個方面介紹了永磁同步電動機的弱磁方法，指出各種方法的優缺點。最后綜述了國內外弱磁擴速研究的發展現狀，重點介紹了復合轉子電機和4種通過改變磁通路徑弱磁的新型電機。

    關鍵詞：永磁同步電動機；復合轉子；磁通路徑；弱磁

    中圖分類號：TM341  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008}01—0058—03

O引  言   

    由于稀土永磁材料和電子功率器件的發展，近年來，永磁同步電動機獲得了廣泛研究和應用。隨著變頻技術的日趨完善，永磁同步電動機和變頻控制實現機電一體化，使永磁同步電動機驅動系統的優勢已越來越明顯。特別是稀土永磁同步電動機，采用高性能稀土永磁材料為同步電機產生勵磁磁場，使電機的運行效率和功率因數大幅度提高。并且該驅動系統調速精度高，調速比大，輸出特性硬，運轉平穩。此外，系統還具有恒轉矩輸出和轉速不隨負載波動的特性。通過變頻器有效控制，可使其輸出轉速保持恒定，在某些機械傳動中去掉減速器，這無疑給整個機械制造帶來一場新的革命。

    但是，由于永磁同步電動機采用永磁體勵磁，磁場恒定，永磁體勵磁強度也就不可調節，在基速以上的恒功率運行區域，隨著轉速升高，由于供電電壓的限制及電流控制器的飽和影響，破壞了永磁同步電動機的電磁轉矩性能，因而無法運行到較高的轉速，限制了其應用范圍。必須進行弱磁控制。

    因此，充分發揮永磁同步電動機驅動系統高效率的特長，在現有基礎上進一步拓寬其調速范圍，提高基速以區域系統的運行效率是變頻驅動系統的一個重要研究方向。

1永磁同步電動機結構特點

    根據轉子永磁體配置位置的不同，可以把永磁同步電動機分為表面磁鋼轉子結構和嵌入磁鋼轉子結構兩大類，如圖l所示。表面磁鋼轉子結構永磁同步電動機的氣隙均勻，交、直軸電感相等，不產生

磁阻轉矩，而且由于等效氣隙較大，不利于進行弱磁控制。但由于能夠把轉矩脈動控制到很低的程度，因此適合用于低速、大轉矩的直接驅動系統。而嵌入磁鋼轉子結構的永磁同步電動機由于交直軸電感不相等，會產生磁阻轉矩，使總的輸出轉矩增大，而且由于直軸等效氣隙小，便于進行弱磁控制，因此該種電機的調速范圍較寬，效率較高，適合用于高速恒功率驅動領域。

    對于嵌八磁鋼轉子結構的永磁同步電動機，通過巧妙設計嵌人磁鋼的位置和形狀，可以形成多種轉子的結構形式。

2永磁同步電動機的弱磁方法

    永磁同步電動機可以從本體和控制兩個角度實現弱磁。

    從本體的角度，傳統結構永磁電機通過調節定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量，以電機氣隙磁場的減弱來等價于直接減弱勵磁磁場來達到弱磁增速的目的^[1-3]。這種弱磁方法能夠實現弱磁，不足之處是增大了直軸電樞電流，銅耗增加，系統效率會有所下降，限制了系統調速范圍的進一步拓寬。

    特種結構的永磁同步電動機主要有兩種弱磁方法：一種是通過復合轉子實現弱磁，另一種是通過設計漏磁通路實現弱磁，這兩種方法弱磁原理以及優缺點將分別在下文詳述。

    從控制的角度，弱磁原理仍然以增加定子直軸去磁電流為基礎，用控制的方法去實現，比如通過控制超前角的方法實現弱磁。

3永磁同步電動機弱磁研究現狀

    目前，國內外永磁同步電動機在這個研究領域上的研究現狀如下：

3．1在永磁同步電動機弱磁控制的具體實施上還存在不同觀點和分歧^[4]。

    日本的森本茂雄(Shigeo Mocimotor)及美國的理查德.F.謝菲爾(Riehard F．schi論r)等人從控制的角度考慮普通永磁同步電動機(X_d<X_q)的弱磁問題。當E。=x_dI_d時，認為X_q-X_d越大越好；而當E0≠x_dI_d時，前者認為E。小一點好，后者認為E0大一點好。其中，E。是電機在單位速度下的反電勢，X_d是直軸電抗，I_d是直軸電流。