永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁擴(kuò)速概況
李春艷，寇寶泉，程樹(shù)康
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：分析了適合弱磁運(yùn)行的永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從本體和控制兩個(gè)方面介紹了永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁方法，指出各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。最后綜述了國(guó)內(nèi)外弱磁擴(kuò)速研究的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了復(fù)合轉(zhuǎn)子電機(jī)和4種通過(guò)改變磁通路徑弱磁的新型電機(jī)。
關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)；復(fù)合轉(zhuǎn)子；磁通路徑；弱磁
中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(fā)展，近年來(lái)，永磁同步電動(dòng)機(jī)獲得了廣泛研究和應(yīng)用。隨著變頻技術(shù)的日趨完善，永磁同步電動(dòng)機(jī)和變頻控制實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化，使永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)已越來(lái)越明顯。特別是稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)，采用高性能稀土永磁材料為同步電機(jī)產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)，使電機(jī)的運(yùn)行效率和功率因數(shù)大幅度提高。并且該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速精度高，調(diào)速比大，輸出特性硬，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。此外，系統(tǒng)還具有恒轉(zhuǎn)矩輸出和轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載波動(dòng)的特性。通過(guò)變頻器有效控制，可使其輸出轉(zhuǎn)速保持恒定，在某些機(jī)械傳動(dòng)中去掉減速器，這無(wú)疑給整個(gè)機(jī)械制造帶來(lái)一場(chǎng)新的革命。
但是，由于永磁同步電動(dòng)機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，磁場(chǎng)恒定，永磁體勵(lì)磁強(qiáng)度也就不可調(diào)節(jié)，在基速以上的恒功率運(yùn)行區(qū)域，隨著轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩性能，因而無(wú)法運(yùn)行到較高的轉(zhuǎn)速，限制了其應(yīng)用范圍。必須進(jìn)行弱磁控制。
因此，充分發(fā)揮永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高效率的特長(zhǎng)，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓寬其調(diào)速范圍，提高基速以區(qū)域系統(tǒng)的運(yùn)行效率是變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)重要研究方向。
1永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
根據(jù)轉(zhuǎn)子永磁體配置位置的不同，可以把永磁同步電動(dòng)機(jī)分為表面磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和嵌入磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)兩大類，如圖l所示。表面磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙均勻，交、直軸電感相等，不產(chǎn)生
磁阻轉(zhuǎn)矩，而且由于等效氣隙較大，不利于進(jìn)行弱磁控制。但由于能夠把轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制到很低的程度，因此適合用于低速、大轉(zhuǎn)矩的直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。而嵌入磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)由于交直軸電感不相等，會(huì)產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，使總的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且由于直軸等效氣隙小，便于進(jìn)行弱磁控制，因此該種電機(jī)的調(diào)速范圍較寬，效率較高，適合用于高速恒功率驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。
對(duì)于嵌八磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)嵌人磁鋼的位置和形狀，可以形成多種轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式。
2永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁方法
永磁同步電動(dòng)機(jī)可以從本體和控制兩個(gè)角度實(shí)現(xiàn)弱磁。
從本體的角度，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量，以電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的減弱來(lái)等價(jià)于直接減弱勵(lì)磁磁場(chǎng)來(lái)達(dá)到弱磁增速的目的[1-3]。這種弱磁方法能夠?qū)崿F(xiàn)弱磁，不足之處是增大了直軸電樞電流，銅耗增加，系統(tǒng)效率會(huì)有所下降，限制了系統(tǒng)調(diào)速范圍的進(jìn)一步拓寬。
特種結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)主要有兩種弱磁方法：一種是通過(guò)復(fù)合轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)弱磁，另一種是通過(guò)設(shè)計(jì)漏磁通路實(shí)現(xiàn)弱磁，這兩種方法弱磁原理以及優(yōu)缺點(diǎn)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(chǔ)，用控制的方法去實(shí)現(xiàn)，比如通過(guò)控制超前角的方法實(shí)現(xiàn)弱磁。
3永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁研究現(xiàn)狀
目前，國(guó)內(nèi)外永磁同步電動(dòng)機(jī)在這個(gè)研究領(lǐng)域上的研究現(xiàn)狀如下：
3．1在永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制的具體實(shí)施上還存在不同觀點(diǎn)和分歧[4]。
日本的森本茂雄(Shigeo Mocimotor)及美國(guó)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(dòng)機(jī)(Xd<Xq)的弱磁問(wèn)題。當(dāng)E。=xdId時(shí)，認(rèn)為Xq-Xd越大越好；而當(dāng)E0≠xdId時(shí)，前者認(rèn)為E。小一點(diǎn)好，后者認(rèn)為E0大一點(diǎn)好。其中，E。是電機(jī)在單位速度下的反電勢(shì)，Xd是直軸電抗，Id是直軸電流。
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