永磁同步电动机弱磁扩速概况

  李春艳，寇宝泉，程树康

(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)

    摘要：分析了适合弱磁运行的永磁同步电动机的结构特点，从本体和控制两个方面介绍了永磁同步电动机的弱磁方法，指出各种方法的优缺点。最后综述了国内外弱磁扩速研究的发展现状，重点介绍了复合转子电机和4种通过改变磁通路径弱磁的新型电机。

    关键词：永磁同步电动机；复合转子；磁通路径；弱磁

    中图分类号：TM341  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008}01—0058—03

O引  言   

    由于稀土永磁材料和电子功率器件的发展，近年来，永磁同步电动机获得了广泛研究和应用。随着变频技术的日趋完善，永磁同步电动机和变频控制实现机电一体化，使永磁同步电动机驱动系统的优势已越来越明显。特别是稀土永磁同步电动机，采用高性能稀土永磁材料为同步电机产生励磁磁场，使电机的运行效率和功率因数大幅度提高。并且该驱动系统调速精度高，调速比大，输出特性硬，运转平稳。此外，系统还具有恒转矩输出和转速不随负载波动的特性。通过变频器有效控制，可使其输出转速保持恒定，在某些机械传动中去掉减速器，这无疑给整个机械制造带来一场新的革命。

    但是，由于永磁同步电动机采用永磁体励磁，磁场恒定，永磁体励磁强度也就不可调节，在基速以上的恒功率运行区域，随着转速升高，由于供电电压的限制及电流控制器的饱和影响，破坏了永磁同步电动机的电磁转矩性能，因而无法运行到较高的转速，限制了其应用范围。必须进行弱磁控制。

    因此，充分发挥永磁同步电动机驱动系统高效率的特长，在现有基础上进一步拓宽其调速范围，提高基速以区域系统的运行效率是变频驱动系统的一个重要研究方向。

1永磁同步电动机结构特点

    根据转子永磁体配置位置的不同，可以把永磁同步电动机分为表面磁钢转子结构和嵌入磁钢转子结构两大类，如图l所示。表面磁钢转子结构永磁同步电动机的气隙均匀，交、直轴电感相等，不产生

磁阻转矩，而且由于等效气隙较大，不利于进行弱磁控制。但由于能够把转矩脉动控制到很低的程度，因此适合用于低速、大转矩的直接驱动系统。而嵌入磁钢转子结构的永磁同步电动机由于交直轴电感不相等，会产生磁阻转矩，使总的输出转矩增大，而且由于直轴等效气隙小，便于进行弱磁控制，因此该种电机的调速范围较宽，效率较高，适合用于高速恒功率驱动领域。

    对于嵌八磁钢转子结构的永磁同步电动机，通过巧妙设计嵌人磁钢的位置和形状，可以形成多种转子的结构形式。

2永磁同步电动机的弱磁方法

    永磁同步电动机可以从本体和控制两个角度实现弱磁。

    从本体的角度，传统结构永磁电机通过调节定子电流，即增加定子直轴去磁电流分量，以电机气隙磁场的减弱来等价于直接减弱励磁磁场来达到弱磁增速的目的^[1-3]。这种弱磁方法能够实现弱磁，不足之处是增大了直轴电枢电流，铜耗增加，系统效率会有所下降，限制了系统调速范围的进一步拓宽。

    特种结构的永磁同步电动机主要有两种弱磁方法：一种是通过复合转子实现弱磁，另一种是通过设计漏磁通路实现弱磁，这两种方法弱磁原理以及优缺点将分别在下文详述。

    从控制的角度，弱磁原理仍然以增加定子直轴去磁电流为基础，用控制的方法去实现，比如通过控制超前角的方法实现弱磁。

3永磁同步电动机弱磁研究现状

    目前，国内外永磁同步电动机在这个研究领域上的研究现状如下：

3．1在永磁同步电动机弱磁控制的具体实施上还存在不同观点和分歧^[4]。

    日本的森本茂雄(Shigeo Mocimotor)及美国的理查德.F.谢菲尔(Riehard F．schi论r)等人从控制的角度考虑普通永磁同步电动机(X_d<X_q)的弱磁问题。当E。=x_dI_d时，认为X_q-X_d越大越好；而当E0≠x_dI_d时，前者认为E。小一点好，后者认为E0大一点好。其中，E。是电机在单位速度下的反电势，X_d是直轴电抗，I_d是直轴电流。