稀土永磁同步电机体积和功率上限研究
窦满锋 刘景林李钟明 周凤岐(西北工业大学西安710072)
摘 要 通过比较稀土永磁同步电机和电磁式同步电机的励磁体积，比较两者的功率密度，并以功率密度为基准研究稀土永磁同步电机的体积和功率上限，指出稀±永磁同步电机存在一体积、功率上限，在此上限以下，其功率密度较电磁式同步电机功率密度高，反之亦然。其体积上限主要受电机极对数和稀土永磁材料磁能积的影响。
叙 词 同步电机永磁电机体积功率上限
1引 言
稀土永磁同步电机无电刷和滑环，转子上无励磁损耗和摩擦损耗，在一定条件下具有体积小、重量轻、效率高、结构简单、运行可靠的优点。虽然励磁不可调节，但在作为电动机使用时，功率因数可设计在1附近，作为发电机使用时，其抗去磁能力强，电压调整率较小。近年，随着稀土永磁材料、电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，各种稀土永磁同步电机，如高效节能自起动稀土永磁同步电动机、变频调速稀土永磁同步电动机、自控式稀土永磁同步电动机（含稀土永磁无刷直流电机）、小型稀土永磁发电机等已逐步应用到航空航天、纺织机械、数控机床、压缩机、汽车、摩托车等领域[2]。稀土永磁同步电机的发有体积和容量逐步增大的趋势，如我国目前容量****的稀土永磁同步电动机功率已达到250kw(8极)，****的发电机容量为1. 2mva，穗国已研制成1095kw的稀土永磁同步电动机[3]。为此，本文对稀土永磁同步电机的体积、功率上限进行研究。
2功率密度的比较
随着体积的增大和容量的上升，稀土永磁同步电机体积小、重量轻的优势能否继续保持，可对比它和电磁式同步电机的功率密度（功率与有效体积之比）。由于稀土永磁同步电机转子结构的复杂性和稀土永磁材料磁性能的差异，直接比较二者的功率密度有一定的难度，可通过比较二者所需的励磁体积比较其功率密度。假定：
(1)二者定子相同（电负荷a、极对数p和绕组型式相同）。
(2)等效气隙长度如和有效体积相同。
(3)气隙磁密有效值b。mi=aikbba相同。
该假定下两种电机功率相同，设电磁式同步电机的励磁体积为vf。，稀土永磁同步电机的励磁体积为vim，当vfc>vfm时，稀土永磁同步电机的永磁体用量可以增加，其br～pem都有增加的裕量，即稀土永磁同步电机的功率密度可以提高；反之，当vfc <vfm时，电磁式同步电机的励磁体积可以增加，其brms、pem有增加裕量，即电磁式同步电机功率密度可以提高。
3励磁体积比较
当极对数尸和有效体积相同时，励磁体积的比较可以简化为每极所需励磁横截面积sf的比较，见图1。
对于电磁式同步电机：
当稀土永磁同步电机径向激磁时：
当永磁体切向激磁时：
比较式(6)和式(9)，说明稀土永磁同步电机无论是径向激磁还是切向激磁，永磁体体积计算公式一致。同理，对于切、径向混合激磁的稀土永磁同步电机，其永磁体体积计算公式也一样。
比较电磁式和稀土永磁同步电机的st，可以看出s在与极距r无关，而s舢与极距r成正比，这一结论有以下含义：
(1)稀土永磁同步电机中永磁体的体积或用量不存在电机设计时功率与有效体积之间的相似关系。
(2)稀土永磁同步电机中永磁体的体积与极对数和转子外径有关，它直接影响电机的功率密度。
(3)假定下的k。相同，极弧系数和波形系数比较接近，sfm<sfe，可以简化为：
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