寬轉(zhuǎn)速永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫建銳　于萬娟（遼寧電機(jī)集團(tuán)大型電機(jī)有限公司，遼寧　撫順　113122）

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寬轉(zhuǎn)速永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫建銳于萬娟
（遼寧電機(jī)集團(tuán)大型電機(jī)有限公司，遼寧撫順113122）

摘要：永磁同步電動(dòng)機(jī)在近些年受到越來越多的歡迎。特別是電動(dòng)汽車領(lǐng)域，永磁同步電動(dòng)機(jī)的使用可以有效的增加電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)性能。不過，基于自身?xiàng)l件的限制，永磁同步電動(dòng)機(jī)在使用過程中存在一些問題，本文首先對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的弱磁擴(kuò)速措施以及與弱磁擴(kuò)速有關(guān)的電磁參數(shù)。

關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)；問題；措施；電磁參數(shù)

永磁同步電動(dòng)機(jī)具有體積小、效率高、性能優(yōu)異等特點(diǎn)，在近些年受到越來越多的歡迎。特別是在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，永磁同步電動(dòng)機(jī)的使用可以有效增加電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)性能。不過，永磁同步電動(dòng)機(jī)在使用過程中采用永磁體勵(lì)磁，這種方式無法靈活調(diào)節(jié)勵(lì)磁強(qiáng)度。此外，永磁體勵(lì)磁會(huì)對(duì)直流母線的電壓和逆變器的飽和度進(jìn)行限制，永磁同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)矩和功率會(huì)快速下降，從而影響電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本文首先對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的弱磁擴(kuò)速措施以及與弱磁擴(kuò)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

永磁同步電動(dòng)機(jī)，顧名思義，其采用的是永磁體勵(lì)磁。這種勵(lì)磁方式的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路會(huì)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(kuò)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(kuò)速。

（二）永磁同步電動(dòng)機(jī)dq軸數(shù)學(xué)模型

永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)的控制原理

（一）永磁同步電動(dòng)機(jī)的 MPTA 控制通過上文中的（1）（2）（3）式，我們可以看出來，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩實(shí)際是由d軸和q軸的電流id和iq決定。所以，永磁同步電動(dòng)機(jī)的 MPTA 控制均需要通過對(duì)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(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候?yàn)楸ＷC電動(dòng)機(jī)的持續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要盡量減少勵(lì)磁磁動(dòng)勢，保證電動(dòng)機(jī)的供電電壓平衡穩(wěn)定供給，不過永磁同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁動(dòng)勢一般是無法進(jìn)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(gè)反向的磁場來抵消掉一部分勵(lì)磁磁動(dòng)勢，從而達(dá)到控制永磁勵(lì)磁磁動(dòng)勢的目的。

三、永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁擴(kuò)速措施

（一）增加電動(dòng)機(jī)直軸電感和永磁體產(chǎn)生的磁鏈

永磁電動(dòng)機(jī)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(shí)際的工作中會(huì)經(jīng)常增加電動(dòng)機(jī)直軸電感和永磁體產(chǎn)生的磁鏈，從而達(dá)到弱磁效果。此外，電樞反應(yīng)也需要弱磁環(huán)境實(shí)現(xiàn)，增加電動(dòng)機(jī)直軸電感和永磁體產(chǎn)生的磁鏈不僅可以增大永磁電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍，還可以增大電樞反應(yīng)，以保證永磁電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（二）減小交軸電感

交軸電感的減小可以同時(shí)改變電感各軸向電流分量的大小，這種電流的改變必然會(huì)讓磁場發(fā)生變化，同時(shí)，電流的大小和磁場的大小成正比，所以，想要實(shí)現(xiàn)等效的弱磁效應(yīng)，就可以進(jìn)行對(duì)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(shí)候會(huì)發(fā)生漏磁現(xiàn)象，這會(huì)造成一定的資源浪費(fèi)，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(shí)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(huì)減少得越多。所以，改變漏磁系數(shù)的大小可以有效達(dá)到弱磁的目的，從而實(shí)現(xiàn)弱磁擴(kuò)速的目的。

四、與弱磁擴(kuò)速有關(guān)的電磁參數(shù)

（一）永磁同步電動(dòng)機(jī)的交直軸電抗

在上文中我們簡單介紹了永磁同步電動(dòng)機(jī)dq軸數(shù)學(xué)模型，通過這個(gè)模型，我們了解到實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(huì)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(huì)使得直軸電樞電感增大，電感的增大會(huì)造成電抗的增大，而電抗增大就會(huì)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(shí)候，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的改變會(huì)讓整個(gè)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(duì)弱磁擴(kuò)速的影響，不過，漏磁系數(shù)的調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的漏磁現(xiàn)象產(chǎn)生并非是線性變化，所以，如何對(duì)漏磁系數(shù)進(jìn)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(shí)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(dòng)機(jī)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(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、永磁同步電動(dòng)機(jī)dq軸數(shù)學(xué)模型以及永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制原理的介紹，我們列舉了一些永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁擴(kuò)速措施，包括：增加電動(dòng)機(jī)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(gè)過程中，需要注意設(shè)定弱磁擴(kuò)速有關(guān)的電磁參數(shù)，其中包括：永磁同步電動(dòng)機(jī)的交直軸電抗、空載漏磁系數(shù)。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：TM351

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