永磁同步電機在拖動系統中的應用與降噪

范超+余以兵

[摘 要]21世紀，科學技術飛速發展，高新技術不斷涌現，資源口益減少，人們對節電、環保意識口益增強，使得傳統的電勵磁電機受到了挑戰，同時也為新型永磁電機提供了發展機遇。與傳統的電勵磁電機相比，永磁同步電機有效率高、功率因數高、體積小，材料利用率高，重量輕等特點，具有不可比擬的優點。因此，近年來，隨著永磁材料的性價比提高，以及電力電子技術的進步，永磁電機的發展也受到了各方關注。

[關鍵詞]永磁同步電機；電磁設計；降噪

中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）15-0318-01

一：永磁同步電機應用與電磁設計

1.1永磁同步電機的運行分析

永磁同步電機調速系統中，最關鍵的問題就是實現電動機瞬時轉矩的高性能控制。對于永磁同步電機系統的要求可歸納為：響應快、精度高、轉矩脈動小、系統效率和功率因數高等。對永磁同步電機的輸出轉矩的控制可歸結為對交軸電流和直軸電流的控制。交、直軸電流的不同組合，將影響控制系統的效率、功率因數及轉矩輸出能力等。如何根據給定的轉矩來確定交軸電流和直軸電流，實際上就是對定子電流矢量控制的問題。

1.2永磁電機的電磁設計

（1）永磁電機的磁路設計

磁路設計是根據對磁場的要求，合理地選擇磁路的參數和材料，設計出工藝上可行、特性滿足要求、經濟性好、能充分發揮材料性能的磁路。一般的設計過程是：首先根據磁路特性的要求，初步確定磁路的大致結構，確定各部分磁路的尺寸和材料，然后采用合適的計算方法計算磁路特性。若計算結果與性能要求之間的誤差在允許范圍內，則磁路設計成功完成；否則要重新調整磁路尺寸或材料，直至得到合理的磁路。

電勵磁電機的磁路設計己相當成熟，永磁電機與其區別主要在永磁體的設計與計算，因此永磁同步電機磁路設計關鍵在于永磁材料的選擇和工作點的設計。

（2）永磁體的選擇

由于永磁體及其性能的多樣性，如何選擇合適的永磁體材料及尺寸直接關系到電機的性能和經濟性。永磁體選擇應滿足以下要求：永磁體在規定的工作空間內能產生所需要的磁場；永磁體所產生的磁場有一定的穩定性，能承受工作環境溫度而不發生不可接受的變化；具有良好的力學性能和可工藝性；

（3）永磁體的設計

永磁體的形狀通常與所選擇的磁極結構有關，永磁同步電動機的轉子磁路結構不同，則電動機的運行性能、控制系統、制造工藝和適應場合也不同。目前有以下幾種結構：表面式轉子磁路結構、內置式轉子磁路結構、爪極式轉子磁路結構、復合勵磁轉子磁路結構，考慮電梯設備的特殊情況，我們選用了表面式轉子磁路結構，并將電機結構設計成外轉子，這樣永磁體位于轉子鐵心的內表面上，永磁體提供磁通的方向為徑向。由于永磁材料的相對回復磁導率接近1，所以表面凸出式轉子在電磁性能上屬于隱極轉子結構，這種轉子結構：具有結構簡單、制造成本較低等優點，表面式轉子結構中的永磁磁極易于實現最優設計，使之成為能使電動機氣隙磁密波形趨近正弦波的磁極形狀，可以顯著提高電動機乃至整個傳動系統的性能。

（4）永磁同步電機的磁路分析

磁路計算的目的是在己知永磁體性能和磁路尺寸條件下，求解永磁體工作圖的各項數據，并根據永磁體工作圖調整磁路尺寸，以保證磁路的合理設計。

永磁體向外磁路所提供的總磁通中可分為兩部分，一部分與電樞繞組匝鏈，稱為主磁通（即每極氣隙磁通）中；另一部分不與電樞繞組匝鏈，稱為漏磁通中二。相應地將永磁體以外的磁路（以后稱為外磁路）分為主磁路和漏磁路，相應的磁導分別為主磁導和漏磁導。稀土永磁同步電動機實際的外磁路比較復雜，分析時可根據其磁通分布情況分成許多段，再經串、并聯進行組合。主磁導和漏磁導是各段磁路磁導的合成。

二.永磁同步電機的噪聲分析

2.1 電磁噪聲的抑制措施

電機的電磁噪聲是由于氣隙中電磁徑向力引起電機機座振動造成，因此電磁噪聲的抑制主要措施為：

1降低電磁徑向力

（1）適當增大定子氣隙，降低氣隙磁導，從而降低氣隙諧波磁場，由于徑向力與氣隙磁場的平方成正比，于是即能降低電磁徑向力。

因此永磁同步電機氣隙值取得較大。

（2）定子齒采用斜槽，有效地削弱諧波磁場，從而降低電磁徑向力，降低電磁噪聲。

（3）采用分數槽繞組，削弱感應電勢的高次諧波分量，從而減小紋波轉矩。

（4）定子繞組采用合適的并聯支路數，減少電機磁路不均勻的影響，降低不平衡電磁拉力，從而降低電磁噪聲。

2降低電機表面振動量

電機表面的振動量除直接與徑向力的大小有關外，還與徑向力波次數及頻率有關，同時與電機的結構及其剛度有關。上節主要討論了降低徑向力大小來降低電機振動，本節則從提高電機結構件剛度來降低電機表面振動量。

（1）將電機結構件的固有頻率與電磁主要徑向力頻率錯開；

（2）采用合適結構，提高機座剛度，如在機座表面增加一定數量的散熱筋，既可以改善電機冷卻效果，也可提高機座剛度。

3降低聲輻射效率

根據圓柱體表面在徑向振動時輻射的聲強，與無限大平面以同樣頻率、同樣振幅振動時輻射聲強的比值，若取平面振動體聲強作為基準值，則該比值可以認為是相對聲輻射效率。相對聲輻射效率隨下列值而變化：

（1）振動模數m（即徑向力波次數）；

（2）電機表面有效半徑；

（3）電機長一徑比。

結語：由于永磁體的高磁能積和高矯頑力，使得永磁同步電動機具有體積小、重量輕、效率高、特性好等一系列優點，成為新一代電機的重要發展方向。但是由于永磁同步電動機結構復雜多樣，媒質交界面曲直交錯，永磁材料的磁特性為各向異性，使得永磁同步電動機的設計變得比較復雜，計算準確度比較差；另外，永磁同步電動機中一些特殊的電磁過程和一些專門問題如磁極結構形狀與尺寸的優化、永磁體的齒槽轉矩對電機的影響等都是設計的難點。目前，永磁同步電動機的設計方法己成為國內電機界研究的熱點。在構建節能型社會的進程中，高性能的永磁同步電動機因其高效節能的性能將有著巨大的市場潛力。如何設計出成本較低，性能較高的永磁同步電動機也將成為電機界研究的熱點。

參考文獻

[l] 唐任遠.現代永磁電機理論與設計.北京：機械工業出版社，1997， 40-158

[2] 張炳義，馮桂宏，王鳳翔.SPWM電源供電下低速大扭矩永磁同步電動機設計研究.電工技術學報，2001， 16（6）： 85-90

作者簡介

范超（1991-），男，漢族，四川樂山，單位：廣東工業大學2014級研究生，研究方向：控制科學與工程。

余以兵（1991-），男，漢族，籍貫：湖北荊州，單位：廣東工業大學2014級研究生，研究方向：控制科學與工程。