永磁同步電動機弱磁擴(kuò)速概況
李春艷，寇寶泉，程樹康
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：分析了適合弱磁運行的永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)特點，從本體和控制兩個方面介紹了永磁同步電動機的弱磁方法，指出各種方法的優(yōu)缺點。最后綜述了國內(nèi)外弱磁擴(kuò)速研究的發(fā)展現(xiàn)狀，重點介紹了復(fù)合轉(zhuǎn)子電機和4種通過改變磁通路徑弱磁的新型電機。
關(guān)鍵詞：永磁同步電動機；復(fù)合轉(zhuǎn)子；磁通路徑；弱磁
中圖分類號：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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，永磁同步電動機獲得了廣泛研究和應(yīng)用。隨著變頻技術(shù)的日趨完善，永磁同步電動機和變頻控制實現(xiàn)機電一體化，使永磁同步電動機驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)勢已越來越明顯。特別是稀土永磁同步電動機，采用高性能稀土永磁材料為同步電機產(chǎn)生勵磁磁場，使電機的運行效率和功率因數(shù)大幅度提高。并且該驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)速精度高，調(diào)速比大，輸出特性硬，運轉(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)載波動的特性。通過變頻器有效控制，可使其輸出轉(zhuǎn)速保持恒定，在某些機械傳動中去掉減速器，這無疑給整個機械制造帶來一場新的革命。
但是，由于永磁同步電動機采用永磁體勵磁，磁場恒定，永磁體勵磁強度也就不可調(diào)節(jié)，在基速以上的恒功率運行區(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機的電磁轉(zhuǎn)矩性能，因而無法運行到較高的轉(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)揮永磁同步電動機驅(qū)動系統(tǒng)高效率的特長，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)的運行效率是變頻驅(qū)動系統(tǒng)的一個重要研究方向。
1永磁同步電動機結(jié)構(gòu)特點
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機分為表面磁鋼轉(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)永磁同步電動機的氣隙均勻，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)動系統(tǒng)。而嵌入磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動機由于交直軸電感不相等，會產(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，因此該種電機的調(diào)速范圍較寬，效率較高，適合用于高速恒功率驅(qū)動領(lǐng)域。
對于嵌八磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動機，通過巧妙設(shè)計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永磁同步電動機的弱磁方法
永磁同步電動機可以從本體和控制兩個角度實現(xiàn)弱磁。
從本體的角度，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁電機通過調(diào)節(jié)定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量，以電機氣隙磁場的減弱來等價于直接減弱勵磁磁場來達(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)的永磁同步電動機主要有兩種弱磁方法：一種是通過復(fù)合轉(zhuǎn)子實現(xiàn)弱磁，另一種是通過設(shè)計漏磁通路實現(xiàn)弱磁，這兩種方法弱磁原理以及優(yōu)缺點將分別在下文詳述。
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)，用控制的方法去實現(xiàn)，比如通過控制超前角的方法實現(xiàn)弱磁。
3永磁同步電動機弱磁研究現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)外永磁同步電動機在這個研究領(lǐng)域上的研究現(xiàn)狀如下：
3．1在永磁同步電動機弱磁控制的具體實施上還存在不同觀點和分歧[4]。
日本的森本茂雄(Shigeo Mocimotor)及美國的理查德.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機(Xd<Xq)的弱磁問題。當(dāng)E。=xdId時，認(rèn)為Xq-Xd越大越好；而當(dāng)E0≠xdId時，前者認(rèn)為E。小一點好，后者認(rèn)為E0大一點好。其中，E。是電機在單位速度下的反電勢，Xd是直軸電抗，Id是直軸電流。
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