稀土永磁同步電機(jī)體積和功率上限研究
竇滿鋒 劉景林李鐘明 周鳳岐(西北工業(yè)大學(xué)西安710072)
摘 要 通過比較稀土永磁同步電機(jī)和電磁式同步電機(jī)的勵(lì)磁體積，比較兩者的功率密度，并以功率密度為基準(zhǔn)研究稀土永磁同步電機(jī)的體積和功率上限，指出稀±永磁同步電機(jī)存在一體積、功率上限，在此上限以下，其功率密度較電磁式同步電機(jī)功率密度高，反之亦然。其體積上限主要受電機(jī)極對(duì)數(shù)和稀土永磁材料磁能積的影響。
敘 詞 同步電機(jī)永磁電機(jī)體積功率上限
1引 言
稀土永磁同步電機(jī)無電刷和滑環(huán)，轉(zhuǎn)子上無勵(lì)磁損耗和摩擦損耗，在一定條件下具有體積小、重量輕、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)。雖然勵(lì)磁不可調(diào)節(jié)，但在作為電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，功率因數(shù)可設(shè)計(jì)在1附近，作為發(fā)電機(jī)使用時(shí)，其抗去磁能力強(qiáng)，電壓調(diào)整率較小。近年，隨著稀土永磁材料、電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種稀土永磁同步電機(jī)，如高效節(jié)能自起動(dòng)稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)、自控式稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)（含稀土永磁無刷直流電機(jī)）、小型稀土永磁發(fā)電機(jī)等已逐步應(yīng)用到航空航天、紡織機(jī)械、數(shù)控機(jī)床、壓縮機(jī)、汽車、摩托車等領(lǐng)域[2]。稀土永磁同步電機(jī)的發(fā)有體積和容量逐步增大的趨勢，如我國目前容量****的稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)功率已達(dá)到250kw(8極)，****的發(fā)電機(jī)容量為1. 2mva，穗國已研制成1095kw的稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)[3]。為此，本文對(duì)稀土永磁同步電機(jī)的體積、功率上限進(jìn)行研究。
2功率密度的比較
隨著體積的增大和容量的上升，稀土永磁同步電機(jī)體積小、重量輕的優(yōu)勢能否繼續(xù)保持，可對(duì)比它和電磁式同步電機(jī)的功率密度（功率與有效體積之比）。由于稀土永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和稀土永磁材料磁性能的差異，直接比較二者的功率密度有一定的難度，可通過比較二者所需的勵(lì)磁體積比較其功率密度。假定：
(1)二者定子相同（電負(fù)荷a、極對(duì)數(shù)p和繞組型式相同）。
(2)等效氣隙長度如和有效體積相同。
(3)氣隙磁密有效值b。mi=aikbba相同。
該假定下兩種電機(jī)功率相同，設(shè)電磁式同步電機(jī)的勵(lì)磁體積為vf。，稀土永磁同步電機(jī)的勵(lì)磁體積為vim，當(dāng)vfc>vfm時(shí)，稀土永磁同步電機(jī)的永磁體用量可以增加，其br～pem都有增加的裕量，即稀土永磁同步電機(jī)的功率密度可以提高；反之，當(dāng)vfc <vfm時(shí)，電磁式同步電機(jī)的勵(lì)磁體積可以增加，其brms、pem有增加裕量，即電磁式同步電機(jī)功率密度可以提高。
3勵(lì)磁體積比較
當(dāng)極對(duì)數(shù)尸和有效體積相同時(shí)，勵(lì)磁體積的比較可以簡化為每極所需勵(lì)磁橫截面積sf的比較，見圖1。
對(duì)于電磁式同步電機(jī)：
當(dāng)稀土永磁同步電機(jī)徑向激磁時(shí)：
當(dāng)永磁體切向激磁時(shí)：
比較式(6)和式(9)，說明稀土永磁同步電機(jī)無論是徑向激磁還是切向激磁，永磁體體積計(jì)算公式一致。同理，對(duì)于切、徑向混合激磁的稀土永磁同步電機(jī)，其永磁體體積計(jì)算公式也一樣。
比較電磁式和稀土永磁同步電機(jī)的st，可以看出s在與極距r無關(guān)，而s舢與極距r成正比，這一結(jié)論有以下含義：
(1)稀土永磁同步電機(jī)中永磁體的體積或用量不存在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)功率與有效體積之間的相似關(guān)系。
(2)稀土永磁同步電機(jī)中永磁體的體積與極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)子外徑有關(guān)，它直接影響電機(jī)的功率密度。
(3)假定下的k。相同，極弧系數(shù)和波形系數(shù)比較接近，sfm<sfe，可以簡化為：
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