稀土永磁同步電動機等效磁網絡設計法
謝 衛 汪國梁 (西安交通大學710049)
【摘要】運用磁通管原理建立自起動稀土永磁同步電動機的等效磁網絡模型，該模型可適用于不同的轉子磁路結構。文中介紹節點磁位方程的求解方法及等效磁網絡在永磁同步電動機電磁設計中的應用，給出設計值與實測值的比較。
【敘 詞】永磁電機同步電動機／磁網絡．／節點法設計
l引言
永磁同步電動機(pmsm)由于具有標觀效率(7/cos力高、結構靈活多樣等突出優點，在現代運動控制系統中居于****地位。特別是性能優異的第三代稀土永磁材料——釹鐵硼(nd -fe -b)的研制成功，使得稀土永磁同步電動機的應用日趨廣泛。然而，永磁電機。與一般的電勵磁式電機相比，磁路結構和運行性能都有很大不同，采用傳統的分析方法設計電機往往會產生較大的誤差，目前使用較多的等效磁路法存在許多不足之處。等效磁路法的理論基礎是合成磁場理論，屬于典型的集中參數方法。由于永磁同步電動機磁場分布復雜：僅依靠少量磁導構成的等效磁路模型是難以反映磁場的真實情況昀，尤其是氣隙磁場波形無法計算，使得一些關鍵參數（如極弧系數、漏磁系數和直、交軸電樞反應電抗等）的計算只得借助于經驗數據或曲線，而此類數據或曲線大都是針對特定結構尺寸和特定永磁材料的，其通用性較差。雖已提出并采用磁場的有限元分析作為輔助設計的手段，但由于有限元分析軟件要求計算機內存大，數據的前后處理工作復雜，特別是計算時間過長，不便于在實際中應用和推廣。因此，尋求一種既能滿足一定精度要求又可為生產實際所接受的稀土永磁同步電動機設計方法是非常必要的。
本文提出采用等效磁網絡法完成稀土永磁同步電動機的電磁設計。等效磁網絡的概念雖然早在60年代就已提出，但由于受當時計算設備的限制，未能加以推廣，其網絡形成的依據是等效磁通管原理，即將電機中磁通分布較均勻而幾何形狀又比較規則的部分作為一個獨立的單元，計算其等效磁導，這樣的單元有很多，如電機中定、轉子各個齒部以及齒與齒之間的軛部都可作為獨立的單元，各單元之間通過節點相連接。根據磁網絡與電網絡的相似性，由節點法或回路法即可求出各節點的磁位或通過各單元的磁通，進而求得電機的有關參數。
2等效磁網絡模型的建立
自起動永磁同步電動機實際上是常規籠型異步電動杌的改裝，其定子結構基本不變，轉子除鼠籠繞組外，還內嵌永磁體。與一般電勵磁式同步電動機相比，永磁體如同一個集成塊，集勵磁電源、引入裝置和勵磁繞組于一體，使轉子結構大為簡化。不僅如此，采用性能優良的永磁材料還可以減小永磁體體積，使轉子磁路結構靈活多樣，從而適應不同技術要求的需要。常見的磁路結構如圖1所示
在圖ld中，每對極包括一對主極和一對副極，主極徑向磁化，體積較大，電機氣隙磁通的大部分由它提供；副極切向磁化，體積較小，不僅本身能提供一部分氣隙磁通，而且能有效地減小主極的極間漏磁，提高永磁材料的利用率。考慮到磁路結構的對稱性以及模型求解的方便，在一對極范圍內畫出其相應的等效磁網絡，如圖2所示。
等效磁網絡中存在兩種不同性質的單元，等效磁導和等效磁勢源（或等效磁通源）。等效磁導按其屬性可分為三類：
a．線性磁導（圖2中用實線方框表示），包括定子槽漏磁導、轉子槽漏磁導，和轉子極靴間漏磁導（它們與通過自身的磁通無關，僅由電機結構尺寸決定。如果轉子
采用閉口槽，則轉子槽漏磁導g將受槽口磁路飽和的影響，應歸入固有非線性類。
b．參數非線性磁導（圖2中用虛線方框表示），包括定子各個齒表面與轉子各個齒表面之問的氣隙磁導，它們是轉子轉角的函數，定、轉子齒之間是否存在磁通支路將視具體計算出的氣隙磁導是否為零而定。由于氣隙是電機實現機電能量轉換的場所，氣隙磁導是等效磁網絡模型中的關鍵參數，本文采用磁通管法解析計算氣隙磁導[2]。
c．固有非線性磁導（圖2中用中間有斜線的實線方框表示），包括定子軛部磁導甌、定子齒部磁導一轉子齒部磁導、轉子極磁導和轉子軛部磁導.它們不僅與電機結構尺寸有關，而且還受自身磁路飽和程度的影響。值得注意的是，自起動永磁同步電動機的轉子槽常設計成刀形、梯形、雙籠型或深槽形，以利用擠流效應改善起動性能，此時轉子齒上、下部磁密有較大差值，整個齒應分為兩個單元計算。< |
