永磁同步電動(dòng)機(jī)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(yùn)行的永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從本體和控制兩個(gè)方面介紹了永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁方法，指出各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。最后綜述了國(guó)內(nèi)外弱磁擴(kuò)速研究的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了復(fù)合轉(zhuǎn)子電機(jī)和4種通過改變磁通路徑弱磁的新型電機(jī)。
關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)；復(fù)合轉(zhuǎn)子；磁通路徑；弱磁
中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(lái)，永磁同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)和變頻控制實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化，使永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)已越來(lái)越明顯。特別是稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)，采用高性能稀土永磁材料為同步電機(jī)產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)，使電機(jī)的運(yùn)行效率和功率因數(shù)大幅度提高。并且該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速精度高，調(diào)速比大，輸出特性硬，運(yùn)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(dòng)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(jī)械傳動(dòng)中去掉減速器，這無(wú)疑給整個(gè)機(jī)械制造帶來(lái)一場(chǎng)新的革命。
但是，由于永磁同步電動(dòng)機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，磁場(chǎng)恒定，永磁體勵(lì)磁強(qiáng)度也就不可調(diào)節(jié)，在基速以上的恒功率運(yùn)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(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩性能，因而無(wú)法運(yùn)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高效率的特長(zhǎng)，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(yùn)行效率是變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)重要研究方向。
1永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)。而嵌入磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)由于交直軸電感不相等，會(huì)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(jī)的調(diào)速范圍較寬，效率較高，適合用于高速恒功率驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。
對(duì)于嵌八磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，通過巧妙設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的弱磁方法
永磁同步電動(dòng)機(jī)可以從本體和控制兩個(gè)角度實(shí)現(xiàn)弱磁。
從本體的角度，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)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(jī)氣隙磁場(chǎng)的減弱來(lái)等價(jià)于直接減弱勵(lì)磁磁場(chǎng)來(lái)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(huì)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(dòng)機(jī)主要有兩種弱磁方法：一種是通過復(fù)合轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)弱磁，另一種是通過設(shè)計(jì)漏磁通路實(shí)現(xiàn)弱磁，這兩種方法弱磁原理以及優(yōu)缺點(diǎn)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(shí)現(xiàn)，比如通過控制超前角的方法實(shí)現(xiàn)弱磁。
3永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁研究現(xiàn)狀
目前，國(guó)內(nèi)外永磁同步電動(dòng)機(jī)在這個(gè)研究領(lǐng)域上的研究現(xiàn)狀如下：
3．1在永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制的具體實(shí)施上還存在不同觀點(diǎn)和分歧[4]。
日本的森本茂雄(Shigeo Mocimotor)及美國(guó)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(dòng)機(jī)(Xd<Xq)的弱磁問題。當(dāng)E。=xdId時(shí)，認(rèn)為Xq-Xd越大越好；而當(dāng)E0≠xdId時(shí)，前者認(rèn)為E。小一點(diǎn)好，后者認(rèn)為E0大一點(diǎn)好。其中，E。是電機(jī)在單位速度下的反電勢(shì)，Xd是直軸電抗，Id是直軸電流。
3.2傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁效果較差
從結(jié)構(gòu)上看，由于永磁體磁阻率接近于空氣，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，其永磁體總是串聯(lián)在電機(jī)的直軸磁路上，等效氣隙很大，直軸電抗很小，在正常的電樞電壓下，不可能獲得很大的直軸電流，因而無(wú)法獲得滿意的弱磁效果。這就要求尋找特種結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，以適應(yīng)弱磁運(yùn)行的要求。
3.3復(fù)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)
隨著永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁技術(shù)的研究深入，許多恒功率應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)使用永磁同步電動(dòng)機(jī)，其中為電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)開發(fā)的永磁加磁阻式的復(fù)合轉(zhuǎn)子是一種被學(xué)術(shù)界接受的有效弱磁結(jié)構(gòu)[5-6]，圖2為一種復(fù)合轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)圖。
w Muhlegger和w Teppan首次提出在永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上加一段特殊的不對(duì)稱的鐵心[7]，鐵心的直軸電感大于交軸電感，弱磁控制時(shí)直軸電樞反應(yīng)明顯增強(qiáng)，速度范圍變寬。 奧地利的werner Mulegger等人提出使用一個(gè)永磁轉(zhuǎn)子和一個(gè)磁阻轉(zhuǎn)子的復(fù)合永磁轉(zhuǎn)子弱磁方案。復(fù)合永磁轉(zhuǎn)子弱磁結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子由一個(gè)永磁段和一個(gè)磁阻段組成，兩者之間有一定的間隙，以防止漏磁；永磁轉(zhuǎn)子采用普通的永磁體表面安裝型結(jié)構(gòu)；磁阻轉(zhuǎn)子采用同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；而定子和普通永磁同步電動(dòng)機(jī)一樣，沒有任何特別之處。
在國(guó)內(nèi)，也曾有人專門研究過復(fù)合永磁轉(zhuǎn)子的弱磁方案，還有的學(xué)者專門研究過永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁段長(zhǎng)度的計(jì)算[8]。研究表明，復(fù)合轉(zhuǎn)子的PMSM弱磁運(yùn)行，可以大幅度增大其調(diào)速范圍；復(fù)合永磁轉(zhuǎn)子可以增大直軸電抗，從而增大弱磁效果，但同時(shí)使永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度降低，高速時(shí)鐵磁損耗很大。
3．4改變磁通路徑的弱磁方案
1993年美國(guó)俄亥俄州大學(xué)(the Ohiostate univ—eristv)的L．xu，L.Ye，L.zhen等人提出了利用改變磁通路徑的方法弱磁的一種新型永磁電機(jī)[9]，電機(jī)橫截面如圖3所示。
這種方法不再通過增加直軸電樞反應(yīng)，利用增加直軸電流弱磁，而是在轉(zhuǎn)子中加入了4個(gè)環(huán)形軟鐵ABcD，電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)利用直軸電流來(lái)改變磁通的路徑，從而減少了永磁體到電樞繞組的磁通，其永磁體本身的磁通并沒有發(fā)生改變。
1998年廣州華南理工大學(xué)的尹華杰等人曾提出過利用漏磁路的思想來(lái)達(dá)到弱磁的目的 [10]。圖4為其提出的電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。  這種方法通過對(duì)永磁體厚度、氣隙高度、漏磁間隙長(zhǎng)度和寬度的適當(dāng)設(shè)計(jì)，電機(jī)的直軸電樞反應(yīng)電抗顯著增大，弱磁效果提高，轉(zhuǎn)矩密度無(wú)明顯下降，弱磁磁通大部分不通過永磁體，不易產(chǎn)生退磁。
2002年日本08aka PrefeetlJre unive^scv的LelMa．Masavuki Sanada．Shige0 M0rimoto，YojiTakeda等人提出一種新型的可凋磁的高功率的永磁同步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
安裝在定子兩側(cè)的調(diào)節(jié)器可以改變軟鐵盤與轉(zhuǎn)子的距離，從而改變磁通的路徑。轉(zhuǎn)速越高，軟鐵盤與轉(zhuǎn)子的之間的氣隙長(zhǎng)度越小。
本文作者于2003年提出了一種基于離心力弱磁的新型轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖6所示。
漏磁用導(dǎo)磁材料、鋁片與弱磁用永磁體靠近軸的一方結(jié)合在一起，弱磁用永磁體兩方采取沿徑向同極性相對(duì)配置，根據(jù)磁極同極相斥原理使兩個(gè)相對(duì)的弱磁用永磁體產(chǎn)生斥力。
作用在導(dǎo)磁材料上的離心力隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增大，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，當(dāng)超過一定速度時(shí)候(基速)時(shí)，導(dǎo)磁材料逐漸遠(yuǎn)離電機(jī)軸，向外周靠近，當(dāng)作用在導(dǎo)磁材料上的離心力和斥力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，導(dǎo)磁材料便不再移動(dòng)。而隨著導(dǎo)磁材料向外移動(dòng)，漏磁路的磁阻逐漸減小，漏磁通逐漸增大，從而流過氣隙的磁通就越小，從而實(shí)現(xiàn)了弱磁。
3．5控制角度考慮弱磁增速[11]
通過控制定子中的直軸電流分量達(dá)到弱磁增速的目的。例如國(guó)內(nèi)有學(xué)者提出采用超前角控制的永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁增速方法[12]。它是根據(jù)電流矢量圖．令id=isina，iq=icosa，在正常工作狀態(tài)下，有α=O。弱磁時(shí)，適當(dāng)增大α的值，可以增加id分量，減弱氣隙磁通，達(dá)到弱磁升速的目的。其中α角稱為超前角。增大超前角，可以增加轉(zhuǎn)速；減小超前角則降低轉(zhuǎn)速。從控制的角度弱磁需要控制器，同時(shí)還需要一些系統(tǒng)硬件和軟件編程設(shè)計(jì)。
4結(jié)語(yǔ)
和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)和復(fù)合轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)通過弱磁控制能夠拓寬速度范圍，但是存在一些不足。與之相比，利用設(shè)計(jì)漏磁通路改變磁通路徑的方法為****解決永磁電機(jī)的弱磁問題提供了新的希望和途徑，目前這種利用漏磁通路弱磁的方法尚有待更為深入的研究：可見，尋找一種能夠****地滿足弱磁控制要求的新型永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和控制方法，是當(dāng)今電機(jī)界的重要研究課題。
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