永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁擴(kuò)速分析
尹華杰 （華南理工大學(xué) 廣州 510641）
林金銘 金振榮（華中理工大學(xué)）
【摘 要】介紹永磁同步電機(jī)的弱磁擴(kuò)速原理以及弱磁擴(kuò)速難的原因，評(píng)述國際上永磁同步電機(jī)弱磁擴(kuò)速的方法和研究成果。指出將優(yōu)化的控制方法和復(fù)合永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相結(jié)合的對(duì)策是****解決弱磁擴(kuò)速的****選擇，并針對(duì)這種新型結(jié)構(gòu)提出了尚需攻克的難點(diǎn)。
【敘 詞】永磁電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速／復(fù)合永磁轉(zhuǎn)子分析
1引言
近10年來，由于釹鐵硼(ndfeb)永磁材料的開發(fā)及性能的改善，永磁同步電機(jī)（包括無刷直流電機(jī)）轉(zhuǎn)矩密度越來越大，優(yōu)點(diǎn)越來越突出，在要求“短、小、輕、薄”、高精度、寬調(diào)速范圍的許多驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合，得到了大量研究和應(yīng)用。
然而，無刷直流電機(jī)勵(lì)磁不可調(diào)，根本無法在高速下進(jìn)行恒功率運(yùn)行。即使是由正弦波pwm逆變器驅(qū)動(dòng)、利用電流相位控制消弱永磁場(chǎng)的永磁同步電機(jī)，在高速下的輸出功率也往往隨速度增加而迅速下降，無法獲得較為寬廣的高速恒功率調(diào)速范圍。永磁同步電機(jī)的這一缺陷嚴(yán)重限制了其進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。
擴(kuò)展永磁同步電機(jī)的高速范圍，擴(kuò)大其輸出功率，已經(jīng)成為電機(jī)研究中的一個(gè)重要課題，引起了國內(nèi)外許多學(xué)者的興趣和關(guān)注。
2 永磁同步電機(jī)的弱磁擴(kuò)速原理及弱磁擴(kuò)速難的原因
永磁同步電機(jī)的擴(kuò)速研究正在不斷取得進(jìn)展．但即使是站在這一研究前沿的人．有些也對(duì)擴(kuò)速的機(jī)理以及擴(kuò)速難的原因缺乏本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，影響了對(duì)永磁同步電機(jī)的擴(kuò)速研究。
2.1弱磁擴(kuò)速原理
和電勵(lì)磁同步電機(jī)不同，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁固定不變，永磁場(chǎng)產(chǎn)生的反電勢(shì)和速度成正比，當(dāng)電機(jī)端電壓隨轉(zhuǎn)速升高到逆變器能夠輸出的****電壓之后，繼續(xù)升高電機(jī)的速度，永磁同步電機(jī)將無法再作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，而必須采取下述措施之一（或兼而用之），以維持電樞繞組的電勢(shì)平衡，從而獲得一個(gè)新的調(diào)速范圍。
措施1：對(duì)于可以進(jìn)行電流相位控制的永磁同步電機(jī)．使直軸電流id≠o，并起去磁作用．以消弱永磁場(chǎng)（即所謂弱磁），且隨著速度的升高，起去磁作用的厶分量要不斷增加，電勢(shì)平衡才能繼續(xù)維持。這種弱磁能力的大小與電樞繞組的直軸電感厶成正比。
措施2：使電樞電流的交軸分量逐漸減小，從而減小其電樞反應(yīng)的助磁作用及氣隙合成磁場(chǎng)（這是一種等效弱磁）。這種弱磁能力的大小與交軸電感l(wèi)成正比。要特別指出的是盡管這一等效弱磁措施能夠擴(kuò)展電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍之外的凋速范圍（即弱磁范圍）．但它以犧牲恒轉(zhuǎn)矩淵速范圍和輸出轉(zhuǎn)矩為代價(jià)。因此，其能為的大小對(duì)電機(jī)的總調(diào)速范圍沒有多大影響。相反，隨著這種能力的增大恒轉(zhuǎn)矩范圍變窄，弱磁范圍變寬．電機(jī)總的調(diào)速范圍會(huì)有所減小．電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩特性會(huì)越來越軟。
無刷直流電機(jī)只能采用弱磁措施2進(jìn)行等效弱磁擴(kuò)速。弱磁時(shí)．隨著速度的增加，電機(jī)的輸入電流、輸出功率都將迅速下降到零，因此無法作恒功率運(yùn)行。
對(duì)于可以進(jìn)行電流相位控制的永磁同步電機(jī)是同時(shí)采用措施1、2進(jìn)行弱磁擴(kuò)速的。弱磁時(shí)．隨著速度的增加，直軸電流ia不斷增加，而交軸電流不斷減小（直到零）。只要電流分量控制適當(dāng)，就有可能獲得一個(gè)輸出恒定功率的調(diào)速范圍（即恒功率弱磁范圍）。在不打破電流限制的情況下．能夠獲得寬廣的弱磁范圍的條件是，贏軸電流的直軸電樞反應(yīng)去磁磁通能夠完全消弱永磁通（指基波分量）。這時(shí)電機(jī)在理論上可以在任意的高速下進(jìn)行弱磁運(yùn)行．并輸出基本恒定的功率。這一條件可表述為：
式中，ec, xa是電機(jī)在單位速度下的反電勢(shì)和直軸電抗。電機(jī)能夠在寬廣的弱磁范圍內(nèi)輸出盡可能大的功率的條件，直軸電樞反應(yīng)去磁磁通能夠正好抵消永磁通，或表述為：
2.2永磁同步電機(jī)弱磁擴(kuò)速難的原因
在永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中（這呈不包括無刷直流電機(jī)系統(tǒng)）．即使采用弱磁擴(kuò)速措施．也常常達(dá)不到預(yù)期的擴(kuò)速效果．高速下的輸出功率往往將隨速度 |
