稀土永磁同步電機體積和功率上限研究
竇滿鋒 劉景林李鐘明 周鳳岐(西北工業大學西安710072)
摘 要 通過比較稀土永磁同步電機和電磁式同步電機的勵磁體積，比較兩者的功率密度，并以功率密度為基準研究稀土永磁同步電機的體積和功率上限，指出稀±永磁同步電機存在一體積、功率上限，在此上限以下，其功率密度較電磁式同步電機功率密度高，反之亦然。其體積上限主要受電機極對數和稀土永磁材料磁能積的影響。
敘 詞 同步電機永磁電機體積功率上限
1引 言
稀土永磁同步電機無電刷和滑環，轉子上無勵磁損耗和摩擦損耗，在一定條件下具有體積小、重量輕、效率高、結構簡單、運行可靠的優點。雖然勵磁不可調節，但在作為電動機使用時，功率因數可設計在1附近，作為發電機使用時，其抗去磁能力強，電壓調整率較小。近年，隨著稀土永磁材料、電力電子技術、控制技術和計算機技術的發展，各種稀土永磁同步電機，如高效節能自起動稀土永磁同步電動機、變頻調速稀土永磁同步電動機、自控式稀土永磁同步電動機（含稀土永磁無刷直流電機）、小型稀土永磁發電機等已逐步應用到航空航天、紡織機械、數控機床、壓縮機、汽車、摩托車等領域[2]。稀土永磁同步電機的發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機功率已達到250kw(8極)，****的發電機容量為1. 2mva，穗國已研制成1095kw的稀土永磁同步電動機[3]。為此，本文對稀土永磁同步電機的體積、功率上限進行研究。
2功率密度的比較
隨著體積的增大和容量的上升，稀土永磁同步電機體積小、重量輕的優勢能否繼續保持，可對比它和電磁式同步電機的功率密度（功率與有效體積之比）。由于稀土永磁同步電機轉子結構的復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磁體積比較其功率密度。假定：
(1)二者定子相同（電負荷a、極對數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。
該假定下兩種電機功率相同，設電磁式同步電機的勵磁體積為vf。，稀土永磁同步電機的勵磁體積為vim，當vfc>vfm時，稀土永磁同步電機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的功率密度可以提高；反之，當vfc <vfm時，電磁式同步電機的勵磁體積可以增加，其brms、pem有增加裕量，即電磁式同步電機功率密度可以提高。
3勵磁體積比較
當極對數尸和有效體積相同時，勵磁體積的比較可以簡化為每極所需勵磁橫截面積sf的比較，見圖1。
對于電磁式同步電機：
當稀土永磁同步電機徑向激磁時：
當永磁體切向激磁時：
比較式(6)和式(9)，說明稀土永磁同步電機無論是徑向激磁還是切向激磁，永磁體體積計算公式一致。同理，對于切、徑向混合激磁的稀土永磁同步電機，其永磁體體積計算公式也一樣。
比較電磁式和稀土永磁同步電機的st，可以看出s在與極距r無關，而s舢與極距r成正比，這一結論有以下含義：
(1)稀土永磁同步電機中永磁體的體積或用量不存在電機設計時功率與有效體積之間的相似關系。
(2)稀土永磁同步電機中永磁體的體積與極對數和轉子外徑有關，它直接影響電機的功率密度。
(3)假定下的k。相同，極弧系數和波形系數比較接近，sfm<sfe，可以簡化為：
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