宽转速永磁同步电动机电磁参数优化设计

孙建锐　于万娟（辽宁电机集团大型电机有限公司，辽宁　抚顺　113122）



宽转速永磁同步电动机电磁参数优化设计

孙建锐于万娟
（辽宁电机集团大型电机有限公司，辽宁抚顺113122）

摘要：永磁同步电动机在近些年受到越来越多的欢迎。特别是电动汽车领域，永磁同步电动机的使用可以有效的增加电动汽车的驱动性能。不过，基于自身条件的限制，永磁同步电动机在使用过程中存在一些问题，本文首先对永磁同步电动机的基本结构、数学模型以及控制原理做简要介绍，然后介绍永磁同步电动机的弱磁扩速措施以及与弱磁扩速有关的电磁参数。

关键词：永磁同步电动机；问题；措施；电磁参数

永磁同步电动机具有体积小、效率高、性能优异等特点，在近些年受到越来越多的欢迎。特别是在电动汽车领域，永磁同步电动机的使用可以有效增加电动汽车的驱动性能。不过，永磁同步电动机在使用过程中采用永磁体励磁，这种方式无法灵活调节励磁强度。此外，永磁体励磁会对直流母线的电压和逆变器的饱和度进行限制，永磁同步电动机在运行过程中的转矩和功率会快速下降，从而影响电动机的正常运转。本文首先对永磁同步电动机的基本结构、数学模型以及控制原理做简要介绍，然后介绍永磁同步电动机的弱磁扩速措施以及与弱磁扩速有关的电磁参数。

一、基本结构及数学模型

（一）永磁同步电动机结构特点

永磁同步电动机，顾名思义，其采用的是永磁体励磁。这种励磁方式的电动机的转子磁路会有所不同，一般有表面式和内置式两种。表面式转子磁路的永磁体位于转子的外表面，这样永磁体就可以充分地和空气接触，让永磁体的磁导率和空气相近，抑制弱磁的扩速作用。内置式转子磁路的永磁体位于转子内部，这种方式比较容易产生弱磁扩速。

（二）永磁同步电动机dq轴数学模型

永磁同步电动机的转轴运动是建立在dq轴数学模型基础上的，该模型的电压方程为：

磁链方程为：电磁体转矩方程：

二、永磁同步电动机的控制原理

（一）永磁同步电动机的 MPTA 控制通过上文中的（1）（2）（3）式，我们可以看出来，电动机的转矩是由电流的空间矢量is决定，is是由d轴和q轴的电流id和iq决定，因此，电动机的转矩实际是由d轴和q轴的电流id和iq决定。所以，永磁同步电动机的 MPTA 控制均需要通过对d轴和q轴的电流id和iq的控制加以完成。

（二）永磁弱磁原理

永磁电动机在运转的时候为保证电动机的持续正常运转，需要尽量减少励磁磁动势，保证电动机的供电电压平衡稳定供给，不过永磁同步电动机的励磁磁动势一般是无法进行调节的，只能间接地加以控制，通常的做法是在电枢中加入一个反向的磁场来抵消掉一部分励磁磁动势，从而达到控制永磁励磁磁动势的目的。

三、永磁同步电动机的弱磁扩速措施

（一）增加电动机直轴电感和永磁体产生的磁链

永磁电动机的磁场控制是由直轴电感和永磁体产生的磁链完成的，所以，在实际的工作中会经常增加电动机直轴电感和永磁体产生的磁链，从而达到弱磁效果。此外，电枢反应也需要弱磁环境实现，增加电动机直轴电感和永磁体产生的磁链不仅可以增大永磁电动机的调速范围，还可以增大电枢反应，以保证永磁电动机正常运转。

（二）减小交轴电感

交轴电感的减小可以同时改变电感各轴向电流分量的大小，这种电流的改变必然会让磁场发生变化，同时，电流的大小和磁场的大小成正比，所以，想要实现等效的弱磁效应，就可以进行对应的弱电流控制。

（三）合理选择漏磁系数

磁场在通过气隙的时候会发生漏磁现象，这会造成一定的资源浪费，但是这种漏磁是微乎其微的。我们借助漏磁系数的调节，来控制磁场在通过气隙的时候漏磁多少，漏磁系数越大，漏磁现象越明显，那么通过气隙的磁通量就会减少得越多。所以，改变漏磁系数的大小可以有效达到弱磁的目的，从而实现弱磁扩速的目的。

四、与弱磁扩速有关的电磁参数

（一）永磁同步电动机的交直轴电抗

在上文中我们简单介绍了永磁同步电动机dq轴数学模型，通过这个模型，我们了解到实现永磁同步电动机的弱磁效果与直轴和交轴同步电抗Xd和Xq有非常紧密的联系。永磁同步电动机的电抗主要分为两种类型，第一种是电枢旋转磁场产生的电抗，第二种是漏磁现象产生的漏磁电抗。在优化电磁参数的选择上，会首先考虑永磁体充磁方向长度的变化永磁体充磁方向长度减小，会使得直轴电枢电感增大，电感的增大会造成电抗的增大，而电抗增大就会让气隙长度的影响增大。这样一系列的影响是连续变化的，在优化电磁参数的时候，任何一个环节的改变会让整个系统发生改变。

（二）空载漏磁系数

前文已经简单介绍了漏磁系数对弱磁扩速的影响，不过，漏磁系数的调节对应的漏磁现象产生并非是线性变化，所以，如何对漏磁系数进行科学的设定需要一整套数据作为支撑。不过，在实际的工作中，永磁体磁化方向长度具有不确定性，那么就需要合理选择电动机气隙的大小，间接地调节空载漏磁系数的大小。

结语

通过上文对永磁同步电动机结构特点、永磁同步电动机dq轴数学模型以及永磁同步电动机的控制原理的介绍，我们列举了一些永磁同步电动机的弱磁扩速措施，包括：增加电动机直轴电感和永磁体产生的磁链、减小交轴电感、合理选择漏磁系数。在这个过程中，需要注意设定弱磁扩速有关的电磁参数，其中包括：永磁同步电动机的交直轴电抗、空载漏磁系数。

参考文献

[1]宋志环.永磁同步电动机电磁振动噪声源识别技术的研究[D].沈阳工业大学，2010.

[2]欧金生.高动态性能稀土永磁同步电动机的设计研究[D].湖南大学，2007.

中图分类号：TM351

文献标识码：A