三相永磁同步電機(jī)之調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)

調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁路計(jì)算與異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)相同，即針對(duì)某一工作點(diǎn)的磁路計(jì)算可以完全參照異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)。不同之處在于，調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于高性能伺服驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域，其性能要求除了高效高轉(zhuǎn)矩密度外，還包括調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速準(zhǔn)確等。調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能在很大程度上與其相匹配的功率系統(tǒng)密不可分，因此其設(shè)計(jì)必須兼顧其功率系統(tǒng)，或者電機(jī)與功率系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)電機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合和有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要求，首先確定電動(dòng)機(jī)的控制策略及逆變器的容量，然后根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)的有關(guān)知識(shí)具體設(shè)計(jì)電機(jī)，下面以矢量控制調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)為例，分析該種電機(jī)不同于異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的主要性能是它的調(diào)速范圍和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。調(diào)速范圍分為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和弱磁恒功率區(qū)，如圖1于27所示。圖中嘰為轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速，是恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)的分界點(diǎn)，此時(shí)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)達(dá)到最大值，折算到逆變器直流母線側(cè)為其直流電壓值。轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速一般設(shè)計(jì)為其額定工作轉(zhuǎn)速，該點(diǎn)的額定運(yùn)行狀態(tài)需要進(jìn)行磁路設(shè)計(jì)并進(jìn)行熱負(fù)荷計(jì)算，顯然希望該額定工作點(diǎn)具有盡可能高的運(yùn)行效率；同時(shí)需要計(jì)算該點(diǎn)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，并校核電機(jī)起動(dòng)加速至該轉(zhuǎn)速所需時(shí)間是否滿足要求。圖10-27中，為最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速，

需要計(jì)算起動(dòng)加速至該轉(zhuǎn)速所需時(shí)間，并校核在該轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的永磁體抗去磁能力。

一、主要尺寸及氣隙選擇

調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要尺寸可由所需的最大轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)確定。下面以表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)為例給出電機(jī)主要尺寸的設(shè)計(jì)過程。調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與電磁負(fù)荷、電動(dòng)機(jī)主要尺寸之間滿足如下關(guān)系式：

考慮到電機(jī)的安裝等要求，調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度一般大于同規(guī)格感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)采用高性能的稀土永磁材料，因此稍微增大氣隙不會(huì)引起電機(jī)性能的改變。電機(jī)氣隙的選擇不但與所采用的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與電機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力要求有關(guān)。在表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子鐵心上的瓦片形磁體需要加裝磁體保護(hù)套。為減小漏磁，保護(hù)套一般采用非導(dǎo)磁材料，因此電機(jī)的有效氣隙較大。對(duì)于采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)且要求有一定恒功率運(yùn)行速度范圍的調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)，氣隙不宜太大，否則將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的直軸電感過小，弱磁能力不足，無法達(dá)到要求的最高轉(zhuǎn)速。

確定電動(dòng)機(jī)的定子外徑時(shí)，一般是在保證電動(dòng)機(jī)有足夠散熱能力的前提下，為提高電動(dòng)機(jī)效率而加大定子外徑或?yàn)闇p小電動(dòng)機(jī)制造成本而縮小定子外徑，視具體情況而定。

二、轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的選擇

轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)主要考慮機(jī)械強(qiáng)度、有無恒功率運(yùn)行要求及加工成本等。當(dāng)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速不是很高時(shí)，可以選用表面凸出式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，采用無緯玻璃絲帶作為磁體保護(hù)套，具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度且加工工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，但電機(jī)沒有凸極性，弱磁能力差；對(duì)于高速電機(jī)，采用表面凸出式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)時(shí)必須采用高強(qiáng)度的金屬材料（如欽合金或不銹鋼）作磁體保護(hù)套；如電機(jī)要求一定的恒功率運(yùn)行速度范圍，則應(yīng)采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)不但易于弱磁擴(kuò)速，而且漏磁系數(shù)比表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)要大，有助于提高電機(jī)的抗去磁能力。