三相永磁同步電機之調(diào)速永磁同步電動機的設計

調(diào)速永磁同步電動機的磁路計算與異步起動永磁同步電動機相同，即針對某一工作點的磁路計算可以完全參照異步起動永磁同步電動機。不同之處在于，調(diào)速永磁同步電動機主要應用于高性能伺服驅(qū)動控制領(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)、動態(tài)響應快速準確等。調(diào)速永磁同步電動機的性能在很大程度上與其相匹配的功率系統(tǒng)密不可分，因此其設計必須兼顧其功率系統(tǒng)，或者電機與功率系統(tǒng)協(xié)調(diào)設計。具體設計時，應根據(jù)電機系統(tǒng)的應用場合和有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟指標要求，首先確定電動機的控制策略及逆變器的容量，然后根據(jù)電機設計的有關(guān)知識具體設計電機，下面以矢量控制調(diào)速永磁同步電動機為例，分析該種電機不同于異步起動永磁同步電動機的設計特點。

永磁同步電動機調(diào)速傳動系統(tǒng)的主要性能是它的調(diào)速范圍和動態(tài)響應性能。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，此時電機的電動勢達到最大值，折算到逆變器直流母線側(cè)為其直流電壓值。轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速一般設計為其額定工作轉(zhuǎn)速，該點的額定運行狀態(tài)需要進行磁路設計并進行熱負荷計算，顯然希望該額定工作點具有盡可能高的運行效率；同時需要計算該點的最大輸出轉(zhuǎn)矩，并校核電機起動加速至該轉(zhuǎn)速所需時間是否滿足要求。圖10-27中，為最高運行轉(zhuǎn)速，

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

一、主要尺寸及氣隙選擇

調(diào)速永磁同步電動機的主要尺寸可由所需的最大轉(zhuǎn)矩和動態(tài)響應指標確定。下面以表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)電動機為例給出電機主要尺寸的設計過程。調(diào)速永磁同步電動機的最大轉(zhuǎn)矩與電磁負荷、電動機主要尺寸之間滿足如下關(guān)系式：

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

確定電動機的定子外徑時，一般是在保證電動機有足夠散熱能力的前提下，為提高電動機效率而加大定子外徑或為減小電動機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)主要考慮機械強度、有無恒功率運行要求及加工成本等。當電動機最高轉(zhuǎn)速不是很高時，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套，具有足夠的機械強度且加工工藝簡單、成本低廉，但電機沒有凸極性，弱磁能力差；對于高速電機，采用表面凸出式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)時必須采用高強度的金屬材料（如欽合金或不銹鋼）作磁體保護套；如電機要求一定的恒功率運行速度范圍，則應采用內(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)永磁同步電動機不但易于弱磁擴速，而且漏磁系數(shù)比表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)電機要大，有助于提高電機的抗去磁能力。