弱磁调速用永磁同步电机设计分析
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在面坐标系中，当永磁同步电机高速稳定运行 时，忽略定子电阻，电动机的电压矢量幅值可以表 示为
ｕ＝∞√（Ｌｑｉ。）２＋（￡ｄｉｄ＋砂ｆ）。
（１）
其中∞为电机的电角速度，砂，为永磁体磁链。
由式（１）可以得到电机的机械角速度计算公式为
ｎ：—＿＝＝＝二ｕ；＝＝； （２） Ｐ√（沙ｆ＋Ｌｄｉｄ）２＋（Ｌｑｉ。）２
关。从电机设计角度，在保持逆变器输出电压最大
值不变的情况下，可以通过减小永磁磁链砂，或增大
ｄ轴电感乙获得更大的聪。。，提高电机的弱磁扩速
能力。但是由电机的电磁转矩表达式
ｔ。＝ｐ［砂ｆｉ。＋（￡ｄ一￡。）ｉｆｉ，］
（４）
可以看出，减小永磁磁链砂，将使电磁转矩减
小，而增大乙导致电机凸极率下降使磁阻转矩减
（１．西安交通大学电气工程学院，西安７１００４９；２．快速制造国家工程研究中心，西安７１００４９）
摘要：在分析电机参数对弱磁调速性能影响的基础上，讨论了两种转子结构形式的内置式永磁同步电机设计。采
用磁场有限元分析方法计算转子永磁体分段与不分段两种结构形式电机的电感参数，并基于理论公式计算比较它们
的弱磁扩速性能。分析磁路饱和引起的电感参数非线性，讨论分段式永磁体结构中铁桥的存在对磁路饱和以及电机
墼皇垫．．．．．．．．．．．．．．一．．．．．．．．．．．．．．．．．—蘸譬粤ｌｏ，第４３孝第ｊ２蛹二潮 ●＿＿＿Ｍ－－ｍｑ－＿＿－■－■＿■Ｉ●Ｉ＿■■■＿■＿■■■＿＿＿■■Ｉ●＿－＿Ｉｌ■＿■－ｌ●－■●●■■■＿■■■＿＿－ｌ＿－■■■ｌｌ＿■＿＿Ｉ－－●＿＿●●■口ⅫＨ№ｋ ｊ－
，、ｕ’％“％＿
寸。利用Ｍａｘｗｅｌｌ ２Ｄ静磁场有限元分析进一步计算 电机的永磁磁链和电感参数，最后核算电机的额定
运行性能和弱磁扩速性能，经多次试算得到最佳设 计方案。
设计时为简便起见，电机的弱磁扩速性能采用
理论公式估算。电机在弱磁控制时，其ｄ、ｑ轴电压
和电流分量应满足下列约束关系‘５ Ｊ：
【厢≤ｉ‰ Ｊ√Ⅱｄ１‰‘≤‰ｍ
参数的影响。计算结果表明，电感参数非线性主要存在于电机的恒转矩运行区域，对弱磁调速性能的影响较小，分
段式永磁体结构更适合弱磁调速。
关键词：内嵌式永磁同步电机；弱磁调速；永磁体分段；磁路饱和
中图分类号：ＴＭ３５ｌ；ＴＭ３６＋３
文献标志码：Ａ
文章编号：１００１．６８４８（２０１０）１２．００１６．０５
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ Ｆｌｕｘ－ｗｅａｋｅｎｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＳＵＮ Ｈｕｉ—ｆａｎ９１，ＧＡＯ Ｌｉｎｌ，Ｕ Ｊｉ－ｌｉａｎ９１，ＬＩＵ Ｘｉｎ－ｚｈｅｎ９１，ＨＡＮＧ Ｄｅ—ｌｉａｎ９１，ＫＵＡＮＧ Ｊｕｎ．ｓｈｅｎ９２
构尺寸、电磁参数以及空载和额定运行性能，然后
根据电机参数用理论公式核算电机的弱磁调速性能，
经多次试算得到同时满足电机额定运行性能和弱磁
调速性能的设计方案。表ｌ给出了电机的主要结构
尺寸和设计参数。 表１ 内置式电机主要结构尺寸和参数
额定功率／ｋｗ
额定电渺Ａ
极对数
定子内彬ｎｌｌｎ
３．１ １１．９３
６ １０４
ｌｏｗｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅｉｒ ｆｌｕｘ—ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｆｏｒｍｕｌａｓ．Ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｎｏｎｌｉｎ— ｅａｒｉｔｙ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｆｉｅｌｄ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｗａｓ ａｎａｌｙｓｅｄ．ｎｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｉｒｏｎ ｂｒｉｄｇｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍａｇｎｅｔ ｓｅｇｍｅｎｔｓ ｏｎ ｆｉｅｌｄ
式中，Ｐ为电机极对数。 调速运行时，电机南驱动器供电，电机电压受逆
变器输出电压最大值的限制。当电机的端电压和电流均
达到最大值，且定子电流全部为直轴去磁电流分量时，
电动机可以达到的理想最ｆ寄机械角速度为
＾
ⅡＩｉｍ
，一Ｉ、
１‰２瓦Ｆｉ万
‘ｊ）
其中Ｕ｜ｉｍ为电压极限值。可见，电机的弱磁扩速
性能与永磁磁链砂，以及ｄ、ｑ轴电感ｋ、￡。密切相
ｅｎｔ ｒｏｔｏｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｆｌｕｘ—ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｃｏｎｔｒ０１．Ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｍａｇｎｅｔ ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｎｏｎ—ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ ｒｏｔｏｒ ｗｅｒｅ ｂｏｔｈ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｆｉｅｌｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｆｏｌ—
Ｆｉｅｌｄ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ
Ｏ 引言
永磁同步电机具有高功率密度、高转矩一惯量 比、高效率和高功率因数等优点，随着高性能永磁 材料成本的降低，永磁同步电机在数控机床、电动 汽车、Ｔ业机器人、航空航天以及雷达天线等驱动 和伺服系统中的应用越来越广泛…。
与表贴式电机相比，内置式永磁同步电机气隙 较小，直轴电感较大，同时可以充分利用磁阻转矩， 因此其弱磁扩速性能优于表贴式电机。文献［２］提 出了永磁体分段的内嵌式电机转子结构，利用永磁 体间存在的铁桥可以改变磁通路径，减小永磁体产
在永磁同步电机的实际调速过程中，定子电流 的交、直轴分量需要动态调节，磁路的饱和状态是 变化的，这导致电感参数呈现非线性一ｊ。本文采用 磁链法计算样机的电感参数，分析永磁体分段与不 分段两种转子结构形式磁路的饱和状态以及电感参
收稿日期：２０１０—０９．２３ 基金项目：国家科技重大专项资助项目（２００９ＺＸ０４０１０—０１３—０２５） ·Ｊ６·
生的气隙磁链，从而达到弱磁的目的。但永磁磁链 的减小可能导致电机过载能力下降。文献［３］进一 步探讨了分段式永磁体结构中铁桥的位置和宽度对 ·电机弱磁扩速性能的影响。本文基于一台已有表贴 式样机的定子结构尺寸，设计了两台３．Ｉ ｋＷ的内置 式永磁同步电动机，样机转子分别采用永磁体分段 与不分段两种结构形式。
图ｌ 内置式永磁体电机结构示意图
桥
图２分段式永磁体转子结构电机示意图 另一方面，从ｄ轴磁路的磁阻来讲，图１所示 不分段永磁体结构的直轴磁路主要由永磁体和气隙 组成，由于永磁体的磁导率很小，与气隙相当，所 以ｄ轴磁阻较大。而在图２所示分段式永磁体结构 中，两段永磁体之间的铁桥为铁磁材料，因此铁桥
·１７·
堡－…．皇二％垫＿－●．＿－ｌ●一ｌ＿＿．■－－一－＿＿ｌ一－Ｉ●一＿＿＿－＿＿－Ｉ●＿＿ｌＩ＿－－－●．－＿＿＿●＿Ｉ＿．Ｉ●．－ｌＩ＿－－●●ｌ●●＿－－－－＿＿一ｌ●．＿ＩＩ．＿－＿．＿ＩＥ麓㈣ｍ二》“ｉｉ抽ｔｏ ４ｓ ｍｌ，，溺 ｔ２ 一’ⅧⅫ■
弱磁调速用永磁同步电机设计分析
孙慧芳１，高 琳１，李计亮１，刘新正１，梁得亮１，邝俊生２
４ 电感参数的饱和特性计算
３电机本体设计
本文基于一台已有表贴式样机，设计一台弱磁
调速用内置式永磁同步电动机。设计初始，保持表
贴式样机的定子结构尺寸，重点确定内置式电机的
转子结构尺寸，然后在满足工艺要求的基础上微调
定子结构尺寸，进一步优化电机性能。利用Ａｎｓｏｆｔ／
ＲＭｘｐｒｔ软件初步确定图ｌ所示内置式电机的转子结
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｒｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｒｔ ７ １ ００４９，Ｃｈｉｎａ； （２．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｒａｐｉｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，Ｘｉ’ａｎ ７ １００４９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅａｌｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｗｏ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｐｅｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒ－
万方数据
弱磁调速用永磁同步电机设计分析孙慧芳。等
数的非线性，并进一步计算比较两种转子结构电机 的弱磁扩速性能，为弱磁调速用永磁同步电机的合 理设计提供一定的理论依据。
１ 电机参数对弱磁调速性能的影响
永磁同步电机弱磁控制的思想来自于他励直流 电动机的弱磁调速，在他励直流电动机中，通过减 小励磁电流即可达到弱磁调速的目的。但是永磁同 步电机的转子永磁体励磁磁势无法调节，所以只有 通过调节定子电流，即增加定子直轴去磁电流分量 来削弱电机的气隙磁场，实现弱磁调速。
额定电压／Ｖ 额定转速／ｒ·ｍｉｎ。１ 定子槽数 气隙／ｍｍ
１９０ ２０００
３６ ０．７
永磁体尺寸／ｒａｍ２
ｄ轴同步电影ｍＨ 定子电影Ｑ
５×４０ ４．５９６ ０．２５３
永磁磁链／Ｗｂ ｑ轴同步电感／ｍＨ
０．１８６２ １０．３９
对于图２所示永磁体分段式转子结构，由于无
法直接利用Ａｎｓｏｆｔ／ＲＭｘｐｒｔ软件设计，因此本文基于 不分段式转子的基本设计尺寸，并考虑到永磁体分 段对电机参数和性能的影响，初步确定转子铁桥尺
ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗａｓ ａｌｓｏ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｏｆ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ
ｍａｉｎｌｙ ｅｘｉｓｔｓ ｉｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ—ｔｏｒｑｕｅ ｏｐｅｒｑｔｉｏｎ ａｎｄ ｈａｓ ｌｅｓｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｆｌｕｘ·ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ｎｅ ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｍａｇｎｅｔｓ ｉｓ ｍｏｒｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｆｌｕｘ—ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｃｏｎｔｒ０１． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｐｅｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；Ｆｌｕｘ—ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｍａｇｎｅｔ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ；
的存在使直轴磁路的磁阻减小。所以在其它结构尺 寸相同的情况下，采用分段式永磁体结构可以获得
更大的直轴电感也。根据本文第ｌ节的分析，较大
的厶将使电机获得较大的线。，但同时又会因为凸
极率的降低使电磁转矩减小。
若此时的Ｌ。与∞的乘积大于额定电磁功率Байду номын сангаас则继续 增大∞，直至找到保持恒功率运行的最大∞，从而 确定电机的弱磁扩速范围。
㈣”’
给定某一电角速度∞，令式（１）中的电压矢量幅
值等于电压极限值，联立求解
ｆ∞（Ｌｑｉｑ）２＋（￡ｄｉｄ＋沙ｆ）２
ｉ厅砰：“。
∞’
将求解得到的ｉ。、ｉ。代人电磁转矩公式（４），则
计算出的ｔ。为对应给定电角速度∞且满足式（５）约 束条件时通过弱磁扩速所能获得的最大电磁转矩。
·Ｚ矗·
永磁同步电机从恒转矩到恒功率的整个运行过 程中，需要动态地调节定子电流，交、直轴电流分 量的变化会引起相应交、直轴磁路饱和程度的变化， 进而使电感参数呈现非线性。因此要在设计中准确 地核算电机性能以及建立较精确的仿真模型，都需 要考虑磁路饱和对电感参数的影响。
万方数据
利用ｄ、ｑ轴磁路的不对称所产生的磁阻转矩，因此 内置式电机有更好的弱磁扩速能力。
一般的内置式电机结构示意图如图１所示，这 种转子结构不能直接减小永磁体本身产生的气隙磁 场，弱磁调速是通过在定子绕组中施加直轴去磁电 流，靠电枢反应削弱气隙磁场。文献［２］提出了一 种分段式永磁体转子结构用于弱磁调速，其电机结 构示意图如图２所示，转子永磁体崩铁桥分割成两 段或更多段。当电机恒转矩运行时，永磁体磁势使 铁桥处于饱和状态，因此产生的漏磁很少。但是当 电机进入弱磁调速区域，定子绕组中的直轴去磁电 流产生的电枢反应将使铁桥的饱和程度降低，此时， 一部分永磁磁通会通过铁桥产生漏磁，从而减小永 磁体本身产生的气隙主磁通。因此对于分段式永磁 体结构的电机来讲，定子直轴去磁电枢反应不仅能 抵消永磁体产生的气隙磁通，而且能通过降低铁桥 饱和度来增加永磁体漏磁，从而直接减小永磁体产 生的气隙磁通。因此采用分段式永磁体结构的电机 更有利于弱磁扩速。
小，从而进一步减小电磁转矩。所以过度地减小沙，
和增大厶并不是一定能扩展电机的恒功率运行范
围。还可能导致电机的过载能力下降。因此在设计
弱磁调速用永磁同步电机时，要综合考虑电机性能，
确定最佳的电机结构尺寸以获得合理的参数匹配。
２两种转子结构电机的弱磁扩速性能
比较
永磁同步电机的弱磁扩速性能与其转子永磁体 结构密切相关。与表贴式永磁体结构相比，内置式 结构的电机其气隙可以设计得较小，同时可以充分
ｕ＝∞√（Ｌｑｉ。）２＋（￡ｄｉｄ＋砂ｆ）。
（１）
其中∞为电机的电角速度，砂，为永磁体磁链。
由式（１）可以得到电机的机械角速度计算公式为
ｎ：—＿＝＝＝二ｕ；＝＝； （２） Ｐ√（沙ｆ＋Ｌｄｉｄ）２＋（Ｌｑｉ。）２
关。从电机设计角度，在保持逆变器输出电压最大
值不变的情况下，可以通过减小永磁磁链砂，或增大
ｄ轴电感乙获得更大的聪。。，提高电机的弱磁扩速
能力。但是由电机的电磁转矩表达式
ｔ。＝ｐ［砂ｆｉ。＋（￡ｄ一￡。）ｉｆｉ，］
（４）
可以看出，减小永磁磁链砂，将使电磁转矩减
小，而增大乙导致电机凸极率下降使磁阻转矩减
（１．西安交通大学电气工程学院，西安７１００４９；２．快速制造国家工程研究中心，西安７１００４９）
摘要：在分析电机参数对弱磁调速性能影响的基础上，讨论了两种转子结构形式的内置式永磁同步电机设计。采
用磁场有限元分析方法计算转子永磁体分段与不分段两种结构形式电机的电感参数，并基于理论公式计算比较它们
的弱磁扩速性能。分析磁路饱和引起的电感参数非线性，讨论分段式永磁体结构中铁桥的存在对磁路饱和以及电机
墼皇垫．．．．．．．．．．．．．．一．．．．．．．．．．．．．．．．．—蘸譬粤ｌｏ，第４３孝第ｊ２蛹二潮 ●＿＿＿Ｍ－－ｍｑ－＿＿－■－■＿■Ｉ●Ｉ＿■■■＿■＿■■■＿＿＿■■Ｉ●＿－＿Ｉｌ■＿■－ｌ●－■●●■■■＿■■■＿＿－ｌ＿－■■■ｌｌ＿■＿＿Ｉ－－●＿＿●●■口ⅫＨ№ｋ ｊ－
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寸。利用Ｍａｘｗｅｌｌ ２Ｄ静磁场有限元分析进一步计算 电机的永磁磁链和电感参数，最后核算电机的额定
运行性能和弱磁扩速性能，经多次试算得到最佳设 计方案。
设计时为简便起见，电机的弱磁扩速性能采用
理论公式估算。电机在弱磁控制时，其ｄ、ｑ轴电压
和电流分量应满足下列约束关系‘５ Ｊ：
【厢≤ｉ‰ Ｊ√Ⅱｄ１‰‘≤‰ｍ
参数的影响。计算结果表明，电感参数非线性主要存在于电机的恒转矩运行区域，对弱磁调速性能的影响较小，分
段式永磁体结构更适合弱磁调速。
关键词：内嵌式永磁同步电机；弱磁调速；永磁体分段；磁路饱和
中图分类号：ＴＭ３５ｌ；ＴＭ３６＋３
文献标志码：Ａ
文章编号：１００１．６８４８（２０１０）１２．００１６．０５
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ Ｆｌｕｘ－ｗｅａｋｅｎｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＳＵＮ Ｈｕｉ—ｆａｎ９１，ＧＡＯ Ｌｉｎｌ，Ｕ Ｊｉ－ｌｉａｎ９１，ＬＩＵ Ｘｉｎ－ｚｈｅｎ９１，ＨＡＮＧ Ｄｅ—ｌｉａｎ９１，ＫＵＡＮＧ Ｊｕｎ．ｓｈｅｎ９２
构尺寸、电磁参数以及空载和额定运行性能，然后
根据电机参数用理论公式核算电机的弱磁调速性能，
经多次试算得到同时满足电机额定运行性能和弱磁
调速性能的设计方案。表ｌ给出了电机的主要结构
尺寸和设计参数。 表１ 内置式电机主要结构尺寸和参数
额定功率／ｋｗ
额定电渺Ａ
极对数
定子内彬ｎｌｌｎ
３．１ １１．９３
６ １０４
ｌｏｗｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅｉｒ ｆｌｕｘ—ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｆｏｒｍｕｌａｓ．Ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｎｏｎｌｉｎ— ｅａｒｉｔｙ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｆｉｅｌｄ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｗａｓ ａｎａｌｙｓｅｄ．ｎｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｉｒｏｎ ｂｒｉｄｇｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍａｇｎｅｔ ｓｅｇｍｅｎｔｓ ｏｎ ｆｉｅｌｄ
式中，Ｐ为电机极对数。 调速运行时，电机南驱动器供电，电机电压受逆
变器输出电压最大值的限制。当电机的端电压和电流均
达到最大值，且定子电流全部为直轴去磁电流分量时，
电动机可以达到的理想最ｆ寄机械角速度为
＾
ⅡＩｉｍ
，一Ｉ、
１‰２瓦Ｆｉ万
‘ｊ）
其中Ｕ｜ｉｍ为电压极限值。可见，电机的弱磁扩速
性能与永磁磁链砂，以及ｄ、ｑ轴电感ｋ、￡。密切相
ｅｎｔ ｒｏｔｏｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｆｌｕｘ—ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｃｏｎｔｒ０１．Ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｍａｇｎｅｔ ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｎｏｎ—ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ ｒｏｔｏｒ ｗｅｒｅ ｂｏｔｈ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｆｉｅｌｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｆｏｌ—
Ｆｉｅｌｄ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ
Ｏ 引言
永磁同步电机具有高功率密度、高转矩一惯量 比、高效率和高功率因数等优点，随着高性能永磁 材料成本的降低，永磁同步电机在数控机床、电动 汽车、Ｔ业机器人、航空航天以及雷达天线等驱动 和伺服系统中的应用越来越广泛…。
与表贴式电机相比，内置式永磁同步电机气隙 较小，直轴电感较大，同时可以充分利用磁阻转矩， 因此其弱磁扩速性能优于表贴式电机。文献［２］提 出了永磁体分段的内嵌式电机转子结构，利用永磁 体间存在的铁桥可以改变磁通路径，减小永磁体产
在永磁同步电机的实际调速过程中，定子电流 的交、直轴分量需要动态调节，磁路的饱和状态是 变化的，这导致电感参数呈现非线性一ｊ。本文采用 磁链法计算样机的电感参数，分析永磁体分段与不 分段两种转子结构形式磁路的饱和状态以及电感参
收稿日期：２０１０—０９．２３ 基金项目：国家科技重大专项资助项目（２００９ＺＸ０４０１０—０１３—０２５） ·Ｊ６·
生的气隙磁链，从而达到弱磁的目的。但永磁磁链 的减小可能导致电机过载能力下降。文献［３］进一 步探讨了分段式永磁体结构中铁桥的位置和宽度对 ·电机弱磁扩速性能的影响。本文基于一台已有表贴 式样机的定子结构尺寸，设计了两台３．Ｉ ｋＷ的内置 式永磁同步电动机，样机转子分别采用永磁体分段 与不分段两种结构形式。
图ｌ 内置式永磁体电机结构示意图
桥
图２分段式永磁体转子结构电机示意图 另一方面，从ｄ轴磁路的磁阻来讲，图１所示 不分段永磁体结构的直轴磁路主要由永磁体和气隙 组成，由于永磁体的磁导率很小，与气隙相当，所 以ｄ轴磁阻较大。而在图２所示分段式永磁体结构 中，两段永磁体之间的铁桥为铁磁材料，因此铁桥
·１７·
堡－…．皇二％垫＿－●．＿－ｌ●一ｌ＿＿．■－－一－＿＿ｌ一－Ｉ●一＿＿＿－＿＿－Ｉ●＿＿ｌＩ＿－－－●．－＿＿＿●＿Ｉ＿．Ｉ●．－ｌＩ＿－－●●ｌ●●＿－－－－＿＿一ｌ●．＿ＩＩ．＿－＿．＿ＩＥ麓㈣ｍ二》“ｉｉ抽ｔｏ ４ｓ ｍｌ，，溺 ｔ２ 一’ⅧⅫ■
弱磁调速用永磁同步电机设计分析
孙慧芳１，高 琳１，李计亮１，刘新正１，梁得亮１，邝俊生２
４ 电感参数的饱和特性计算
３电机本体设计
本文基于一台已有表贴式样机，设计一台弱磁
调速用内置式永磁同步电动机。设计初始，保持表
贴式样机的定子结构尺寸，重点确定内置式电机的
转子结构尺寸，然后在满足工艺要求的基础上微调
定子结构尺寸，进一步优化电机性能。利用Ａｎｓｏｆｔ／
ＲＭｘｐｒｔ软件初步确定图ｌ所示内置式电机的转子结
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｒｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｒｔ ７ １ ００４９，Ｃｈｉｎａ； （２．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｒａｐｉｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，Ｘｉ’ａｎ ７ １００４９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅａｌｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｗｏ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｐｅｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒ－
万方数据
弱磁调速用永磁同步电机设计分析孙慧芳。等
数的非线性，并进一步计算比较两种转子结构电机 的弱磁扩速性能，为弱磁调速用永磁同步电机的合 理设计提供一定的理论依据。
１ 电机参数对弱磁调速性能的影响
永磁同步电机弱磁控制的思想来自于他励直流 电动机的弱磁调速，在他励直流电动机中，通过减 小励磁电流即可达到弱磁调速的目的。但是永磁同 步电机的转子永磁体励磁磁势无法调节，所以只有 通过调节定子电流，即增加定子直轴去磁电流分量 来削弱电机的气隙磁场，实现弱磁调速。
额定电压／Ｖ 额定转速／ｒ·ｍｉｎ。１ 定子槽数 气隙／ｍｍ
１９０ ２０００
３６ ０．７
永磁体尺寸／ｒａｍ２
ｄ轴同步电影ｍＨ 定子电影Ｑ
５×４０ ４．５９６ ０．２５３
永磁磁链／Ｗｂ ｑ轴同步电感／ｍＨ
０．１８６２ １０．３９
对于图２所示永磁体分段式转子结构，由于无
法直接利用Ａｎｓｏｆｔ／ＲＭｘｐｒｔ软件设计，因此本文基于 不分段式转子的基本设计尺寸，并考虑到永磁体分 段对电机参数和性能的影响，初步确定转子铁桥尺
ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗａｓ ａｌｓｏ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｏｆ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ
ｍａｉｎｌｙ ｅｘｉｓｔｓ ｉｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ—ｔｏｒｑｕｅ ｏｐｅｒｑｔｉｏｎ ａｎｄ ｈａｓ ｌｅｓｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｆｌｕｘ·ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ｎｅ ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｍａｇｎｅｔｓ ｉｓ ｍｏｒｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｆｌｕｘ—ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｃｏｎｔｒ０１． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｐｅｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；Ｆｌｕｘ—ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｍａｇｎｅｔ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ；
的存在使直轴磁路的磁阻减小。所以在其它结构尺 寸相同的情况下，采用分段式永磁体结构可以获得
更大的直轴电感也。根据本文第ｌ节的分析，较大
的厶将使电机获得较大的线。，但同时又会因为凸
极率的降低使电磁转矩减小。
若此时的Ｌ。与∞的乘积大于额定电磁功率Байду номын сангаас则继续 增大∞，直至找到保持恒功率运行的最大∞，从而 确定电机的弱磁扩速范围。
㈣”’
给定某一电角速度∞，令式（１）中的电压矢量幅
值等于电压极限值，联立求解
ｆ∞（Ｌｑｉｑ）２＋（￡ｄｉｄ＋沙ｆ）２
ｉ厅砰：“。
∞’
将求解得到的ｉ。、ｉ。代人电磁转矩公式（４），则
计算出的ｔ。为对应给定电角速度∞且满足式（５）约 束条件时通过弱磁扩速所能获得的最大电磁转矩。
·Ｚ矗·
永磁同步电机从恒转矩到恒功率的整个运行过 程中，需要动态地调节定子电流，交、直轴电流分 量的变化会引起相应交、直轴磁路饱和程度的变化， 进而使电感参数呈现非线性。因此要在设计中准确 地核算电机性能以及建立较精确的仿真模型，都需 要考虑磁路饱和对电感参数的影响。
万方数据
利用ｄ、ｑ轴磁路的不对称所产生的磁阻转矩，因此 内置式电机有更好的弱磁扩速能力。
一般的内置式电机结构示意图如图１所示，这 种转子结构不能直接减小永磁体本身产生的气隙磁 场，弱磁调速是通过在定子绕组中施加直轴去磁电 流，靠电枢反应削弱气隙磁场。文献［２］提出了一 种分段式永磁体转子结构用于弱磁调速，其电机结 构示意图如图２所示，转子永磁体崩铁桥分割成两 段或更多段。当电机恒转矩运行时，永磁体磁势使 铁桥处于饱和状态，因此产生的漏磁很少。但是当 电机进入弱磁调速区域，定子绕组中的直轴去磁电 流产生的电枢反应将使铁桥的饱和程度降低，此时， 一部分永磁磁通会通过铁桥产生漏磁，从而减小永 磁体本身产生的气隙主磁通。因此对于分段式永磁 体结构的电机来讲，定子直轴去磁电枢反应不仅能 抵消永磁体产生的气隙磁通，而且能通过降低铁桥 饱和度来增加永磁体漏磁，从而直接减小永磁体产 生的气隙磁通。因此采用分段式永磁体结构的电机 更有利于弱磁扩速。
小，从而进一步减小电磁转矩。所以过度地减小沙，
和增大厶并不是一定能扩展电机的恒功率运行范
围。还可能导致电机的过载能力下降。因此在设计
弱磁调速用永磁同步电机时，要综合考虑电机性能，
确定最佳的电机结构尺寸以获得合理的参数匹配。
２两种转子结构电机的弱磁扩速性能
比较
永磁同步电机的弱磁扩速性能与其转子永磁体 结构密切相关。与表贴式永磁体结构相比，内置式 结构的电机其气隙可以设计得较小，同时可以充分