永磁同步电动机弱磁扩速概况
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对于嵌入磁钢转子结构的永磁同步电动机 ,通 过巧妙设计嵌入磁钢的位置和形状 ,可以形成多种 转子的结构形式 。
2 永磁同步电动机的弱磁方法
永磁同步电动机可以从本体和控制两个角度实
微特电机 2008年第 1期
Tec综hn cia述lreveiw 现弱磁。
理查德. F. 谢菲尔 (R ichard F. Schifer)等人从控制的
角度考虑普通永磁同步电动机 ( Xd < Xq )的弱磁问 题 。当 E0 = Xd Id 时 ,认为 Xq - Xd 越大越好 ;而当 E0 ≠Xd Id 时 ,前者认为 E0 小一点好 , 后者认为 E0 大一 点好 。其中 , E0 是电机在单位速度下的反电势 , Xd 是直轴电抗 , Id是直轴电流 。 3. 2 传统结构的永磁同步电动机弱磁效果较差
目前 ,国内外永磁同步电动机在这个研究领域 eristy)的 L. Xu, L. Ye, L. Zhen 等人提出了利用改
上的研究现状如下 :
变磁通路径的方法弱磁的一种新型永磁电机 [9] ,电机
3. 1 在永磁同步电动机弱磁控制的具体实施上还存 横截面如图 3所示。
在不同观点和分歧 [ 4 ]
日本的森本茂雄 ( Shigeo Morimotor) 及美国的
关键词 :永磁同步电动机 ;复合转子 ;磁通路径 ;弱磁 中图分类号 : TM 341 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 7018( 2008) 01 - 0058 - 03
O utline for Flux W eaken ing of Permanen t M agnet Synchronous M otor
L I Chun - yan, KOU B ao - quan, CHEN G S hu - kang (Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)
Abstract: The structural characteristic of permanent magnet synchronous motor that adap ted for flux weakening opera2 tion was analyzed. The flux - weakening method was introduced from the aspects of the motor design and control, the advan2 tages and disadvantages of these flux - weakening methods were pointed out. A t last the develop ing p resent state at home and aboard was summarized, the compound rotor and 4 novel permanent magnet motors that changed the flux path to realize the flux weakening were highlighted.
奥地利的 W erner M ulegger等人提出使用一个
从本体的角度 ,传统结构永磁电机通过调节定 永磁转子和一个磁阻转子的复合永磁转子弱磁方
子电流 ,即增加定子直轴去磁电流分量 ,以电机气隙 案 。复合永磁转子弱磁结构的转子由一个永磁段和
磁场的减弱来等价于直接减弱励磁磁场来达到弱磁 增速的目的 [ 1～3 ] 。这种弱磁方法能够实现弱磁 ,不
Tec综hn cia述lreveiw 永 磁 同 步 电 动 机 弱 磁 扩 速 概 况 微特电机 2008年第 1期
李春艳 ,寇宝泉 ,程树康
(哈尔滨工业大学 ,黑龙江哈尔滨 150001)
摘 要 :分析了适合弱磁运行的永磁同步电动机的结构特点 ,从本体和控制两个方面介绍了永磁同步电动机的 弱磁方法 ,指出各种方法的优缺点 。最后综述了国内外弱磁扩速研究的发展现状 ,重点介绍了复合转子电机和 4种 通过改变磁通路径弱磁的新型电机 。
从控制的角度 ,弱磁原理仍然以增加定子直轴 永磁转子可以增大直轴电抗 ,从而增大弱磁效果 ,但
去磁电流为基础 ,用控制的方法去实现 ,比如通过控 同时使永磁同步电动机的转矩密度降低 ,高速时铁
制超前角的方法实现弱磁 。
磁损耗很大 。
3 永磁同步电动机弱磁研究现状
3. 4 改变磁通路径的弱磁方案 1993年美国俄亥俄州大学 ( the Ohio State Univ2
本文作者于 2003 年提出了一种基于离心力弱 磁的新型转子 ,转子结构如图 6所示 。
和传统结构永磁同步电动机和复合转子永磁同 步电动机通过弱磁控制能够拓宽速度范围 ,但是存 在一些不足 。与之相比 ,利用设计漏磁通路改变磁 通路径的方法为彻底解决永磁电机的弱磁问题提供 了新的希望和途径 ,目前这种利用漏磁通路弱磁的 方法尚有待更为深入的研究 。可见 ,寻找一种能够 完美地满足弱磁控制要求的新型永磁同步电动机结 构和控制方法 ,是当今电机界的重要研究课题 。
在国内 ,也曾有人专门研究过复合永磁转子的
法 :一种是通过复合转子实现弱磁 ,另一种是通过设 弱磁方案 ,还有的学者专门研究过永磁同步电动机
计漏磁通路实现弱磁 ,这两种方法弱磁原理以及优 永磁 段 长 度 的 计 算 [8 ] 。研 究 表 明 , 复 合 转 子 的
缺点将分别在下文详述 。
PM SM 弱磁运行 ,可以大幅度增大其调速范围 ;复合
制实现机电一体化 ,使永磁同步电动机驱动系统的
优势已越来越明显 。特别是稀土永磁同步电动机 ,
采用高性能稀土永磁材料为同步电机产生励磁磁
场 ,使电机的运行效率和功率因数大幅度提高 。并
源自文库
且该驱动系统调速精度高 ,调速比大 ,输出特性硬 ,
运转平稳 。此外 ,系统还具有恒转矩输出和转速不
随负载波动的特性 。通过变频器有效控制 ,可使其
杰等 人 曾 提 出 过 利
用漏 磁 路 的 思 想 来
达到弱磁的目
的 [ 10 ] 。图 4 为其提 图 4 利用漏磁通弱磁的电机结构
永 磁
出的电机结构图 。
同
这种方法通过对永磁体厚度 、气隙高度 、漏磁间
步 电
隙长度和宽度的适当设计 ,电机的直轴电枢反应电
动 机
抗显著增大 ,弱磁效果提高 ,转矩密度无明显下降 , 弱
一个磁阻段组成 ,两者之间有一定的间隙 ,以防止漏 磁 ;永磁转子采用普通的永磁体表面安装型结构 ;磁
足之处是增大了直轴电枢电流 ,铜耗增加 ,系统效率 阻转子采用同步磁阻电机的转子结构 ;而定子和普
会有所下降 ,限制了系统调速范围的进一步拓宽 。 通永磁同步电动机一样 ,没有任何特别之处 。
特种结构的永磁同步电动机主要有两种弱磁方
弱磁磁通大部分不通过永磁体 ,不易产生退磁 。
磁 扩
2002 年日本 O saka Prefecture Univeristy的 Lei
速 概
M a, M asayuki Sanada, Shigeo Morimo to, Yoji Takeda 况
等人提出一种新型的可调磁的高功率的永磁同步电
动机 ,电机结构如图 5所示 。
从结构上看 ,由于永磁体磁阻率接近于空气 ,传 统结构的永磁同步电动机 ,其永磁体总是串联在电 机的直轴磁路上 ,等效气隙很大 ,直轴电抗很小 ,在 正常的电枢电压下 ,不可能获得很大的直轴电流 ,因 而无法获得满意的弱磁效果 。这就要求寻找特种结 构的永磁同步电动机 ,以适应弱磁运行的要求 。 3. 3 复合转子结构的永磁同步电动机
图 3 利用改变磁通路径弱磁的新型电机
这种方法不再通过增加直轴电枢反应 ,利用增
加直轴电流弱磁 ,而是在转子中加入了 4 个环形软
铁 ABCD ,电机在高速运行时利用直轴电流来改变
磁通的路径 ,从而减少了永磁体到电枢绕组的磁通 ,
其永磁体本身的磁通并没有发生改变 。
1998 年广州华
南理 工 大 学 的 尹 华
的目的 。例如国内有学者提出采用超前角控制的永
磁同步电动机弱磁增速方法 [ 12 ] 。它是根据电流矢
量图 ,令 id = isinα, iq = icosα,在正常工作状态下 , 有 α = 0。弱磁时 ,适当增大 α的值 , 可以增加 id 分量 , 减弱气隙磁通 ,达到弱磁升速的目的 。其中 α角称
为超前角 。增大超前角 ,可以增加转速 ;减小超前角
随着永磁同步电动机弱磁技术的研究深入 ,许 多恒功率应用领域已经使用永磁同步电动机 ,其中 为电动车辆驱动开发的永 磁加磁阻式的复合转子是 一种被学术界接受的有效 弱磁结构 [ 5 - 6 ] 。图 2 为一 种复合转子的结构图 。 图 2 一种复合转子结构 [10 ]
W M uhlegger和 W Teppan 首次提出在永磁同 步电动机转子上加一段特殊的不对称的铁心 [ 7 ] ,铁 心的直轴电感大于交轴电感 ,弱磁控制时直轴电枢 反应明显增强 ,速度范围变宽 。
参考文献
图 6 利用离心力与斥力改变磁通途径的新型转子
漏磁用导磁材料 、铝片与弱磁用永磁体靠近轴
的一方结合在一起 ,弱磁用永磁体两方采取沿径向
同极性相对配置 ,根据磁极同极相斥原理使两个相
对的弱磁用永磁体产生斥力 。
作用在导磁材料上的离心力随着电机转速的升
高而增大 ,随着电机转速的升高 ,当超过一定速度时
输出转速保持恒定 ,在某些机械传动中去掉减速器 ,
这无疑给整个机械制造带来一场新的革命 。
但是 ,由于永磁同步电动机采用永磁体励磁 ,磁
永 磁
场恒定 ,永磁体励磁强度也就不可调节 ,在基速以上
同 步
的恒功率运行区域 ,随着转速升高 ,由于供电电压的
电 动
限制及电流控制器的饱和影响 ,破坏了永磁同步电
候 (基速 )时 ,导磁材料逐渐远离电机轴 ,向外周靠
近 ,当作用在导磁材料上的离心力和斥力达到动态
平衡时 ,导磁材料便不再移动 。而随着导磁材料向
外移动 ,漏磁路的磁阻逐渐减小 ,漏磁通逐渐增大 ,
从而流过气隙的磁通就越小 ,从而实现了弱磁 。
3. 5 控制角度考虑弱磁增速 [ 11 ]
通过控制定子中的直轴电流分量达到弱磁增速
Key words: permanent magnet synchronous motor; compound rotor; flux path; flux weakening
0 引 言
由于稀土永磁材料和电子功率器件的发展 ,近
年来 ,永磁同步电动机获得了广泛研究和应用 。随
着变频技术的日趋完善 ,永磁同步电动机和变频控
1 永磁同步电动机结构特点
根据转子永磁体配置位置的不同 ,可以把永磁 同步电动机分为表面磁钢转子结构和嵌入磁钢转子 结构两大类 ,如图 1 所示 。表面磁钢转子结构永磁 同 步电动机的气隙均匀 ,交 、直轴电感相等 ,不产生
图 1 典型永磁电机转子结构
磁阻转矩 ,而且由于等效气隙较大 ,不利于进行弱磁 控制 。但由于能够把转矩脉动控制到很低的程度 , 因此适合用于低速 、大转矩的直接驱动系统 。而嵌 入磁钢转子结构的永磁同步电动机由于交直轴电感 不相等 ,会产生磁阻转矩 ,使总的输出转矩增大 ,而 且由于直轴等效气隙小 ,便于进行弱磁控制 ,因此该 种电机的调速范围较宽 ,效率较高 ,适合用于高速恒 功率驱动领域 。
机 动机的电磁转矩性能 , 因而无法运行到较高的转
弱 磁
速 ,限制了其应用范围 。必须进行弱磁控制 。
扩 速
因此 ,充分发挥永磁同步电动机驱动系统高效
概 况
率的特长 ,在现有基础上进一步拓宽其调速范围 ,提
高基速以上区域系统的运行效率是变频驱动系统的
58
收稿日期 : 2006 - 02 - 27
一个重要研究方向 。
59
Tec综hn cia述lreveiw 微特电机 2008年第 1期 4 结 语
图 5 带软铁板可调磁的永磁电机
安装在定子两侧的调节器可以改变软铁盘与转 子的距离 ,从而改变磁通的路径 。转速越高 ,软铁盘 与转子的之间的气隙长度越小 。
2 永磁同步电动机的弱磁方法
永磁同步电动机可以从本体和控制两个角度实
微特电机 2008年第 1期
Tec综hn cia述lreveiw 现弱磁。
理查德. F. 谢菲尔 (R ichard F. Schifer)等人从控制的
角度考虑普通永磁同步电动机 ( Xd < Xq )的弱磁问 题 。当 E0 = Xd Id 时 ,认为 Xq - Xd 越大越好 ;而当 E0 ≠Xd Id 时 ,前者认为 E0 小一点好 , 后者认为 E0 大一 点好 。其中 , E0 是电机在单位速度下的反电势 , Xd 是直轴电抗 , Id是直轴电流 。 3. 2 传统结构的永磁同步电动机弱磁效果较差
目前 ,国内外永磁同步电动机在这个研究领域 eristy)的 L. Xu, L. Ye, L. Zhen 等人提出了利用改
上的研究现状如下 :
变磁通路径的方法弱磁的一种新型永磁电机 [9] ,电机
3. 1 在永磁同步电动机弱磁控制的具体实施上还存 横截面如图 3所示。
在不同观点和分歧 [ 4 ]
日本的森本茂雄 ( Shigeo Morimotor) 及美国的
关键词 :永磁同步电动机 ;复合转子 ;磁通路径 ;弱磁 中图分类号 : TM 341 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 7018( 2008) 01 - 0058 - 03
O utline for Flux W eaken ing of Permanen t M agnet Synchronous M otor
L I Chun - yan, KOU B ao - quan, CHEN G S hu - kang (Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)
Abstract: The structural characteristic of permanent magnet synchronous motor that adap ted for flux weakening opera2 tion was analyzed. The flux - weakening method was introduced from the aspects of the motor design and control, the advan2 tages and disadvantages of these flux - weakening methods were pointed out. A t last the develop ing p resent state at home and aboard was summarized, the compound rotor and 4 novel permanent magnet motors that changed the flux path to realize the flux weakening were highlighted.
奥地利的 W erner M ulegger等人提出使用一个
从本体的角度 ,传统结构永磁电机通过调节定 永磁转子和一个磁阻转子的复合永磁转子弱磁方
子电流 ,即增加定子直轴去磁电流分量 ,以电机气隙 案 。复合永磁转子弱磁结构的转子由一个永磁段和
磁场的减弱来等价于直接减弱励磁磁场来达到弱磁 增速的目的 [ 1～3 ] 。这种弱磁方法能够实现弱磁 ,不
Tec综hn cia述lreveiw 永 磁 同 步 电 动 机 弱 磁 扩 速 概 况 微特电机 2008年第 1期
李春艳 ,寇宝泉 ,程树康
(哈尔滨工业大学 ,黑龙江哈尔滨 150001)
摘 要 :分析了适合弱磁运行的永磁同步电动机的结构特点 ,从本体和控制两个方面介绍了永磁同步电动机的 弱磁方法 ,指出各种方法的优缺点 。最后综述了国内外弱磁扩速研究的发展现状 ,重点介绍了复合转子电机和 4种 通过改变磁通路径弱磁的新型电机 。
从控制的角度 ,弱磁原理仍然以增加定子直轴 永磁转子可以增大直轴电抗 ,从而增大弱磁效果 ,但
去磁电流为基础 ,用控制的方法去实现 ,比如通过控 同时使永磁同步电动机的转矩密度降低 ,高速时铁
制超前角的方法实现弱磁 。
磁损耗很大 。
3 永磁同步电动机弱磁研究现状
3. 4 改变磁通路径的弱磁方案 1993年美国俄亥俄州大学 ( the Ohio State Univ2
本文作者于 2003 年提出了一种基于离心力弱 磁的新型转子 ,转子结构如图 6所示 。
和传统结构永磁同步电动机和复合转子永磁同 步电动机通过弱磁控制能够拓宽速度范围 ,但是存 在一些不足 。与之相比 ,利用设计漏磁通路改变磁 通路径的方法为彻底解决永磁电机的弱磁问题提供 了新的希望和途径 ,目前这种利用漏磁通路弱磁的 方法尚有待更为深入的研究 。可见 ,寻找一种能够 完美地满足弱磁控制要求的新型永磁同步电动机结 构和控制方法 ,是当今电机界的重要研究课题 。
在国内 ,也曾有人专门研究过复合永磁转子的
法 :一种是通过复合转子实现弱磁 ,另一种是通过设 弱磁方案 ,还有的学者专门研究过永磁同步电动机
计漏磁通路实现弱磁 ,这两种方法弱磁原理以及优 永磁 段 长 度 的 计 算 [8 ] 。研 究 表 明 , 复 合 转 子 的
缺点将分别在下文详述 。
PM SM 弱磁运行 ,可以大幅度增大其调速范围 ;复合
制实现机电一体化 ,使永磁同步电动机驱动系统的
优势已越来越明显 。特别是稀土永磁同步电动机 ,
采用高性能稀土永磁材料为同步电机产生励磁磁
场 ,使电机的运行效率和功率因数大幅度提高 。并
源自文库
且该驱动系统调速精度高 ,调速比大 ,输出特性硬 ,
运转平稳 。此外 ,系统还具有恒转矩输出和转速不
随负载波动的特性 。通过变频器有效控制 ,可使其
杰等 人 曾 提 出 过 利
用漏 磁 路 的 思 想 来
达到弱磁的目
的 [ 10 ] 。图 4 为其提 图 4 利用漏磁通弱磁的电机结构
永 磁
出的电机结构图 。
同
这种方法通过对永磁体厚度 、气隙高度 、漏磁间
步 电
隙长度和宽度的适当设计 ,电机的直轴电枢反应电
动 机
抗显著增大 ,弱磁效果提高 ,转矩密度无明显下降 , 弱
一个磁阻段组成 ,两者之间有一定的间隙 ,以防止漏 磁 ;永磁转子采用普通的永磁体表面安装型结构 ;磁
足之处是增大了直轴电枢电流 ,铜耗增加 ,系统效率 阻转子采用同步磁阻电机的转子结构 ;而定子和普
会有所下降 ,限制了系统调速范围的进一步拓宽 。 通永磁同步电动机一样 ,没有任何特别之处 。
特种结构的永磁同步电动机主要有两种弱磁方
弱磁磁通大部分不通过永磁体 ,不易产生退磁 。
磁 扩
2002 年日本 O saka Prefecture Univeristy的 Lei
速 概
M a, M asayuki Sanada, Shigeo Morimo to, Yoji Takeda 况
等人提出一种新型的可调磁的高功率的永磁同步电
动机 ,电机结构如图 5所示 。
从结构上看 ,由于永磁体磁阻率接近于空气 ,传 统结构的永磁同步电动机 ,其永磁体总是串联在电 机的直轴磁路上 ,等效气隙很大 ,直轴电抗很小 ,在 正常的电枢电压下 ,不可能获得很大的直轴电流 ,因 而无法获得满意的弱磁效果 。这就要求寻找特种结 构的永磁同步电动机 ,以适应弱磁运行的要求 。 3. 3 复合转子结构的永磁同步电动机
图 3 利用改变磁通路径弱磁的新型电机
这种方法不再通过增加直轴电枢反应 ,利用增
加直轴电流弱磁 ,而是在转子中加入了 4 个环形软
铁 ABCD ,电机在高速运行时利用直轴电流来改变
磁通的路径 ,从而减少了永磁体到电枢绕组的磁通 ,
其永磁体本身的磁通并没有发生改变 。
1998 年广州华
南理 工 大 学 的 尹 华
的目的 。例如国内有学者提出采用超前角控制的永
磁同步电动机弱磁增速方法 [ 12 ] 。它是根据电流矢
量图 ,令 id = isinα, iq = icosα,在正常工作状态下 , 有 α = 0。弱磁时 ,适当增大 α的值 , 可以增加 id 分量 , 减弱气隙磁通 ,达到弱磁升速的目的 。其中 α角称
为超前角 。增大超前角 ,可以增加转速 ;减小超前角
随着永磁同步电动机弱磁技术的研究深入 ,许 多恒功率应用领域已经使用永磁同步电动机 ,其中 为电动车辆驱动开发的永 磁加磁阻式的复合转子是 一种被学术界接受的有效 弱磁结构 [ 5 - 6 ] 。图 2 为一 种复合转子的结构图 。 图 2 一种复合转子结构 [10 ]
W M uhlegger和 W Teppan 首次提出在永磁同 步电动机转子上加一段特殊的不对称的铁心 [ 7 ] ,铁 心的直轴电感大于交轴电感 ,弱磁控制时直轴电枢 反应明显增强 ,速度范围变宽 。
参考文献
图 6 利用离心力与斥力改变磁通途径的新型转子
漏磁用导磁材料 、铝片与弱磁用永磁体靠近轴
的一方结合在一起 ,弱磁用永磁体两方采取沿径向
同极性相对配置 ,根据磁极同极相斥原理使两个相
对的弱磁用永磁体产生斥力 。
作用在导磁材料上的离心力随着电机转速的升
高而增大 ,随着电机转速的升高 ,当超过一定速度时
输出转速保持恒定 ,在某些机械传动中去掉减速器 ,
这无疑给整个机械制造带来一场新的革命 。
但是 ,由于永磁同步电动机采用永磁体励磁 ,磁
永 磁
场恒定 ,永磁体励磁强度也就不可调节 ,在基速以上
同 步
的恒功率运行区域 ,随着转速升高 ,由于供电电压的
电 动
限制及电流控制器的饱和影响 ,破坏了永磁同步电
候 (基速 )时 ,导磁材料逐渐远离电机轴 ,向外周靠
近 ,当作用在导磁材料上的离心力和斥力达到动态
平衡时 ,导磁材料便不再移动 。而随着导磁材料向
外移动 ,漏磁路的磁阻逐渐减小 ,漏磁通逐渐增大 ,
从而流过气隙的磁通就越小 ,从而实现了弱磁 。
3. 5 控制角度考虑弱磁增速 [ 11 ]
通过控制定子中的直轴电流分量达到弱磁增速
Key words: permanent magnet synchronous motor; compound rotor; flux path; flux weakening
0 引 言
由于稀土永磁材料和电子功率器件的发展 ,近
年来 ,永磁同步电动机获得了广泛研究和应用 。随
着变频技术的日趋完善 ,永磁同步电动机和变频控
1 永磁同步电动机结构特点
根据转子永磁体配置位置的不同 ,可以把永磁 同步电动机分为表面磁钢转子结构和嵌入磁钢转子 结构两大类 ,如图 1 所示 。表面磁钢转子结构永磁 同 步电动机的气隙均匀 ,交 、直轴电感相等 ,不产生
图 1 典型永磁电机转子结构
磁阻转矩 ,而且由于等效气隙较大 ,不利于进行弱磁 控制 。但由于能够把转矩脉动控制到很低的程度 , 因此适合用于低速 、大转矩的直接驱动系统 。而嵌 入磁钢转子结构的永磁同步电动机由于交直轴电感 不相等 ,会产生磁阻转矩 ,使总的输出转矩增大 ,而 且由于直轴等效气隙小 ,便于进行弱磁控制 ,因此该 种电机的调速范围较宽 ,效率较高 ,适合用于高速恒 功率驱动领域 。
机 动机的电磁转矩性能 , 因而无法运行到较高的转
弱 磁
速 ,限制了其应用范围 。必须进行弱磁控制 。
扩 速
因此 ,充分发挥永磁同步电动机驱动系统高效
概 况
率的特长 ,在现有基础上进一步拓宽其调速范围 ,提
高基速以上区域系统的运行效率是变频驱动系统的
58
收稿日期 : 2006 - 02 - 27
一个重要研究方向 。
59
Tec综hn cia述lreveiw 微特电机 2008年第 1期 4 结 语
图 5 带软铁板可调磁的永磁电机
安装在定子两侧的调节器可以改变软铁盘与转 子的距离 ,从而改变磁通的路径 。转速越高 ,软铁盘 与转子的之间的气隙长度越小 。