永磁同步电机的设计与温度场分析解释

永磁同步电机的设计与温度场分析解释

发表时间：2017-12-28T15:40:27.947Z 来源：《防护工程》2017年第22期作者：吴兴刚

[导读] 21世纪，科学技术飞速发展，高新技术不断涌现，节电、环保意识日益增强，使得永磁同步电机发展的前途一片光明。

浙江省嘉兴市博远机电嘉兴有限公司浙江省嘉兴 314001

摘要：21世纪，科学技术飞速发展，高新技术不断涌现，节电、环保意识日益增强，使得永磁同步电机发展的前途一片光明，尤其是高性能钕铁硼永磁同步电机及其伺服系统，随其技术的快速发展和日渐成熟，结构型式将日趋多样化，也将会赢得更为广泛的发展空间，获得更加广泛的应用。

关键词：永磁；同步电机；设计；温度场；分析解释

1 引言

近年来，永磁同步电机逐渐在各个领域得到广泛应用，日益成为人们生产和生活不可或缺的一部分。永磁同步电机在运行的过程中会产生损耗，这些损耗会通过热量的形式逸散出来，使电机内部温度升高。随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和钕铁硼永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。与传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电机,特别是钕铁硼永磁同步电机具有高效率、高功率因数、高效区宽广、功率密度高、节电效果明显的优点。

2大功率高速永磁同步电机的设计

2.1 主要设计特点

永磁同步电机的定子一般与相应的异步电机的定子冲片相同，最主要的是对转子的设计。本文设计的大功率高速永磁同步电机的使用场合较为特殊，对于这样的大电机要求运行可靠、大功率、高转速、高效率、防爆要求较高。所以不仅要设计合理的电磁磁路，又要在相应的技术参数基础上(机、电、热、材料、工艺、环境)对电机的性能进行改善。

所以在设计过程中要综合以下方面综合考虑：

2.1.1 高压变频

高压变频起动永磁同步电机无需起动绕组，这样需要大功率的变频器来与之相匹配，同样还要加强电气强度，提高安全系数。

2.1.2 大容量

电机为4级，定子额定电流约为660A，额定电压约为10kV,额定功率约为10MW，定子绕组采用Y型连接方式，相数为3相，额定频率为160Hz，额定转矩为20kN?m 。

2.1.3 高转速

电机额定转速约为4800rpm，功率大、效率高、转速高，调速宽而且能满足S1工作制。结合实际大功率高速永磁电机技术水平，合理选择永磁体的励磁方式，以及结构设计。

2.1.4 防爆

天然气是极易发生燃烧爆炸的气体，所以对电机要进行防爆措施，选择合适的材料以及防爆等级。

2.1.5 冷却

中小功率电机一般是利用空气进行通风冷却，但随着单机容量的增加，大功率高速电机的散热面积和风路安排受到诸多限制，使通风冷却较为困难。所以，为了保证电机温升不超过允许值，需要用不同的冷却方式和通风系统。一般采用水风混合冷却，即内循环冷却采用水冷，外循环冷却采用风冷。

3 永磁同步电动机的控制策略

任何电动机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间互差90°，因此可以独立调节；交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直，互相影响。交流电动机的转矩控制性能较差。目前的永磁同步电动机的控制方式有矢量控制、直接转矩控制等方案。

3.1 矢量控制

高性能的交流调速系统需要现代控制理论的支持，对于交流电动机，目前使用最广泛的当属矢量控制方案。自1971年德国西门子公司F．Blaschke提出矢量控制原理，该控制方案就倍受青睐。

矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流电动机上模拟直流电机转矩的控制规律，磁场定向坐标通过矢量变换，将三相交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并使这两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别调节，以获得像直流电动机一样良好的动态特性。因此矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置(频率和相位)的控制。矢量控制的目的是改善转矩控制性能，最终的实施是对id，iq的控制。

3.2直接转矩控制

矢量控制方案是一种有效的交流伺服电动机控制方案。但因其需要复杂的矢量旋转变换，而且电动机的机械常数低于电磁常数，所以不能迅速地响应矢量控制中的转矩。针对矢量控制的这一缺点，德国学者Depenbrock于上世纪80年代提出了一种具有快速转矩响应特性的控制方案，即直接转矩控制(DTC)。该控制方案摒弃了矢量控制中解耦的控制思想及电流反馈环节，采取定子磁链定向的方法，利用离散的两点式控制直接对电动机的定子磁链和转矩进行调节，具有结构简单，转矩响应快等优点。DTC最早用于感应电动机，1997年L Zhong等人对DTC算法进行改造，将其用于永磁同步电动机控制，目前已有相关的仿真和实验研究。

DTC方法实现磁链和转矩的双闭环控制。在得到电动机的磁链和转矩值后，即可对永磁同步电动机进行DTC。给出永磁同步电机的DTC方案结构框图。它由永磁同步电动机、逆变器、转矩估算、磁链估算及电压矢量切换开关表等环节组成，其中ud，uq，id，iq为静止(d，q)坐标系下电压、电流分量。

通过实际工程应用，永磁同步电动机在不需要精确定位的场合采用直接转矩控制即可实现永磁同步电动机的正常运行。而当永磁同步

电动机应用于机床等需要定位精度较高的场合时，采用矢量控制更为合适。

4 永磁同步电动机中温度分布

利用二维和三维的软件对永磁同步电动机的温度场分析发现，永磁同步电动机的发热主要来源于定子部分，而转子部分基本不发热。但由于转子采用隔磁处理，采用某些不到热材料后会导致定子的发热传递到转子永磁体上，使转子温度升高，永磁体的磁性能降低。因此在设计永磁同步电动机的转子时，应避免使用不到热材料。同时由于齿槽效应的影响，在转子表面温度分布较高，故应增大定转子气隙以降低齿槽效应影响，甚至在大功率永磁同步电动机中增加转子通风结构。避免永磁体发热而影响磁性能。

5 结论

永磁同步电动机以永磁体提供励磁，使电动机结构较为简单，尺寸小、外形灵活多样，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度，但由于永磁体价格较高，合理的设计永磁同步电动机尤为关键。在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对永磁同步电动机的设计、及应用研究就显得非常必要。

参考文献：

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