永磁同步電機(jī)在拖動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用與降噪

范超+余以兵

[摘 要]21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，高新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，資源口益減少，人們對(duì)節(jié)電、環(huán)保意識(shí)口益增強(qiáng)，使得傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)受到了挑戰(zhàn)，同時(shí)也為新型永磁電機(jī)提供了發(fā)展機(jī)遇。與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)有效率高、功率因數(shù)高、體積小，材料利用率高，重量輕等特點(diǎn)，具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。因此，近年來，隨著永磁材料的性價(jià)比提高，以及電力電子技術(shù)的進(jìn)步，永磁電機(jī)的發(fā)展也受到了各方關(guān)注。

[關(guān)鍵詞]永磁同步電機(jī)；電磁設(shè)計(jì)；降噪

中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）15-0318-01

一：永磁同步電機(jī)應(yīng)用與電磁設(shè)計(jì)

1.1永磁同步電機(jī)的運(yùn)行分析

永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，最關(guān)鍵的問題就是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的高性能控制。對(duì)于永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的要求可歸納為：響應(yīng)快、精度高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、系統(tǒng)效率和功率因數(shù)高等。對(duì)永磁同步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩的控制可歸結(jié)為對(duì)交軸電流和直軸電流的控制。交、直軸電流的不同組合，將影響控制系統(tǒng)的效率、功率因數(shù)及轉(zhuǎn)矩輸出能力等。如何根據(jù)給定的轉(zhuǎn)矩來確定交軸電流和直軸電流，實(shí)際上就是對(duì)定子電流矢量控制的問題。

1.2永磁電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

（1）永磁電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)

磁路設(shè)計(jì)是根據(jù)對(duì)磁場(chǎng)的要求，合理地選擇磁路的參數(shù)和材料，設(shè)計(jì)出工藝上可行、特性滿足要求、經(jīng)濟(jì)性好、能充分發(fā)揮材料性能的磁路。一般的設(shè)計(jì)過程是：首先根據(jù)磁路特性的要求，初步確定磁路的大致結(jié)構(gòu)，確定各部分磁路的尺寸和材料，然后采用合適的計(jì)算方法計(jì)算磁路特性。若計(jì)算結(jié)果與性能要求之間的誤差在允許范圍內(nèi)，則磁路設(shè)計(jì)成功完成；否則要重新調(diào)整磁路尺寸或材料，直至得到合理的磁路。

電勵(lì)磁電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)己相當(dāng)成熟，永磁電機(jī)與其區(qū)別主要在永磁體的設(shè)計(jì)與計(jì)算，因此永磁同步電機(jī)磁路設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于永磁材料的選擇和工作點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

（2）永磁體的選擇

由于永磁體及其性能的多樣性，如何選擇合適的永磁體材料及尺寸直接關(guān)系到電機(jī)的性能和經(jīng)濟(jì)性。永磁體選擇應(yīng)滿足以下要求：永磁體在規(guī)定的工作空間內(nèi)能產(chǎn)生所需要的磁場(chǎng)；永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)有一定的穩(wěn)定性，能承受工作環(huán)境溫度而不發(fā)生不可接受的變化；具有良好的力學(xué)性能和可工藝性；

（3）永磁體的設(shè)計(jì)

永磁體的形狀通常與所選擇的磁極結(jié)構(gòu)有關(guān)，永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能、控制系統(tǒng)、制造工藝和適應(yīng)場(chǎng)合也不同。目前有以下幾種結(jié)構(gòu)：表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)、內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)、爪極式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)、復(fù)合勵(lì)磁轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，考慮電梯設(shè)備的特殊情況，我們選用了表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，并將電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成外轉(zhuǎn)子，這樣永磁體位于轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)表面上，永磁體提供磁通的方向?yàn)閺较颉Ｓ捎谟来挪牧系南鄬?duì)回復(fù)磁導(dǎo)率接近1，所以表面凸出式轉(zhuǎn)子在電磁性能上屬于隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本較低等優(yōu)點(diǎn)，表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁磁極易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)，使之成為能使電動(dòng)機(jī)氣隙磁密波形趨近正弦波的磁極形狀，可以顯著提高電動(dòng)機(jī)乃至整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的性能。

（4）永磁同步電機(jī)的磁路分析

磁路計(jì)算的目的是在己知永磁體性能和磁路尺寸條件下，求解永磁體工作圖的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)永磁體工作圖調(diào)整磁路尺寸，以保證磁路的合理設(shè)計(jì)。

永磁體向外磁路所提供的總磁通中可分為兩部分，一部分與電樞繞組匝鏈，稱為主磁通（即每極氣隙磁通）中；另一部分不與電樞繞組匝鏈，稱為漏磁通中二。相應(yīng)地將永磁體以外的磁路（以后稱為外磁路）分為主磁路和漏磁路，相應(yīng)的磁導(dǎo)分別為主磁導(dǎo)和漏磁導(dǎo)。稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)實(shí)際的外磁路比較復(fù)雜，分析時(shí)可根據(jù)其磁通分布情況分成許多段，再經(jīng)串、并聯(lián)進(jìn)行組合。主磁導(dǎo)和漏磁導(dǎo)是各段磁路磁導(dǎo)的合成。

二.永磁同步電機(jī)的噪聲分析

2.1 電磁噪聲的抑制措施

電機(jī)的電磁噪聲是由于氣隙中電磁徑向力引起電機(jī)機(jī)座振動(dòng)造成，因此電磁噪聲的抑制主要措施為：

1降低電磁徑向力

（1）適當(dāng)增大定子氣隙，降低氣隙磁導(dǎo)，從而降低氣隙諧波磁場(chǎng)，由于徑向力與氣隙磁場(chǎng)的平方成正比，于是即能降低電磁徑向力。

因此永磁同步電機(jī)氣隙值取得較大。

（2）定子齒采用斜槽，有效地削弱諧波磁場(chǎng)，從而降低電磁徑向力，降低電磁噪聲。

（3）采用分?jǐn)?shù)槽繞組，削弱感應(yīng)電勢(shì)的高次諧波分量，從而減小紋波轉(zhuǎn)矩。

（4）定子繞組采用合適的并聯(lián)支路數(shù)，減少電機(jī)磁路不均勻的影響，降低不平衡電磁拉力，從而降低電磁噪聲。

2降低電機(jī)表面振動(dòng)量

電機(jī)表面的振動(dòng)量除直接與徑向力的大小有關(guān)外，還與徑向力波次數(shù)及頻率有關(guān)，同時(shí)與電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其剛度有關(guān)。上節(jié)主要討論了降低徑向力大小來降低電機(jī)振動(dòng)，本節(jié)則從提高電機(jī)結(jié)構(gòu)件剛度來降低電機(jī)表面振動(dòng)量。

（1）將電機(jī)結(jié)構(gòu)件的固有頻率與電磁主要徑向力頻率錯(cuò)開；

（2）采用合適結(jié)構(gòu)，提高機(jī)座剛度，如在機(jī)座表面增加一定數(shù)量的散熱筋，既可以改善電機(jī)冷卻效果，也可提高機(jī)座剛度。

3降低聲輻射效率

根據(jù)圓柱體表面在徑向振動(dòng)時(shí)輻射的聲強(qiáng)，與無限大平面以同樣頻率、同樣振幅振動(dòng)時(shí)輻射聲強(qiáng)的比值，若取平面振動(dòng)體聲強(qiáng)作為基準(zhǔn)值，則該比值可以認(rèn)為是相對(duì)聲輻射效率。相對(duì)聲輻射效率隨下列值而變化：

（1）振動(dòng)模數(shù)m（即徑向力波次數(shù)）；

（2）電機(jī)表面有效半徑；

（3）電機(jī)長(zhǎng)一徑比。

結(jié)語：由于永磁體的高磁能積和高矯頑力，使得永磁同步電動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕、效率高、特性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為新一代電機(jī)的重要發(fā)展方向。但是由于永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，媒質(zhì)交界面曲直交錯(cuò)，永磁材料的磁特性為各向異性，使得永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)變得比較復(fù)雜，計(jì)算準(zhǔn)確度比較差；另外，永磁同步電動(dòng)機(jī)中一些特殊的電磁過程和一些專門問題如磁極結(jié)構(gòu)形狀與尺寸的優(yōu)化、永磁體的齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)的影響等都是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。目前，永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法己成為國(guó)內(nèi)電機(jī)界研究的熱點(diǎn)。在構(gòu)建節(jié)能型社會(huì)的進(jìn)程中，高性能的永磁同步電動(dòng)機(jī)因其高效節(jié)能的性能將有著巨大的市場(chǎng)潛力。如何設(shè)計(jì)出成本較低，性能較高的永磁同步電動(dòng)機(jī)也將成為電機(jī)界研究的熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 張炳義，馮桂宏，王鳳翔.SPWM電源供電下低速大扭矩永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2001， 16（6）： 85-90

作者簡(jiǎn)介

范超（1991-），男，漢族，四川樂山，單位：廣東工業(yè)大學(xué)2014級(jí)研究生，研究方向：控制科學(xué)與工程。

余以兵（1991-），男，漢族，籍貫：湖北荊州，單位：廣東工業(yè)大學(xué)2014級(jí)研究生，研究方向：控制科學(xué)與工程。