三相永磁同步电机之调速永磁同步电动机的设计

调速永磁同步电动机的磁路计算与异步起动永磁同步电动机相同，即针对某一工作点的磁路计算可以完全参照异步起动永磁同步电动机。不同之处在于，调速永磁同步电动机主要应用于高性能伺服驱动控制领域，其性能要求除了高效高转矩密度外，还包括调速范围宽、转矩转速平稳、动态响应快速准确等。调速永磁同步电动机的性能在很大程度上与其相匹配的功率系统密不可分，因此其设计必须兼顾其功率系统，或者电机与功率系统协调设计。具体设计时，应根据电机系统的应用场合和有关技术经济指标要求，首先确定电动机的控制策略及逆变器的容量，然后根据电机设计的有关知识具体设计电机，下面以矢量控制调速永磁同步电动机为例，分析该种电机不同于异步起动永磁同步电动机的设计特点。

永磁同步电动机调速传动系统的主要性能是它的调速范围和动态响应性能。调速范围分为恒转矩区和弱磁恒功率区，如图1于27所示。图中叽为转折转速，是恒转矩区和恒功率区的分界点，此时电机的电动势达到最大值，折算到逆变器直流母线侧为其直流电压值。转折转速一般设计为其额定工作转速，该点的额定运行状态需要进行磁路设计并进行热负荷计算，显然希望该额定工作点具有尽可能高的运行效率；同时需要计算该点的最大输出转矩，并校核电机起动加速至该转速所需时间是否满足要求。图10-27中，为最高运行转速，

需要计算起动加速至该转速所需时间，并校核在该转速下产生最大转矩时的永磁体抗去磁能力。

一、主要尺寸及气隙选择

调速永磁同步电动机的主要尺寸可由所需的最大转矩和动态响应指标确定。下面以表面式转子磁路结构电动机为例给出电机主要尺寸的设计过程。调速永磁同步电动机的最大转矩与电磁负荷、电动机主要尺寸之间满足如下关系式：

考虑到电机的安装等要求，调速永磁同步电动机的气隙长度一般大于同规格感应电动机。调速永磁同步电动机采用高性能的稀土永磁材料，因此稍微增大气隙不会引起电机性能的改变。电机气隙的选择不但与所采用的转子磁路结构有关，而且与电机的弱磁扩速能力要求有关。在表面式转子磁路结构的调速永磁同步电动机中，转子铁心上的瓦片形磁体需要加装磁体保护套。为减小漏磁，保护套一般采用非导磁材料，因此电机的有效气隙较大。对于采用内置式转子磁体结构且要求有一定恒功率运行速度范围的调速永磁同步电动机，气隙不宜太大，否则将导致电动机的直轴电感过小，弱磁能力不足，无法达到要求的最高转速。

确定电动机的定子外径时，一般是在保证电动机有足够散热能力的前提下，为提高电动机效率而加大定子外径或为减小电动机制造成本而缩小定子外径，视具体情况而定。

二、转子磁路结构的选择

转子磁路结构主要考虑机械强度、有无恒功率运行要求及加工成本等。当电动机最高转速不是很高时，可以选用表面凸出式转子磁路结构，采用无纬玻璃丝带作为磁体保护套，具有足够的机械强度且加工工艺简单、成本低廉，但电机没有凸极性，弱磁能力差；对于高速电机，采用表面凸出式转子磁路结构时必须采用高强度的金属材料（如钦合金或不锈钢）作磁体保护套；如电机要求一定的恒功率运行速度范围，则应采用内置式转子磁路结构。内置式转子磁路结构永磁同步电动机不但易于弱磁扩速，而且漏磁系数比表面式转子磁路结构电机要大，有助于提高电机的抗去磁能力。