周虎

摘要：永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是電機(jī)領(lǐng)域的前沿課題。本文從電磁場(chǎng)基本理論出發(fā)，采用解析的方法對(duì)表面磁鋼永磁無(wú)刷電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。全文的主要介紹表面磁鋼永磁無(wú)刷電機(jī)的空載磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型的建立。為分析這種電機(jī)的工作特性提供了可靠的依據(jù)。在表面磁鋼永磁無(wú)刷電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越多的時(shí)代背景之下，結(jié)合計(jì)算機(jī)的使用，本文為這種電機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，控制策略的選取提供了有力的工具。

關(guān)鍵詞：表面磁鋼永磁電機(jī);氣隙磁場(chǎng);解析法;空載

一、永磁電機(jī)的發(fā)展

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)既具備直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好，也具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。所以永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越多。由于永磁是有許多好處的。在電機(jī)中用永利用磁材料從而取代勵(lì)磁繞組。是一個(gè)將要發(fā)展的趨向。現(xiàn)代永磁電機(jī)是通過(guò)稀土永磁來(lái)進(jìn)行勵(lì)磁。電機(jī)的體積不僅減小，維修起來(lái)也很方便，運(yùn)行可靠，提高效率，和同容量的異步電機(jī)比較的話電機(jī)效率提高。對(duì)于現(xiàn)在的電機(jī)而言，電機(jī)以磁介質(zhì)中的機(jī)械能和電能轉(zhuǎn)換裝置。

二、稀土永磁電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

在稀土永磁材料NdFeB磁鋼中，它具有很高的磁能積，利用很少的永磁磁鋼就可以產(chǎn)生出足夠的能積，所以電機(jī)的體積、尺寸等方面就可以大為減少，這樣便成功的成為高效率、高密度電機(jī)。采用NdFeB的永磁電動(dòng)機(jī)，在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上是不需要電勵(lì)磁裝置的，這樣也可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高了電機(jī)的穩(wěn)定性。電機(jī)的效率表示電機(jī)在運(yùn)行時(shí)做的有功功率的利用率;功率因數(shù)表示的是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)做的無(wú)功功率的利用率。效率X功率因數(shù)=電動(dòng)機(jī)在能量轉(zhuǎn)換中的有效性，這些標(biāo)準(zhǔn)是衡量一個(gè)電機(jī)的指標(biāo)，因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)用永磁體取代了傳統(tǒng)上用勵(lì)磁繞組的磁場(chǎng)，所以是沒(méi)有損耗的，并且沒(méi)有滯后勵(lì)磁電流，節(jié)約了能源，并且提高了功率因數(shù)。傳統(tǒng)上的電機(jī)作比較，這些永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)都很簡(jiǎn)單，在運(yùn)轉(zhuǎn)方面也很穩(wěn)定，耗能小，效率高，所以它的使用越來(lái)越廣泛。

三、高效永磁電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展

因?yàn)槲覈?guó)的能源很緊張，在世界范圍內(nèi)，都是一個(gè)重大的問(wèn)題，所以在生產(chǎn)中提高效率變的非常重要，在這個(gè)能源缺乏的階段，能夠出現(xiàn)一種優(yōu)化電機(jī)變的必不可少。所以，高效永磁電動(dòng)機(jī)的使用就變得非常重要，根據(jù)IEC指定的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，它是相當(dāng)符合的，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的設(shè)計(jì)，可以達(dá)到IE4的標(biāo)準(zhǔn)。所以對(duì)我國(guó)以及世界來(lái)說(shuō)，改善整個(gè)系統(tǒng)，利用科技研發(fā)新型電機(jī)對(duì)節(jié)能有更大幫助。因?yàn)槲覈?guó)現(xiàn)在處在發(fā)展階段，從這方面來(lái)分析，要求現(xiàn)在的電機(jī)要有“細(xì)”，“深”，“好”的提高。使得電機(jī)的電磁場(chǎng)分析，研究已成為一個(gè)重要內(nèi)容。從氣隙磁場(chǎng)耦合到定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)我們都進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)工作時(shí)，電樞繞組會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該轉(zhuǎn)子將電磁力的作用下，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。

四、表面磁鋼永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的分析

電機(jī)的控制，是控制器進(jìn)行工作的，以電力電子功率變換器的致動(dòng)器的電傳動(dòng)控制系統(tǒng)。因?yàn)殡姍C(jī)發(fā)展的越來(lái)越成熟，它的理論成果也很豐富，利用數(shù)字脈沖寬度來(lái)進(jìn)行調(diào)制，又有許多新材料的使用，微電子技術(shù)，伺服系統(tǒng)從步進(jìn)伺服直流伺服系統(tǒng)，并對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程，已成為主流方向。電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁材料擔(dān)當(dāng)，進(jìn)而產(chǎn)生氣隙磁通，定子充當(dāng)電樞，直流電動(dòng)機(jī)的電刷是被轉(zhuǎn)子。

1、表面磁鋼永磁無(wú)刷電機(jī)氣隙磁場(chǎng)解析法

分離變量法的理論

基礎(chǔ)之一是線性疊加原理，故其只能解決線性定解問(wèn)題。在用分離變量法的過(guò)程中多次應(yīng)用疊加原理，不僅方程的解是所有特解的線性疊加，而且處理非齊次方程泛定方程問(wèn)題時(shí)，把方程條件也視為幾種類型疊加的結(jié)果，從而將其“分解”。對(duì)于線性疊加原理，其物理表述為：“幾個(gè)物理量共同作用產(chǎn)生的結(jié)果，等效于各個(gè)物理量單獨(dú)作用時(shí)各自產(chǎn)生效果的總和”。分離變量法的理論基礎(chǔ)之二是本征函數(shù)系的正交完備性。只有本征函數(shù)系是正交完備的，才能將平方可積的初始條件按本征函數(shù)展開(kāi)傅氏級(jí)數(shù)。

2、表面磁鋼永磁無(wú)刷電機(jī)空載磁場(chǎng)

如果要準(zhǔn)確計(jì)算永磁電機(jī)的參數(shù)以及性能的話，很重要的前提就是能夠獲得正確的磁場(chǎng)分布然后對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行分析，進(jìn)而取代了傳統(tǒng)磁路的計(jì)算，然后實(shí)現(xiàn)所要完成的工作。是否正確完整的提出具體問(wèn)題及其數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵是我能夠?qū)﹄姶艌?chǎng)進(jìn)行正確的分析。通過(guò)分析磁場(chǎng)永磁電機(jī)，從而建立正確的永磁電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)永磁電機(jī)進(jìn)行解析、分析要用到幾種處理方法，對(duì)他們進(jìn)行分類，主要有傅立葉級(jí)數(shù)法，等效磁荷法，以及等效電流法。使用傅立葉級(jí)數(shù)法來(lái)對(duì)內(nèi)容進(jìn)行分析主要包括直角坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系著兩種模型。

結(jié)論：永磁電機(jī)是電機(jī)領(lǐng)域的前沿項(xiàng)目。我的論文通過(guò)對(duì)基本理論的學(xué)習(xí)，利用表面磁鋼永磁無(wú)刷電機(jī)氣隙磁場(chǎng)解析法分析的基本理論，通過(guò)分離變量法來(lái)對(duì)表面磁鋼永磁無(wú)刷電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行解析。它有很多的特點(diǎn)，不需要電勵(lì)磁的線圈，通過(guò)使用表面磁鋼，讓電機(jī)的等效氣隙變大。一般情況下，氣隙的磁場(chǎng)就由永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)和電樞反應(yīng)磁場(chǎng)兩部分疊加而成通過(guò)對(duì)表面磁鋼永磁無(wú)刷電機(jī)的空載磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型的建立和解析解的推導(dǎo)，更加直觀的了解永磁電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性質(zhì)，磁場(chǎng)的模型也會(huì)給我們提供一個(gè)很真實(shí)的模擬磁場(chǎng)線路，永磁電機(jī)作為稀土永磁材料的使用器件，對(duì)其進(jìn)行研究和推廣工作，具有十分現(xiàn)實(shí)的改進(jìn)粗放發(fā)展模式的意義，又有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 丁曄，章躍進(jìn).永磁無(wú)刷電機(jī)空載氣隙磁場(chǎng)差分解析結(jié)合法研究[A].第十一屆中國(guó)小電機(jī)技術(shù)研討會(huì)論文集，2006： 4-7.

[2] 陳穎，黃守道，張鐵軍.稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研究[A].第十屆中國(guó)小電機(jī)技術(shù)研討會(huì)論文集，2005： 7-5.

[3] 章躍進(jìn)，薛波，丁曄.面裝式永磁無(wú)刷電機(jī)電樞反應(yīng)磁場(chǎng)半解析法分析[A].第十二屆中國(guó)小電機(jī)技術(shù)研討會(huì)論文集，2007： 12-14.