如何实现永磁电机输出功率最大？

laixi1985

无论是电机，还是别的用电器，其电功率大小都是由其供电电压U与流过它的电流I的乘积决定。日常中说的电机的功率，通常指的是有用功率，是指电机轴上的输出功率。今天，本文就以表贴式永磁电机为例，简单介绍下电机的功率主要与哪些因素有关。首先要明确一点，对于表贴式永磁电机来讲，电机能够输出的功率（电磁功率）是空载反电势E0与q轴电流Iq的乘积。接下来，主要从控制方式，E0选取以及温升三个方面来简单谈谈本人对电机功率的看法。同时，为了便于分析，不考虑铁心饱和带来的影响。


一、控制方式对于表贴式永磁电机来讲，id=0控制即为最大转矩电流比控制（如图1a所示），在输出相同转矩的条件下，该控制方式的电流最小，铜耗最低，效率最高。若在弱磁控制条件下（如图1b所示），一部分直轴电枢反应压降与E0相抵消，能够降低总的供电电压Us。

图1
为了进一步对比两种控制方式对电机输出功率的影响，图2给出了同一台电机输出转矩相同条件下，两种控制方式下的电压向量图。


图2从图中可以看出，q轴电流相同，也就是输出转矩相同时，采用id=0控制方式所需要的电压要大于弱磁控制。换句话说，当电机的供电电压恒定时，采用弱磁控制时电机所能输出的最大功率要高于id=0控制。但是在最大电压以下时，弱磁控制的电流要大于id=0控制，电机的运行效率要低于后者。二、空载反电势E0前面介绍了控制方式对电机功率的影响。接下来，将以id=0控制条件下，供电电压恒定时，空载反电势E0对输出功率的影响展开讨论。从图1中可以看出，在id=0条件下，供电电压压降体现在空载反电势E0、绕组电阻压降RsI和q轴电抗压降XqIq三个方面。而这三方面，又与绕组匝数和线径密切相关。将电机的铁心长固定后，相绕组电阻R与每相串联匝数N匝数成正比，空载反电势E0也与每相串联匝数成正比，满足式中，f为频率，n为转速，φ为磁通而交直轴电感（抗），则与匝数的平方成正比，满足

式中，C是漏抗系数，与绕组分布和槽型尺寸有关。详细的内容可参考尤哈.皮罗内编著的《旋转电机设计》这本书，讲的通俗易懂。

了解了这些，就可以说说E0对电机功率的影响。当匝数较低时，电机的空载反电势低，交轴电抗也低，电阻小。此时绕组接通电源后，绕组中的电流就大。随着绕组匝数的增加，电机的空载反电势，电抗和电阻也随着增加。但绕组中的电流随之减小。前文说到，电机的功率是空载反电势和电流I的乘积， 下面举两个极端的例子，定性分析供电电压恒定时，E0和输出功率的关系。电机的空载反电势近似为0（堵转）和空载反电势无限接近供电电压。前者的电流由于漏抗的存在，电流不会无穷大，所以输出功率很低；后者的电流近似为0，输出功率也很低。而在电流和空载反电势居中的部分，功率却要比这两种情况大得多。两端为0，中间不为0，可以简单得到，电机的功率随着E0增加，先增大，后减小。至于E0取多大最为合理，则与电阻和漏电抗密切相关，就不在本文的讨论范围了。三、温升讲到这里，一些读者可能就会想，按照这么说，E0一定时，是不是提高供电电压就能增加电机的输出功率呢？答案为“是也不是”！回答“是”是因为提高供电电压确实能够提高电机的输出功率，而“不是”则牵扯到限制电机功率的另外一个因素——温升。绕组因自身电阻的存在，通电后会产生焦耳热，如果热量不能及时散去，电机整体温度就会升高。温度升高会加速绝缘老化，降低电机使用寿命。而随着电压的升高，绕组电流不断增加，产生的焦耳热不断积累，超过极限后，整个电机就会发生短路而损毁。所以，不能无限制地增加电压来提高输出功率。相反，可以通过减小损耗和改善散热条件、提高绝缘材料的耐温性等来提高电机的输出功率。综上所述，影响电机输出功率大小的主要因素大致分为三类：控制方式、空载反电势E0和电机的温升。各种方式相互组合，能够使得电机输出功率最大。