凸极比对输出特性的影响分析

凸极比是永磁辅助同步磁阻电机的重要参数，一般来说凸极比越大，电机的磁阻转矩占总电磁转矩的比例越大。本节将阐述凸极比大小对电机磁阻转矩占比以及效率的影响。

表2-4给出了3种不同凸极比电机的参数。其中最大电流I_am、最大电压V_am、定子电阻R_s、铁损电阻R_c均相同，转折速度均为1750r/min，最小d轴磁链ψ_dmin也基本相同。

图2-35 不同ψ_dmin的永磁辅助同步磁阻电机的输出特性曲线

a）转速与输出转矩曲线 b）转速与输出功率曲线

表2-4 3种不同凸极比电机的参数

图2-36 不同电流限制值的输出特性曲线

a）转速与输出转矩曲线 b）转速与输出功率曲线

3种电机的输出转矩及输出功率随转速的变化曲线如图2-37所示。由于最小d轴磁链ψ_dmin基本相同，因此输出转矩及输出功率随转速的变化曲线也基本一致。

将K_re定义为磁阻转矩在电磁转矩中的占比，ω_ov定义为空载感应电动势达到电压限制值时的速度。在电机最小d轴磁链ψ_dmin相同的前提下，电机K_re、ω_ov/ω_base随凸极比的变化曲线如图2-38所示。随着凸极比的增大，K_re逐渐提升，并且在转折速度以上的高速弱磁区域K_re很高。这是因为凸极比较小电机的电磁转矩是以永磁转矩为主，磁阻转矩为辅的，而凸极比大的电机则是以磁阻转矩为主，永磁转矩为辅的。

如果在相同的最大电流I_am下要输出一样的转矩，则需通过提高电机凸极比，增大电机的磁阻转矩占比，从而降低永磁体磁链ψ_PM，降低电机空载感应电动势，提高空载感应电动势达到电压限制值时的速度ω_ov。在ω_ov以上的高速区域会产生以下问题：

图2-37 不同凸极比电机的输出特性对比

a）转速与输出转矩曲线 b）转速与输出功率曲线

图2-38 磁阻转矩比与空载电压限制值时的速度曲线

1）即使是无负载状态，为将端电压限制在最大电压以下，仍需增加去磁的d轴电流，从而导致电机的铜损增加；(www.xing528.com)

2）驱动电机的控制器因异常保护断开时，有可能在电机端子上产生过大的感应电动势而损坏控制器。

因此，我们希望ω_ov越高越好。增大电机凸极比，减小ψ_PM，使电机磁阻转矩大于永磁转矩都可以显著提高ω_ov。

为了研究凸极比对电机在转折速度以上的高速区域运行特性的影响，3种不同凸极比电机分别在50W及200W恒功率运行时的电流和效率对比曲线如图2-39所示。从电流曲线可以看出，在相同的输出功率下，随着转速的上升，凸极比小的电机电流增加较大，并且功率越小，电流随转速的上升越快。这主要是由于凸极比小的电机永磁体磁链ψ_PM较大，随速度的增加感应电动势升高明显。为抑制这种电压的升高，在电机高速运行时需要通入更大的去磁电流。

图2-39 不同转速下电机电流和效率对比

a）速度-电流曲线 b）速度-效率曲线

从效率曲线可以看出，在高速区域，凸极比大的电机效率更高，随着转速的上升，3种凸极比电机的效率差距变大。在相同的转速下，电机在输出功率为50W时的效率差距比200W时的效率差距要大。

3种不同凸极比电机的效率分布如图2-40所示。3种电机最高效率大致相同，但高效率运转区域有所不同。

图2-40 效率分布图

a）电机1（ρ=1） b）电机2（ρ=3） c）电机3（ρ=6）

转速在2000r/min以上的高速区域，3种电机运行效率超过85%的运行区间如图2-41所示，凸极比大的电机，高效运转区域较大，并向高转速一侧移动。

转速在2000r/min以下的区域，3种电机效率随转速和转矩的分布如图2-42所示。要实现相同的效率，凸极比小的电机应该更靠近低转速、高转矩区域，而凸极比大的电机应该更靠近高转速、低转矩区域。

图2-41 效率在85%以上的运转区域

图2-42 低转速区域效率比较