永磁同步電動機設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)與方法

高海博++王亮

摘 要：永磁同步電動機技術(shù)在節(jié)約能量以及運作效率上具有十分優(yōu)異的特點，對于這一技術(shù)的應(yīng)用以及覆蓋國防、航空航天及日常的農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，因此對于其技術(shù)的改革和提高具有重大的意義。隨著我國的經(jīng)濟水平的不斷提高，傳統(tǒng)的永磁同步電動機技術(shù)的理念與設(shè)計理論以及無法滿足迅速增長的需求，尤其是在高性能的電機中的應(yīng)用，因此本文將就以上問題提出解決方案。

關(guān)鍵詞：永磁同步電動機；磁場數(shù)值計算；綜合匹配設(shè)計

我國的工業(yè)產(chǎn)業(yè)中，電動機在生產(chǎn)過程中扮演的角色十分重要，據(jù)統(tǒng)計表明，在我國的各類電動機系統(tǒng)總裝機的容量超過七億千瓦，其耗電量占據(jù)了全國發(fā)電量的百分之六十。但如此廣泛的應(yīng)用并不意味著我國的相關(guān)技術(shù)就達到了成熟，實際上，我國的電機平均效率相比發(fā)達國家還要低三到五個百分點，運行效率更是差了十到二十個百分點，而這部分的電能浪費接近了兩千億千瓦時，因此我們應(yīng)當(dāng)采取措施，改進永磁同步電動機的工藝技術(shù)，從而提高其運行效率，減少能源損耗。

一、永磁同步電動機在我國的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）永磁同步電動機的分類與發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)運動軌跡的不同，永磁同步電動機被分為直線永磁同步電動機和旋轉(zhuǎn)永磁同步電動機；根據(jù)工作電源種類的不同，永磁同步電動機被分為永磁直流電動機和永磁交流電動機；根據(jù)有無電刷和換向器的部分，永磁同步電動機被分為有刷電動機和無刷電動機；根據(jù)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)位置的區(qū)別，可分為外轉(zhuǎn)子電動機和內(nèi)轉(zhuǎn)子電動機；根據(jù)氣隙磁通方向的區(qū)別，被分為徑向磁通電機、橫向磁通電機和軸向磁通電機；而根據(jù)起動和運行方式的不同，可以分為自起動永磁同步電動機和調(diào)速永磁同步電動機等。本文將主要探討我國應(yīng)用最為廣泛的三種永磁同步電動機，分別是：永磁直流（有刷）電動機、調(diào)磁永磁同步電動機和異步起動永磁同步電動機。

電動機節(jié)能目前有兩種方法：第一種是通過對運行控制方式的優(yōu)化而改善電機在不同負(fù)載情況下的運行性能；第二種是對電機本身的結(jié)構(gòu)做出改變和優(yōu)化，提出新的設(shè)計理念從而在整體上增強電機的性能。

而在節(jié)能方面有著突出表現(xiàn)的是永磁電機，永磁電機通過永磁體產(chǎn)生磁場，不需要勵磁繞組和勵磁電源就可以實現(xiàn)其功能，具有結(jié)構(gòu)簡明、能耗低、效率高、功率密度高的特點。近年來，隨著對稀土永磁材料的不斷研究和實驗，永磁同步電動機迎來了技術(shù)上的革新。這與我國本身是一個稀土資源儲量豐富的國家有著不可分割的關(guān)系。結(jié)合居于世界首位的稀土永磁礦產(chǎn)的外部優(yōu)勢，投入人力與資金，近年來在永磁電機和永磁材料的研究方面都取得了不可小覷的成績。

（二）永磁同步電動機的設(shè)計分析方法簡述

永磁同步電動機的設(shè)計分析方法主要分為三個大類，分別是基于“路”、基于“場”和基于“路與場的結(jié)合”的思路來進行設(shè)計，具體有等效磁路法、等效磁網(wǎng)絡(luò)法、電磁場解析法和數(shù)值計算法，除此之外還有由電磁場計算而發(fā)展而來的多種分析方法。

永磁直流（有刷）電動機與電勵磁直流電動機的原理相類似，在結(jié)構(gòu)上將勵磁繞組和磁極鐵心換成了永磁磁極，除了具有機構(gòu)簡單、工藝簡便、體積較小、效率較高的特性以外，還具有良好的調(diào)速特性和機械特性。電磁直流電動機更多地被運用于小功率的場合中，如家用電器、電動工具、汽車電子設(shè)備等等都大量使用了這種電動機，相比電勵磁電動機，電磁直流電動機的效率高出百分之十到二十，且成本更為低廉。

調(diào)速永磁同步電動機有變頻電源供電，可用于開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，能夠在穩(wěn)定運行的同時與電源頻率保持較為恒定的關(guān)系。另外，調(diào)速永磁同步電動機不需要電刷和換向器，結(jié)構(gòu)簡單、維護工作方便，且具有高效率和高功率因數(shù)的優(yōu)勢。

異步啟動永磁同步電動機，又稱為自起動永磁同步電動機。其原理是將永磁體放置在電動機的轉(zhuǎn)子上，依靠籠型轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩達到自起動的效果。起動之后，轉(zhuǎn)子繞組不再工作，電動機以同步轉(zhuǎn)速繼續(xù)運行。

（三）永磁同步電動機設(shè)計分析中的關(guān)鍵技術(shù)概述

本體設(shè)計方面最重要的就是轉(zhuǎn)子磁路，它對電動機的性能起到了決定性的作用。對于磁路的設(shè)計主要包括對永磁體安裝尺寸的選擇，還有隔磁橋、轉(zhuǎn)子鼠籠槽。通風(fēng)孔等結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，可以有效提高電動機的運作效率、功率密度和過載能力。并且可以得到較好的起動和運轉(zhuǎn)性能。想要做到這些需要綜合考慮永磁體的用量、漏磁系數(shù)、電抗和電感等參數(shù)等多種方面。

永磁體使用的數(shù)量與電機中的磁動勢的大小之間相關(guān)，決定了相同體積下電動機所能夠達到的容量。一般來說，永磁體的數(shù)量越大，電機的功率密度就越高。但是，在轉(zhuǎn)子上放置的永磁體能夠達到的體積是有限的，尤其在內(nèi)置式機構(gòu)中，轉(zhuǎn)子沖片的各個部分的機械強度的區(qū)別需要被考慮到。如果是需要安裝鼠籠繞組的轉(zhuǎn)子，永磁體的安裝還需要考慮到轉(zhuǎn)子槽的空間。如果是轉(zhuǎn)子鐵心設(shè)計了通風(fēng)孔或通風(fēng)道的電動機，對于永磁體的安置的難度更高。另外，永磁體的成本較高，因此處于經(jīng)濟性的因素，在能夠滿足電動機正常運作的情況下，應(yīng)當(dāng)盡量減少永磁體的用量。

減少永磁體用量的有效方法之一就是減少電動機的漏磁現(xiàn)象。通常來說，電動機的漏磁系數(shù)越小，對于永磁體的利用率就越高，但也存在可能會影響到永磁體的抗去磁性，對電樞反應(yīng)分流作用不明顯等問題。因此對于漏磁系數(shù)的選擇要綜合考慮到各項因素才能夠決定。

綜上所述，要想得到高效節(jié)能的永磁同步電動機，就要全方位考慮會影響到轉(zhuǎn)子磁路的多個因素，在多個參數(shù)之間進行取舍，從而達到效益最大化的平衡點。

二、結(jié)束語

隨著我國整個工業(yè)行業(yè)的轉(zhuǎn)型與發(fā)展，節(jié)能高效的電機技術(shù)越來越被企業(yè)與行業(yè)所需要，我們不僅應(yīng)該重視產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益的輸出，更應(yīng)該關(guān)注環(huán)境與資源的現(xiàn)狀。只有構(gòu)建環(huán)境友好型、資源節(jié)約性的可持續(xù)發(fā)展社會，才能保證企業(yè)與產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，因此對永磁同步電動機的研究就變得格外重要。我們相信，隨著研究的不斷深入，這一領(lǐng)域的技術(shù)一定會變得越來越成熟、完善的。

參考文獻：

[1]王秀和，楊玉波，丁婷婷，等.基于極弧系數(shù)選擇的實心轉(zhuǎn)子永磁同步電動機齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法研究[J].中國電機工程學(xué)報，2005，25（15）：146-149.

[2]黃雷，趙光宙，年珩，等.基于擴展反電勢估算的內(nèi)插式永磁同步電動機無傳感器控制[J].中國電機工程學(xué)報，2007，27（9）：59-63.

[3]裴英，王秀和，唐旭，等.新型三繞組并聯(lián)式異步起動單相永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)性能分析[J].中國電機工程學(xué)報，2013，33（9）：88-96.