高速永磁同步电机的设计与分析

高速永磁同步电机的设计与分析

谭珠明

佛山市顺德区金泰德胜电机有限公司

摘要：永磁同步电机结构简单、体积轻盈、高效节能、运行可靠，其未来应用领域广阔，涉及航空、汽车、电梯、家电、医疗设备等等。对于稀土资源丰富的中国来说，以稀土为永磁材料的永磁同步电机的技术研究更具有深远意义。目前，永磁同步电机的设计技术不断成熟，在磁路结构的设计、在定子参数的设置、在转子的优化方面都有一定的研究。随着社会对这种永磁同步电机优势需求越来越明显，其技术发展也在朝着更深、更广的领域延伸。

关键词：电机；设计；技术

能源是人类赖以生存和发展不可或缺的重要物质基础，随着政府、社会节能呼声的日益高涨，各行各业掀起了节能降耗技术改革。作为电控技术的核心领域，电机的发展也在朝着节能高效的方向健康发展。特别是永磁同步电机的出现，其性能的优越性在应用中越来越凸显，是目前最具发展潜力的一种电机技术。

一、高速永磁同步电机的研究意义

永磁同步电机具有高效、节能、量轻的优势，其应用领域广阔，发展潜力巨大，是整个电机行业未来发展的方向。永磁同步电机一般由定子、转子、机座和端盖等部件组成，而转子主要由永磁体、转子铁心和转轴构成。其中永磁体目前采用最多的是稀土永磁材料汝铁硼，而中国是稀土资源最为丰富的国家，稀土储存量约占世界的80%，所以，研究永磁同步电机技术，符合中国现有资源条件，对中国经济的发展具有深远的意义。

二、永磁同步电机的优点及其设计原理

永磁同步电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的一种电磁装置。与其他异步电动机相比，其最大的特点就是转子的设计，永磁同步电机通过在转子上安装永磁体磁极，为电机内提供进行电能量所需的气隙磁场，实现电能与机械能的转换。永磁同步电机的优势及其设计原理主要体现在以下几个方面：

（1）高效节能

一般异步电机需要一部分功率来产生磁场，以维持电机的运转，所以，该损耗不可避免地影响其运行效率。而永磁同步电机的转子采用永久磁铁，无需转子线圈，此设计可以减少了旋转时的铜损耗，与其他电机相比，约可减少60%的损耗，实现电机的高效性能。在轻载情况下，永磁同步电机的高效性尤为明显。通常，电机的设计为保证用户在极限功率中能安全使用，会在常用功率的基础上设计一定的预留功率，所以电机通常是处于其额定功率的70%以下条件运作，也就是说工作状态处于轻载区，对于异步电机，在这种轻载区时效率很低，而同步电机则在这种轻载状态下仍保持较高效率，约高于异步电机20%。

（2）功率因数高

永磁同步电机的功率因数与电机极数无关。所以，在设计其功率因数时，可以设计为功率因数等于1。而异步电机因其自身励磁特点，电机功率必将随着电机极数的增加而越来越低。比如，极数为8的电机，其功率通常为0.85，；即使是极数为2级的电机，其功率因数也通常难以达到0.95。因此，永磁同步电机在功率因数上有明显的优势，而这种优势又带来其他的优点：

1、功率因数高，电机电流小，电机定子铜耗降低，更加节能；

2、功率因数高，电机配套的电源，如逆变器、变压器等，容量可以更低，同时其他辅助配套设施如开关、电缆等规格可以更小，相应的系统成本也更低。

3、由于永磁同步电机功率因数高低不受电机极数的限制，在电机配套系统允许的情况下，可以将电机的极数设计的更高，相应电机的体积可以做得更小，电机的直接材料成本更低。

（3）可靠性高

永磁同步电机的结构设计灵活，不需要减速箱便可实现直接驱动负载，有效避免了减速箱带来的危险性。在一定条件下，甚至可将电机设计在其驱动装置内部，比如像风力发电直驱装置的设计，省去传统电机故障率较高的轴承，可大大提高了传动系统的可靠性能。

4、轻量化。

驱动方式采用永磁体、全封闭式和无传感器控制方式，结构简单化、轻量化。目前，永磁同步电机轻量化技术有较大突破。主要采用三种方式实现电机的轻量化。

第一，在电机设计时采用更加优化的设计方法，对电机进行更精准的设计，实现轻量化。2007年，名古屋工业大学学者通过对磁通的三维网络分布与轭部磁路的走向进行分析设计，简化了电机的结构，同时实现了输出转矩的最大化，实现轻量化。2009年，瑞典皇家理工学院学者结合电机尺寸参数，优化目标函数DOC，并通过了有限元仿真对目标函数进行反复计算，精确得到满足电机输出性能的尺寸参数，设计出的电机结构轻盈。

第二种方式是通过轻质材料的替换，实现量轻目的。如东京海洋大学提出，将纳米微晶FINEMET轻质软磁材料应用到高温超导群懂电机的铁心上，利用该材质密度小且密度饱和点磁密较高的特性，减少电机的热损耗，同时降低电机的质量。

第三种方式是采用新的结构方式实现量轻化。2013年，北海道大学对铁氧体双定子单转子轴向磁通永磁同步电机进行研究，发现通过永磁体转子表面嵌入式结构，可以减少转子轭部体积，缩短电机的轴向尺寸，从结构上实现了减轻电机的重量的目的。图一为表贴式结构，图二为嵌入式结构。

图一，并联磁路表贴式双定子永磁电机图二，并联磁路嵌入式双定子永磁电机

5、启动力矩大、噪音低。

永磁同步电机在低频的时候输出力矩也比异步电机大，且由于没有中间传动机构的机械振动，其运行时的噪音很小，在低频时仍能保持较好的工作状态。

6、永磁同步电机具有使用寿命长的优势。其封闭式结构可以有效避免外部尘埃的侵入，减少外部环境对部件的损害，相比其他电机，这种封闭式结构电机往往使用寿命更长。

三、永磁同步电机技术的未来发展和市场应用

（1）大功率化方向研究，主要适用于新能源汽车、列车、机器人、电梯等对大功率要求的机械设备。

（2）高速化功能应用。由于永磁同步电机不需要励磁绕组，结构简单，在追求高速方面有其优势，在该电机技术成熟后，该功能可应用于航空设备方面。

（3）由于永磁同步电机所用材料有耐高温的特性，且体积轻，所以其电机可以适应高温、真空等特殊环境需求。故其在宇航设备的机械中应用的潜力非常大，也是未来技术研究的一个重要方向。

（4）永磁同步电机体积轻盈、噪音低、寿命长的特征非常适合医疗微型机器、手术用机器人等，所以，对医疗设备方面的应用也是该电机的技术研究的延伸方向。

永磁同步电机设计技术的关键和难点在于确定电机的尺寸和磁路结构、估算永磁体的体积、设定定子、转子于冲片和绕组的数据，制定符合电机性能指标的电磁设计方案。目前，在永磁同步电机的设计和数据分析方面已投入大量的人力物力，并取得一定成果，但是永磁同步电机仍然存在一定的技术瓶颈亟待解决，比如，在最大转矩受永磁体的去磁约束，其抗震能力差，高转速受限制，应用成本高等等。要解决这些问题，实现永磁同步电机技术的广泛应用，还需要国家政策的大力支持和科研经费的大量投入。

参考文献：

[1]王奇维.轴向磁通永磁同步电机轻量化设计及其相关技术研究[D].哈尔滨工业大学，2017.6

[2]陈俐霞.内置式高效永磁同步电机的设计研究[D].哈尔滨工业大学，2008.7

[3]陆焕瑞，王钢，汪佳龙.大功率高速永磁同步电机的设计与分析[J]，电力设备，2016年第8期