永磁同步电机设计与特性分析

永磁同步电机设计与特性分析

王泽军

王泽军

佛山市朗特电机有限公司528313

摘要：随着技术的成熟以及生产材料的丰富，永磁同步电机的设计与生产取得了长足的进步。在轨道交通、医疗机械以及能源领域都发挥着重要的作用，这种设计方法不仅简化了以往的工艺流程，而且还能够极大的节能降耗。基于此，笔者在文章中论述了永磁同步电机的特点与结构，并提出了设计环节需要着重关注的要点。

关键词：永磁同步电机；结构特点；设计方法

引言

近几年国内能源问题日益紧张，而我国作为世界上最大的能源消费国，对节能设备及技术的研究一直都给予了较高的重视。永磁同步电机在设计过程中传动系统更加小巧，在节约了能耗的同时还至少提升了15％以上的效率。不仅如此，该电机在其它元器件的设计中也做了相应的优化，使设备的稳定性也得到了显著的改善。因此，在现阶段对永磁同步电机的特性以及设计方法进行探讨，对节能设备的普及推广有着重要的意义。

一、永磁同步电机的特点

（一）功率因数较高

在以往的生产中，大多数企业使用感应电机来做功，不仅稳定性得不到保障而且还存在很多无功损耗。比如在感应电机中为了给转子添加一个磁场，就必须向其中导入励磁电流。这种做法虽然能够提高电力系统的稳定性，但也无疑会造成能源的浪费。相比之下，永磁同步电机在设计中则不需要励磁电流。因此，在投产使用后设备的功率因数比以往更好，主要就是解决了高电阻造成的损耗。此外，在永磁电机中散热系统的设计也相对简单，风扇转动所消耗的能源也得到了有效的控制。根据行业调查结果显示，使用永磁同步电机所提高的功率因数能够超出其他类型产品一成。尤其是在轻载运行状态下，更是能够满足企业长周期使用的需求，为系统运行节约了不少的成本。

（二）启动力矩较大

在电机运转过程中，力矩的大小直接决定了其性能表现。根据物理力学原理可知，当力矩越大时能够用更少的力做功；相反，若力矩较小在运转过程中就容易出现事倍功半的效果。在以往的电机设计中，技术人员往往更加注重做功能力而非效率，这就导致“大马拉小车”的现象十分普遍。针对这一问题，永磁同步电机在设计中则进行了优化，有效增大的启动力矩。在运行过程中一方面能够使设备性能得到释放，以最小的能耗来实现做功；另一方面在硬件成本上也削减了不少开支，并且减轻了后期运行维护的压力。

（三）温升范围较小

由于在永磁电机的设计过程中对定子和转子做了特殊处理，因此这两个零部件损耗减少。这样一来就使得设备运作功率密度大幅度提高，能够达到同等体型设备的1.5倍左右。这就意味着要满足一定功率的生产需求，永磁电机设备只需要传统设备三分之二的大小。除此之外，永磁同步电机在运行中温升变化范围也较小。一般来说，设备通电运行的状态下会逐渐被电流热升温，从而对元器件造成不同程度的影响。这个升温范围越大，则说明设备电力系统越不稳定，元器件所受到的损害也就越严重。而永磁同步电机设计中转子和定子都没有产生电流损耗，也就使得温升主要受到其它元件的分量影响。在这种运行状态下，电机设备的工况温度基本保持在较为稳定的区间内，运行的稳定性得到了保障。

二、永磁同步电机的结构

（一）电机的基本结构形式

永磁同步电机主要是依靠磁场来进行能量转换，因此在设备中电磁装置是非常关键的元件。而要实现转换磁场，目前业界也主要由两种处理手段。其一，利用电机绕组来产生磁场。这种设计方法需要在绕组内导入电流，从而形成一个电磁场。不过在实际操作中较为复杂，对设备以及线缆的要求较为严格，因此在实际中应用并不多见。其二，制造一个气隙磁场。这就需要借助于永磁体来实现，并且将气隙间隙控制在较小的范围内，从而实现更大的力矩参与做功。在定子部分使用稳定性更好的硅钢，，其余结构与传统设备并没有明显差别。而转子部分则新增了永磁体和导磁轭，当轴承转动时永磁体也将随之运转。

（二）电机的运行原理分析

当永磁电机接通电源后，定子部分绕组就会随即产生一个旋转磁场。这个磁场与转子上固定的永磁体互相影响，来增强磁场的作用效果，从而使轴承部分能够以更少的力运转。在电磁转矩逐渐增大的过程中，相继突破磁钢与阻尼的障碍，轴承部分就能够持续稳定的运转。这种运行模式不仅消除了转子的惯性，而且还能够得到使运转速度得到进一步的提高。一旦当永磁体也开始同步运转时，整个机械系统就能够稳定的做功。不难发现，永磁同步电机十分依赖于永磁体的作用，从而使整个设备达到更突出的性能表现。

三、永磁同步电机的设计要点

（一）功率与转矩确定

功率因数是衡量电力设备做功表现的指标，其主要与系统的负荷有着直接联系。若该参数取值较大，则说明设备对能源的利用率较高，节能表现就更优秀。相反，若这项参数的取值偏小，那么就意味着在设备中仍存在大量的无功损耗。因此，在设计过程中技术人员应该利用功率方程来进行严谨的计算。以具体的数值来直观地呈现设备的性能，给设计工作提供可靠的依据。若最终计算结果达不到电机性能的要求，则应该对部分元器件进行更换调整。比如在电机中对功率影响较大的主要为电阻设备，技术人员就要在保障设备正常工作的前提下，避免造成大量的浪费。此外，还需要对电机转矩进行确定。前文也曾提到过，永磁电机的优点之一在于转矩较大。因此在设计过程中也需要考虑到这个问题，根据绕组磁场和气隙磁场的具体情况来调整磁钢的大小。

（二）定子的铁心外径

在永磁电机设计中，磁负荷于电负荷同样至关重要，设计人员应该同时兼顾这两个指标。而一般来说，永磁电机的气隙较大，永磁体的整体厚度也比传统设备大。因此，在设计过程中就应该充分发挥永磁体的作用，从而有效控制设备整体大小。这就需要计算好铁心外径的距离，从而形成一个完整的磁路。根据实际上生产的需求，若永磁电机的参数不同对外径长短的要求也是各不相同。技术人员应该根据永磁体厚度、转矩以及温升等参数将外径值表达出来，并利用仿真软件制作出可视化的图形。通常而言，随着转矩的变大贴心外径也应该逐渐扩大，但并不满足正比例关系。具体的取值仍然需要利用计算公式来导出，从而更精确的实现元器件的设计。

（三）其余参数的控制

除上述主要设计参数外，在永磁电机中还有部分指标对设备运转也有着较大的影响。比如设备的转速、频率以及转矩等参数，都必须满足行业设计的规范。在转速的规定上，永磁同步电机每分钟大约为500转。同时运行的频率也需要设置在67HZ左右，部分特殊生产环境下可以保持在50以下，但不利于设备的长久运行。除此之外，还需要对设备的转矩作出明确的规定，一般取值为±20左右。这都是考虑到具体生产需求制定的。在电机的设计工作中，就应该严格按照这些参数来落实。不仅要提高电机的工作效率，而且还要不断促进节能降耗的落实。

结语

综上所述，随着电机技术的日益成熟和稀土资源的开发，永磁同步电机在近些年相继取得了重大突破。为了促进这项技术的普及，业界应该明确永磁同步电机的特点与应用优势。同时在设计工作中，严格控制好功率因数、铁心外径以及其它性能参数，不断优化电机设计水平。

参考文献

[1]朱熀秋，翟海龙.无轴承永磁同步电机控制系统设计与仿真[J].中国电机工程学报，2005（14）：120-124.

[2]刘军，俞金寿.永磁同步电机控制策略[J].上海电机学院学报，2007（03）：180-185.

[3]艾永乐，许增渊.电动汽车用高功永磁同步电机设计与特性分析[J].电子测量技术，2017，40（02）：138-143.