永磁同步电机设计优化研究

永磁同步电机设计优化研究

洪伟东

海信家电集团股份有限公司 528306

摘要：本文首先对永磁同步电机的构成及特点进行了分析，认为传统永磁同步电机设计过程中，在材料选择、热管理、磁场设计等方面存在局限性。在此基础上，本文分析了永磁同步电机材料选择方面的优化措施，围绕永磁同步电机定子结构、转子结构方面的具体优化思路原理并结合实例展开分析，希望为相关从业人员提供一定的参考。

关键词：永磁同步电机；优化设计；定子结构；转子结构

0.引言

永磁同步电机是一种高效、高功率密度的电机，具有广泛的应用领域，如电动汽车、工业驱动和可再生能源等。然而，为了实现其最佳性能和效率，对永磁同步电机的设计进行优化是非常重要的。具体来说：其一，提高能效。优化设计可以减少电机的功率损耗，提高能效。通过减小电机的电阻、铁损和铜损，可以降低能耗，提高电机的效率。其二，提高功率密度。通过优化电机的结构和材料选择，可以提高电机的功率密度，实现更高的功率输出。这对于一些有限空间或重量限制的应用非常重要。其三，提高动态响应特性。优化设计可以改善电机的动态响应特性，使其能够更快地响应负载变化。这对于一些需要频繁启动和停止的应用来说非常重要，如电动汽车和机械驱动系统。由此可见，围绕永磁同步电机进行优化设计存在必要性，值得重点分析。

1.永磁同步电机的构成及特点分析

1.1永磁同步电机的构成

永磁同步电机（PMSM，Permanent Magnet Synchronous Motor）是一种利用永磁材料作为电机励磁源的同步电机[1]。该设备的工作原理是通过控制永磁同步电机定子绕组的电流，产生磁场与永磁体产生的磁场进行交互，便可以产生转矩，驱动电机旋转。永磁同步电机一般由以下部分构成：其一，定子。永磁同步电机的定子结构与普通三相异步电机相似，是由硅钢片叠压而成的，绕上三相对称的电流，产生旋转磁场。其二，转子。永磁同步电机的转子是由永久磁铁制造的，永久磁铁的主要材料有钕铁硼、钐钴等。永久磁铁可以产生稳定的磁场，与定子产生的旋转磁场互动，产生动力，驱动电机转动。其三，控制系统。永磁同步电机需要一套复杂的控制系统，通过感应器检测电机的状态，然后通过控制器控制定子电流的大小和相位，以实现对电机的精确控制。

1.2永磁同步电机的特点

永磁同步电机的主要特点如下：其一，高效率。由于永磁同步电机采用永久磁铁作为磁源，不需要额外的电流来产生励磁磁场，因此能效比传统电机高。其二，高功率密度。由于永磁材料的磁能产品高，使得电机的体积可以做得更小，而功率输出却不降低。其三，精确控制。由于电机需要一套控制系统，因此可以实现对电机的精确控制，包括转速、转矩等。其四，低噪音。由于永磁同步电机的磁场是由永久磁铁产生的，因此在运行过程中，不会产生电火花，噪音低。

1.3永磁同步电机的数学模型

如果在dq坐标系下，可基于电压平衡方程表示永磁同步电机的运行原理，具体如下：

（1）

（2）

在公式（1）、（2）中，和是轴和轴电压；和是轴和轴电流；、和是电机的电阻和电感；是电机的角速度；是永磁体的磁通。

此外，还可以基于力矩方程表示永磁同步电机的运行原理，具体如下：

（3）

在公式（3）中，是电机的转矩；是电机的极对数。

2.传统永磁同步电机设计的局限性

永磁同步电机（PMSM）在设计和应用中，尽管有很多优点，如高效率、高功率密度、精确的控制能力以及低噪音等，但在设计层面，也存在一些局限性。具体来说：其一，磁性材料选择方面的局限性。虽然现代的永磁材料（如钕铁硼）具有高的剩磁和高的磁能积，但这些材料也有一些缺点。例如，钕铁硼材料对温度非常敏感，而且价格相对较高[2]。这就限制了电机设计的灵活性和成本效益。其二，热管理方面存在的问题。由于永磁材料对温度敏感，因此电机的热管理设计非常重要。如果电机在运行过程中产生过多的热量，可能会导致永磁材料的磁性能下降，甚至可能会导致永磁材料的磁性完全消失。其三，磁场设计方面的局限性。在设计过程中，需要非常精确地计算和设计磁场的分布。如果磁场设计不当，可能会导致电机的效率降低，或者产生过大的噪音。其四，控制系统的复杂性。永磁同步电机需要一套复杂的控制系统，这就增加了设计和制造的难度。

通过对电机运行的基本公式进行解析，结合相关物理学知识，可以获悉的内容是，电机的转矩T与电流I和磁场B的关系为 T = B * I * l，其中l为电机的有效长度。由此可知，如果出现设计不当的情况，比如磁场设计不均匀或者材料选择不合适，都会影响电机的性能。比如在一个设计电机用于电动汽车的项目中，设计师选择了钕铁硼作为永磁材料，由于钕铁硼的价格较高，这便增大了电动汽车的成本。此外，在电动汽车的运行过程中，电机可能会产生大量的热量，如果热管理设计不当，可能会导致电机的性能下降，甚至可能损坏电机。此外，电动汽车的驾驶环境可能会非常复杂，这便需要电机的控制系统能够精确、快速地响应，但这又增加了设计和制造的难度。基于此，只有在设计过程中充分、全面地考虑相关问题，不断优化设计思路，才能逐渐提升永磁同步电机的性能及运行可靠性。

3.优化永磁同步电机设计的方法分析

3.1永磁同步电机材料选择方面的优化

进行永磁同步电机的优化设计时，选材是至关重要的，具体的优化思路如下：其一，选择适合的永磁材料。在电机设计中，最重要的材料之一便是永磁材料。钕铁硼（NdFeB）是目前应用最广泛的高性能永磁材料，具有高的剩磁和高的磁能积，但其对温度敏感，且价格较高[3]。另一种常见的永磁材料是铁氧体（Ferrite），虽然其磁性能较低，但耐高温性能好，价格低廉，适合于一些对磁性能要求不高，但要求成本低的场合。其二，选择适合的定子和转子材料。定子通常由硅钢片叠压而成，硅钢片的磁性能、导热性和机械强度都是影响电机性能的重要因素。转子材料的选择也同样重要，需要选择具有良好磁性能、高强度和良好导热性的材料。其三，考虑热管理材料。永磁同步电机的运行会产生热量，如果不能有效地散热，可能会导致电机的性能下降，甚至可能损坏电机。因此，需要选择具有良好导热性能的材料，如铝、铜等，或者使用专门的散热器或冷却系统。其四，选择适合的绝缘材料：永磁同步电机的绝缘材料需要具有高的电绝缘性能，同时也需要具有良好的热稳定性和机械强度。常用的绝缘材料有聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜等。总体来说，在进行优化设计时，需要根据电机的具体应用环境和性能要求，权衡各种因素，选择最适合的材料。例如，如果电机需要在高温环境下工作，那么可能需要选择耐高温的永磁材料和绝缘材料；如果电机的体积和重量是关键因素，那么可能需要选择密度低、强度高的材料。

3.2永磁同步电机定子结构方面的优化设计

永磁同步电机定子结构的优化设计思路如图1所示。

图 1 永磁同步电机定子结构优化设计思路

3.2.1槽极配合选择方面的优化

槽极配合选择是电机定子结构设计中的重要环节，涉及电机的基本性能参数，包括转矩、效率和噪音等。具体的优化设计思路及实例分析如下：在永磁同步电机中，一般采用多极、多槽设计，目的是减小转子磁通的空间谐波，从而减少转矩脉动。槽极配合的选择，一般要满足以下几个条件：槽数应为极数的整数倍，同时，槽数与极数的最大公约数应尽可能大。以四极、24槽的永磁同步电机为例，其槽极配合为4极24槽，满足以上条件。槽极比为6:1，这也是比较常见的槽极比例。针对这款电机，首先通过有限元分析（FEA）来验证其性能。假设电机的额定转速为1500rpm，额定功率为5kW，通过FEA可以得出其转矩为31.83Nm，效率为92.6%，说明其性能较好。之后可以将优化设计思路集中在“改变槽极配合，观察其性能会发生什么样的变化”方面。比如可以将槽数增加到36，那么槽极比变为9:1。再次进行FEA分析，得出转矩为31.03Nm，效率为91.8%，可以看出性能略有下降。该结果表明，对于这款电机，4极24槽的槽极配合的可行性较高。需要注意，上述分析案例只是对槽极配合优化设计的一个简单实例，实际上，电机设计过程中需要考虑的因素还有很多，比如，电机的尺寸、重量、成本等，都可能会影响到槽极配合的选择。因此，在设计时，需要对这些因素进行权衡，选择最适合的槽极配合[4]。

3.2.2定子槽形设计方面的优化

定子槽形设计对于永磁同步电机的性能有极大的影响，包括电机的转矩、效率、噪音等性能指标。相关优化设计的方向主要集中在电磁性能、热性能、噪音和振动、制造工艺等方面。具体来说，电磁性能主要取决于槽形的几何尺寸和槽内磁通密度分布。热性能主要取决于槽形的散热面积和磁通密度。噪音和振动主要取决于槽形对空间谐波的影响。制造工艺主要取决于槽形的复杂程度。同样以四极、24槽的永磁同步电机为例，假设其初始槽形为矩形槽，通过有限元分析（FEA）得出其转矩为31.83Nm，效率为92.6%。但这种槽形的空间谐波较大，可能会导致噪音和振动问题。为了改善这个问题，可以尝试改变槽形。比如将槽形改为梯形槽，这种槽形可以减小空间谐波，从而减小噪音和振动。再次进行FEA分析，得出转矩为31.73Nm，效率为92.7%，噪音和振动也有所降低。上述结果表明，在这款电机中，梯形槽是较优的槽形。

3.2.3定子绕组优化设计

永磁同步电机的电磁性能还与定子绕组的电流分布及磁通分布有关，相关优化设计如下：继续以四极、24槽的永磁同步电机为例，其定子绕组采用双层圈投绕组。假设初始设计为Y连接，通过有限元分析（FEA）得出其转矩为31.83Nm，效率为92.6%。可以尝试改变绕组的连接方式——将绕组改为△连接。再次进行FEA分析，得出转矩为32.01Nm，效率为92.8%。这说明对于这款电机，△连接的绕组设计性能更优。进一步的优化设计是，改变绕组的匝数分布。如将匝数分布改为非均匀分布，可以进一步减小空间谐波，从而减小噪音和振动。FEA分析结果显示，得出转矩为32.15Nm，效率为92.9%，噪音和振动也有所降低。上述结果表明，在这款电机中，非均匀分布的绕组设计性能更优。

3.3永磁同步电机转子结构方面的优化设计

（1）转子结构选择。转子结构的选择主要涉及铁心材料、永磁体材料、转子形状等因素。一般来说，铁心材料选择硅钢片，永磁体材料选择稀土永磁材料，转子形状选择根据电机的具体应用进行。继续以四极、24槽的永磁同步电机为例，假设初始设计为表面贴磁型。通过有限元分析（FEA）得出其转矩为31.83Nm，效率为92.6%。可尝试改变转子结构，改为内置永磁体型，这种结构可以提高电机的转矩密度。再次进行FEA分析，得出转矩为32.73Nm，效率为92.9%。这说明对于这款电机，内置永磁体型的转子结构性能更优。

（2）永磁体的优化设计。永磁体的优化设计主要涉及永磁体的形状、尺寸、方向等因素。一般来说，永磁体的形状和尺寸选择要满足电机的磁通需求，同时考虑到永磁体的稳定性和制造工艺。永磁体的方向选择要考虑到磁通的分布和效率。以上述的四极、24槽的永磁同步电机为例，假设初始设计为直磁铁。可尝试改变永磁体的形状——将之改为V型，这种形状可以改善磁通的分布，从而提高效率。再次进行FEA分析，得出转矩为32.73Nm，效率为93.2%。这说明对于这款电机，V型永磁体的设计性能更优。

结语：综上所述，永磁同步电机优化设计需要综合考虑定子结构、转子结构等多个方面。定子方面需要关注绕组设计，以确保良好的电磁性能和热性能。转子方面，转子结构、永磁体设计等都是关键因素，需要满足磁通需求，同时考虑到稳定性和制造工艺。通过有限元分析等工具，可以对设计方案进行模拟和比较，以得出最优设计。然而，任何设计都是权衡和折中的结果，需要在性能提升和成本控制之间找到平衡。

参考文献：

[1]李璐,王赓,谭草,等.Halbach-偏心磁极永磁同步电机的设计与优化[J].山东理工大学学报(自然科学版),2023,37(06):56-62.

[2]刘城,王晓光,尹浩,等.泵用新型两极异步起动永磁同步电机的设计与优化[J].上海交通大学学报,1-19.

[3]高建宁.考虑振动噪声抑制的内置式永磁同步电机敏感度分层优化设计[D].兰州交通大学,2023.

[4]刘广孚,于建宗,郭亮,等.基于SVM的双辅助永磁体Halbach阵列潜油永磁同步电机优化设计[J].中国石油大学学报(自然科学版),2023,47(03):164-172.