关于高速永磁同步电机优化设计的研究

关于高速永磁同步电机优化设计的研究

杨威,沈凤梅

欧佩德伺服电机节能系统有限公司  529000

江门职业技术学院  529000

摘要：高速永磁同步电机与传统电机相比可直接驱动高速负载，省去了机械传动装置，避免了传动装置引起的损耗、机械振动和噪声，不但减小传动系统链，而且有效提高了工作效率和运行精度。本文主要探究了高速永磁同步电机的设计方法以及优化设计。

关键词：高速永磁同步电机；工作原理；设计方法；优化设计

引言：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概述

高速永磁同步电动机由定子、转子和端盖等部件构成。定子与普通感应电动机基本相同，采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子可做成实心，也可用叠片叠压。电枢绕组可采用集中整距绕组的，也可采用分布短距绕组和非常规绕组。高速永磁同步电动机以永磁体提供励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。而高速永磁同步电动机最大转矩受永磁体去磁约束，抗震能力差，高转速受限制，功率较小，电机结构复杂，成本高和起动困难等。为了实现能量的转换，高速永磁同步电动机需要一个直流磁场。而产生这个磁场的直流电流，称为发电机的励磁电流。根据励磁电流的供给方式，凡是从其它电源获得励磁电流的发电机，称为他励发电机，从发电机本身获得励磁电源的，则称为自励发电机。

二、高速永磁同步电机设计的基本方法

对于电机的实际设计而言，本质上是为了满足实际使用需求，即对于电磁转换装置的个性化需求，进而进行设计和制造。而对于具体设计和生产过程而言，所面临的影响因素众多，不仅需要根据国家相应标准和技术要求，而且需要结合具体情况进行合理的设计，最终设计出结构稳定、使用可靠以及性能良好的电机。

电机具体设计过程需要涉及到很多参数的调整以及实验，并且各种数据和变量之间也存在相互制约的情况，为了加强对各类因素的控制，需要全面、细致的考虑应用场景，这样才能够设计出更加符合预期的电机。具体在对高速永磁同步电机进行设计时，需要遵循电机设计的一般步骤，一是结合实际设计需求和设计需要，明确设计任务要点，以及确定性能要求，进而做好参数确定，包括电压、电流、相数等；二是需要确定电机的级数和绕组的连接方式；三是需要使用磁路法，计算电机的等效磁路，从而进一步确定电机永磁体的规格；四是需要借助仿真模拟操作，对电机的电磁性能进行明确，确定其是否能够满足实际工况，以及在仿真模拟过程存在偏差等，则需要做好相应参数的调整，这样经过不断的模拟和修正，可以得出最合适的设计方案。此外，完成上述工作之后，还需要对电机的损耗以及温升等进行校验，这样可以明确不足，进而加以完善，呈现合格的设计方案。

三、高速永磁同步电机优化设计

1、电机的电磁设计

对于电机的设计，电磁设计是基础工作，但由于电机的实际使用工况和本身的电磁性能存在多方面的影响因素，因此设计过程需要根据考虑方面的因素和需求。电磁设计过程主要是对电机规格，以及具体的定转子结构、绕组等进行确定和设计。传统的电机设计过程，多个环节都需要使用传统方法，诸如设计、实验和改进等，因此很容易浪费人力和物力。当前阶段，随着计算机技术的普及和应用，一些必要工作可以由计算机完成，诸如借助计算机进行仿真，从而可以极大的减少设计成本，并且提高成品的稳定性和可靠性。电磁设计的过程，一是需要根据设计需求和设计目标，对电机的磁路结构进行有效的计算，其中包含尺寸和材料选择，以及定转子的具体参数等。二是借助计算机进行结构性能的计算和验证，并不断修改和完善。

2、转子结构设计

总的来说，根据转子与定子相对位置的径向关系，转子结构主要有两种，一种是外转子，一种是内转子。一是转子的内部结构主要分为内嵌式和表贴式两种形式。表面贴装转子结构在运行过程中扩展低速磁场的能力较差。在高速时，一些表贴式转子结构需要使用套筒，且只能固定圆柱形结构，这会在一定程度上降低转子结构的安全性能。因此，在选择材料时，建议选择内嵌式结构作为永磁同步电机高速条件下的磁路结构。此外，为了进一步提高电机在高速运行模式下减弱和传播磁场的能力，目前的设计可以采用内嵌式转子结构的V型设计。但需要注意的是，当采用内嵌式作为转子结构时，必须同时进行内嵌式的永磁体固定，以防止高速时永磁体被移走。

3、定子绕组设计

一般来说，关于永磁同步电机定子绕组的设计，在选择电机绕组设计中的相关材料时，会比较绕组的整数和分数。实践表明，分数槽绕组更适合使用永磁同步电机，也能满足电机运行的需要。在分数集中槽性能方面，它具有较强的特性，在大多数情况下可以满足极槽配合方法。但由于极对数的增加，频率也相应增加，因此，为了削弱转子磁场非正弦分布所产生的高次谐波电势，同时保证电机的电磁性能，建议选择分布式定子绕组。

4、材料选择

在正式进行永磁同步电机尺寸设计之前，首先要选择合理的电机设计材料。主要由硅钢片作为电机的定转子铁芯材料，永磁体作为电机的磁极材料，漆包圆铜线作为电机绕组的材料。在正式设计时，考虑电机的使用工况和性能，电机材料还必须满足以下要求：（1）对于永磁同步电机，要考虑电机的运行条件，使高温和短路条件下的退磁面积在可接受的范围内。（2）对于电机中的永磁体，在选择材料时，要观察电机正常运行时的磁场强度要求。（3）关于价格，在选择相关材料时，应保证价格合理，使用成本不能过高。例如，在永磁同步电机中选择硅钢片的转子材料。在低速的情况下，两者的成品率差别很小，但在高速的情况下，50DW470硅钢片的成品率比较小，保证永磁同步电机能在规定的范围内工作，建议选用35DW250硅钢片作为转子材料。

5、电机实验

设计完成电机之后，需要做好电机的实验和检测工作，实验与检测的过程涉及电机的空载实验、空载反电势实验等，以及做好实验结果的分析。实验检测过程主要是对电机的运行效果、可靠性以及安全性等方面进行相应的确定，若是检测过程发现问题和不足，则要及时进行改进和完善，并再次做好实验检测工作，这样才能够更加全面进行高速永磁同步电机的设计和优化控制，进一步提升电机实际使用过程的安全性和稳定性。

四、结束语

综上所述，对于高速永磁同步电机的设计和优化控制，实际需要考虑的是电机的各个部分的设计和整体性的实验和检测，只有做好各方面的工作和技术落实，才能够真正有效的设计能够应用于实际的高速永磁同步电机，真正满足社会的使用需求，造福于人类。

参考文献

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