浅谈基于异步电机的永磁同步电机设计方法

浅谈基于异步电机的永磁同步电机设计方法

张广华范建新

茵梦达电机中国有限公司  江苏   211400

摘要：异步电机与永磁同步电机的异同点，如何基于异步电机设计永磁同步电机。永磁同步电机的电磁设计和机械结构设计要点。各零部件包括定转子、机座、端盖等的具体设计方法。变频调速永磁同步电机的性能优势等。

关键词：异步电机；永磁同步电机；极槽配合；转子斜极；变频调控

1 引言   

电机作为动力设备，在现代工业、交通、生活等领域发挥着举足轻重的作用。电机是一种将电能转换为机械能的装置，主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种设备的动力源。电机的种类繁多，三相交流电机可分为异步电机和同步电机。

2基于异步电机的永磁同步电机设计

三相异步电动机的结构主要由定子和转子两大部分组成。

定子部分主要由定子铁芯、定子绕组和机座三部分组成。定子铁芯是电机磁路的一部分，由导磁性能较好的硅钢片叠成，安放在机座内。定子绕组是电机的电路部分，它嵌放在定子铁芯冲片的槽内。机座的作用是固定和支撑定子铁芯及端盖，需要有较好的机械强度和刚度。

转子主要由转子铁芯、转子导条端环和转轴三部分组成，整个转子靠端盖和轴承支撑。转子铁芯由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。鼠笼式转子铁芯的导条端环形成闭合回路，从而产生感应电流。转子在磁场中受到力的作用，进而旋转起来，以实现电能到机械能的能量转换。一旦转子的转速达到旋转磁场的转速，就不会切割磁力线，就不会产生感应电流，所以异步电机转子的转速永远达不到定子转速。

永磁同步电机相较于异步电机，最大结构区别为转子。转子旋转磁场由永磁体提供，定转子磁场相对静止。这两个磁场相互作用，驱动转子以同步速度旋转，即转子转速与定子旋转磁场转速相同。

2.1总体设计思路

在变频调试永磁电机设计时，首先要确认电机的额定功率、额定电压、额定电流、转速以及转矩等参数需求。由于我们是在现有异步电机的基础上设计永磁同步电机，所以必需考虑二者之间的联系。根据经验，相同转矩的永磁电机要比异步电机小1-2个机座，根据此规律可定制电机型谱，确认机座号和功率的对应关系。机械结构方面永磁同步电机借用异步电机的机座、端盖、风扇以及风罩等，节约开发成本和时间。

永磁电机定转子三圆的选择同样参考异步电机。定子外径同异步电机，内径根据磁密分布设计，优先找现有的尺寸如果没有可适当调整。转子内径最好选用同转矩异步电机的转子内径，这样可以保证电机轴的受力能力不受影响。由于永磁电机为变频器供电，额定频率可随意定制，不受电机极数的影响，所以完全可以采用同一种冲片来实现不同转速需求。这就避免了异步电机同样机座号，要采用不同模具来满足相应极数的问题，这也是同步电机的一大优势。

2.2定子的设计

定子绕组与异步电动机的定子多相交流绕组相似采用分布式绕组，一般希望分布在定子槽中的定子绕组产生的磁通势为正弦波。低压中小型永磁电机主要采用4、6、8、12极，选取要综合中心高和电机转速两个方面，中心高越大，极数越多。转速越高，极数越低。定子槽型一般直接参考异步电机，借用异步电机的定子冲片。变频调速永磁电机定子绕组漆包线采用200级耐电晕漆包铜圆线，具有耐电晕、耐高频脉冲电压，热稳定性能好的特性。

2.3转子的设计

转子的设计是永磁电机设计的关键技术。永磁体材料采用钕铁硼，它具有极高的矫顽力和剩磁，可以达到很高的磁能积，具有良好的热稳定性能，是市面上永磁电机应用最多的永磁体。转子设计基于高功率密度以及高效率应用需求采用内置永磁体结构。永磁体在铁心内部，由于磁路不对称，有额外的磁阻转矩，可以提升电机的功率密度。转子冲片机械强度高、永磁体易于安装固定，稳定性好。对于H112以下机座号功率小，采用一字型结构便于生产。对于H132及以上机座号采用V字型结构可以在有限的空间内放置更多磁钢，每个磁极由2块磁钢共同提供磁场，有助于提高永磁电机的功率密度。

2.4磁路设计

磁路的结构设计是保证电机性能的关键，定转子设计就是为了使磁场趋于正弦，反电动势趋于正弦。转子的重要参数包括极弧系数、同极磁钢夹角大小、隔磁桥尺寸以及永磁体尺寸等。极弧系数与永磁同步电机的转矩密度、输出功率以及磁场分布均匀性有关。隔磁桥的尺寸关系到漏磁大小，太大漏磁增加，太小强度降低容易变形。通过仿真计算磁密分布，根据硅钢片的饱和点设计电机最佳磁密分布。要求齿部磁密均匀且高于轭部，隔磁桥处高度饱和。

永磁电机转子永磁体和定子齿槽相对位置变化时会产生周期性的转矩，会造成转矩的脉动，这种有害的转矩叫齿槽转矩。齿槽转矩会产生机械振动与噪声,影响其运行性能。因此,在永磁电机设计时要采取一定的措施降低齿槽转矩来提高永磁电机的综合性能。可以优化极槽配比，还可以采用斜槽的方式。由于定子斜槽会增大嵌线难度，一般在异步电机中会使用转子斜槽。而永磁电机永磁体很难斜槽生产，所以采用转子的分布斜极等效斜槽的效果。推荐分段斜极角度的计算方式如下：

分段斜极角度 =

       例如6极36槽电机分5段斜极，计算得到斜极角度为8度，那么每段依次旋转0°/2°/4°/6°/8°。

       另外增加定转子之间的气隙也可以削弱谐波，同步电机气隙要比异步电机大一些。根据经验在选择气隙时，在异步电机最大转速对应的气隙上再扩大1.2倍。

利用仿真软件建立参数化模型，通过仿真可以更直观的看出谐波分布，采取不同的设计以及优化方式，边优化边仿真。最终确定能保证电机性能的各项结构参数，确定定转子设计方案，形成完整的电磁设计。

2.5结构件的设计

机械设计要在一个机座号上实现不同功率的永磁同步电机。例如，仅在较小的框架尺寸SH112中组合SH132和SH160的输出功率5.5~18.5kW。根据电磁设计总体考虑电机的尺寸链。考虑在所有覆盖的功率以及尺寸范围内与异步电机的互换性。对于大功率电机轴承配置采用加大轴承，增强电机的承载能量。相应的转轴设计考虑加大轴伸设计，以便实现大扭矩的传输。接线盒按照电机额定电流值核算接线螺柱的载流量，根据需要提供多种接线盒配置，满足客户电缆进线需求。凸缘端盖提供多种法兰配置，供客户选用。机械设计完成后，利用仿真软件计算电机各部件的强度、刚度是否符合要求，整机运行时的振动是否符合要求。最后制作样机测试电机的各项性能。

3永磁同步电机的优点

        永磁同步电机启动电流小、速度快，转矩大，可以在0速和最大转速之间调速，因为转子永磁体提供的磁场稳定性强，变频器控制软起动可控性强。永磁同步电机功率因数高，因为转子磁场由永磁体励磁，无需无功励磁电流。永磁同步电机效率高，因为其额定电流较低定子铜耗小，且对比异步电机理想情况下无转子损耗。永磁同步电机在20%-150%额定功率范围内均保持高效率高功率因数性能不下降，而异步电机远离额定点性能下降很明显。低负载情况永磁电机效率优于异步电机是永磁电机的最大优势。

4结语

本文介绍了基于异步电机的永磁同步电机的设计方法，在单一机座号上实现多功率的同步电机设计。同步电机一个机座号可以覆盖原有2到3个异步电机。永磁同步电动在相同负载情况下温升低20K以上，效率和功率因素高、噪音低。相同功率产品永磁同步电机整体结构紧凑，给客户提供了更大的空间灵活性。我国双碳目标的提出，标志着电机将更加注重环保和可持续性，未来电机将以增效和降能为重点方向。

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