永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)與方法

高海博++王亮

摘 要：永磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)在節(jié)約能量以及運(yùn)作效率上具有十分優(yōu)異的特點(diǎn)，對(duì)于這一技術(shù)的應(yīng)用以及覆蓋國防、航空航天及日常的農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，因此對(duì)于其技術(shù)的改革和提高具有重大的意義。隨著我國的經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)的理念與設(shè)計(jì)理論以及無法滿足迅速增長的需求，尤其是在高性能的電機(jī)中的應(yīng)用，因此本文將就以上問題提出解決方案。

關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)；磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算；綜合匹配設(shè)計(jì)

我國的工業(yè)產(chǎn)業(yè)中，電動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)過程中扮演的角色十分重要，據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，在我國的各類電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)總裝機(jī)的容量超過七億千瓦，其耗電量占據(jù)了全國發(fā)電量的百分之六十。但如此廣泛的應(yīng)用并不意味著我國的相關(guān)技術(shù)就達(dá)到了成熟，實(shí)際上，我國的電機(jī)平均效率相比發(fā)達(dá)國家還要低三到五個(gè)百分點(diǎn)，運(yùn)行效率更是差了十到二十個(gè)百分點(diǎn)，而這部分的電能浪費(fèi)接近了兩千億千瓦時(shí)，因此我們應(yīng)當(dāng)采取措施，改進(jìn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的工藝技術(shù)，從而提高其運(yùn)行效率，減少能源損耗。

一、永磁同步電動(dòng)機(jī)在我國的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）永磁同步電動(dòng)機(jī)的分類與發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡的不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)被分為直線永磁同步電動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)；根據(jù)工作電源種類的不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)被分為永磁直流電動(dòng)機(jī)和永磁交流電動(dòng)機(jī)；根據(jù)有無電刷和換向器的部分，永磁同步電動(dòng)機(jī)被分為有刷電動(dòng)機(jī)和無刷電動(dòng)機(jī)；根據(jù)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)位置的區(qū)別，可分為外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)和內(nèi)轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)；根據(jù)氣隙磁通方向的區(qū)別，被分為徑向磁通電機(jī)、橫向磁通電機(jī)和軸向磁通電機(jī)；而根據(jù)起動(dòng)和運(yùn)行方式的不同，可以分為自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)和調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)等。本文將主要探討我國應(yīng)用最為廣泛的三種永磁同步電動(dòng)機(jī)，分別是：永磁直流（有刷）電動(dòng)機(jī)、調(diào)磁永磁同步電動(dòng)機(jī)和異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)。

電動(dòng)機(jī)節(jié)能目前有兩種方法：第一種是通過對(duì)運(yùn)行控制方式的優(yōu)化而改善電機(jī)在不同負(fù)載情況下的運(yùn)行性能；第二種是對(duì)電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)做出改變和優(yōu)化，提出新的設(shè)計(jì)理念從而在整體上增強(qiáng)電機(jī)的性能。

而在節(jié)能方面有著突出表現(xiàn)的是永磁電機(jī)，永磁電機(jī)通過永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)，不需要?jiǎng)?lì)磁繞組和勵(lì)磁電源就可以實(shí)現(xiàn)其功能，具有結(jié)構(gòu)簡明、能耗低、效率高、功率密度高的特點(diǎn)。近年來，隨著對(duì)稀土永磁材料的不斷研究和實(shí)驗(yàn)，永磁同步電動(dòng)機(jī)迎來了技術(shù)上的革新。這與我國本身是一個(gè)稀土資源儲(chǔ)量豐富的國家有著不可分割的關(guān)系。結(jié)合居于世界首位的稀土永磁礦產(chǎn)的外部優(yōu)勢(shì)，投入人力與資金，近年來在永磁電機(jī)和永磁材料的研究方面都取得了不可小覷的成績。

（二）永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)分析方法簡述

永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)分析方法主要分為三個(gè)大類，分別是基于“路”、基于“場(chǎng)”和基于“路與場(chǎng)的結(jié)合”的思路來進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體有等效磁路法、等效磁網(wǎng)絡(luò)法、電磁場(chǎng)解析法和數(shù)值計(jì)算法，除此之外還有由電磁場(chǎng)計(jì)算而發(fā)展而來的多種分析方法。

永磁直流（有刷）電動(dòng)機(jī)與電勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)的原理相類似，在結(jié)構(gòu)上將勵(lì)磁繞組和磁極鐵心換成了永磁磁極，除了具有機(jī)構(gòu)簡單、工藝簡便、體積較小、效率較高的特性以外，還具有良好的調(diào)速特性和機(jī)械特性。電磁直流電動(dòng)機(jī)更多地被運(yùn)用于小功率的場(chǎng)合中，如家用電器、電動(dòng)工具、汽車電子設(shè)備等等都大量使用了這種電動(dòng)機(jī)，相比電勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)，電磁直流電動(dòng)機(jī)的效率高出百分之十到二十，且成本更為低廉。

調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)有變頻電源供電，可用于開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，能夠在穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)與電源頻率保持較為恒定的關(guān)系。另外，調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)不需要電刷和換向器，結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)工作方便，且具有高效率和高功率因數(shù)的優(yōu)勢(shì)。

異步啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)，又稱為自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)。其原理是將永磁體放置在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上，依靠籠型轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩達(dá)到自起動(dòng)的效果。起動(dòng)之后，轉(zhuǎn)子繞組不再工作，電動(dòng)機(jī)以同步轉(zhuǎn)速繼續(xù)運(yùn)行。

（三）永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)分析中的關(guān)鍵技術(shù)概述

本體設(shè)計(jì)方面最重要的就是轉(zhuǎn)子磁路，它對(duì)電動(dòng)機(jī)的性能起到了決定性的作用。對(duì)于磁路的設(shè)計(jì)主要包括對(duì)永磁體安裝尺寸的選擇，還有隔磁橋、轉(zhuǎn)子鼠籠槽。通風(fēng)孔等結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，可以有效提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)作效率、功率密度和過載能力。并且可以得到較好的起動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。想要做到這些需要綜合考慮永磁體的用量、漏磁系數(shù)、電抗和電感等參數(shù)等多種方面。

永磁體使用的數(shù)量與電機(jī)中的磁動(dòng)勢(shì)的大小之間相關(guān)，決定了相同體積下電動(dòng)機(jī)所能夠達(dá)到的容量。一般來說，永磁體的數(shù)量越大，電機(jī)的功率密度就越高。但是，在轉(zhuǎn)子上放置的永磁體能夠達(dá)到的體積是有限的，尤其在內(nèi)置式機(jī)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子沖片的各個(gè)部分的機(jī)械強(qiáng)度的區(qū)別需要被考慮到。如果是需要安裝鼠籠繞組的轉(zhuǎn)子，永磁體的安裝還需要考慮到轉(zhuǎn)子槽的空間。如果是轉(zhuǎn)子鐵心設(shè)計(jì)了通風(fēng)孔或通風(fēng)道的電動(dòng)機(jī)，對(duì)于永磁體的安置的難度更高。另外，永磁體的成本較高，因此處于經(jīng)濟(jì)性的因素，在能夠滿足電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)作的情況下，應(yīng)當(dāng)盡量減少永磁體的用量。

減少永磁體用量的有效方法之一就是減少電動(dòng)機(jī)的漏磁現(xiàn)象。通常來說，電動(dòng)機(jī)的漏磁系數(shù)越小，對(duì)于永磁體的利用率就越高，但也存在可能會(huì)影響到永磁體的抗去磁性，對(duì)電樞反應(yīng)分流作用不明顯等問題。因此對(duì)于漏磁系數(shù)的選擇要綜合考慮到各項(xiàng)因素才能夠決定。

綜上所述，要想得到高效節(jié)能的永磁同步電動(dòng)機(jī)，就要全方位考慮會(huì)影響到轉(zhuǎn)子磁路的多個(gè)因素，在多個(gè)參數(shù)之間進(jìn)行取舍，從而達(dá)到效益最大化的平衡點(diǎn)。

二、結(jié)束語

隨著我國整個(gè)工業(yè)行業(yè)的轉(zhuǎn)型與發(fā)展，節(jié)能高效的電機(jī)技術(shù)越來越被企業(yè)與行業(yè)所需要，我們不僅應(yīng)該重視產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益的輸出，更應(yīng)該關(guān)注環(huán)境與資源的現(xiàn)狀。只有構(gòu)建環(huán)境友好型、資源節(jié)約性的可持續(xù)發(fā)展社會(huì)，才能保證企業(yè)與產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，因此對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究就變得格外重要。我們相信，隨著研究的不斷深入，這一領(lǐng)域的技術(shù)一定會(huì)變得越來越成熟、完善的。

參考文獻(xiàn)：

[1]王秀和，楊玉波，丁婷婷，等.基于極弧系數(shù)選擇的實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（15）：146-149.

[2]黃雷，趙光宙，年珩，等.基于擴(kuò)展反電勢(shì)估算的內(nèi)插式永磁同步電動(dòng)機(jī)無傳感器控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（9）：59-63.

[3]裴英，王秀和，唐旭，等.新型三繞組并聯(lián)式異步起動(dòng)單相永磁同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)性能分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（9）：88-96.