現代永磁電機技術研究與應用開發

孫瑞杰 鄭 永 郭海成

（包頭長安永磁電機有限公司，包頭 014030）

在現代社會建設發展中，不論從哪個角度說，電機技術都是一項關鍵的技術內容。電力通過電機轉化為實際生產生活中所需的動力，從而充分體現電力的價值。現代永磁電機技術是對傳統電機技術的升級和完善，能夠實現電機運轉效率和質量的根本性提升。尤其是在一些精細化的應用場合，只有進一步優化和完善現代永磁電機技術，才能滿足高端需求的標準。數字化控制等方法的引入，進一步強化了永磁電機的性能和功能。

1 現代永磁電機技術概述

現實需求已經成為現代永磁電機技術持續獲得發展的最直接動力。傳統電機技術無論是研究還是具體應用都已非常成熟。在一些高端應用領域，如風力發電、混合動力汽車等領域，都在更高性能和技術標準的電機技術方面具有巨大的需求空間，要求電機具有高密度、小型化、輕型化以及高可靠性，同時要嚴格控制電機的研制成本。要實現上述性能指標，電機必須從多個技術方面進行研發創新，包括電機結構、電磁力學性能、熱處理、電力電子器件以及勵磁電流控制等。通過對這些方面內容進行全面系統分析并平衡各方面設計應用需求，才能實現設計的基本目標。

基于這一需求，現代永磁電機技術需要將多磁場分析和電磁系統仿真作為設計的基礎，通過引入計算機仿真設計以及相關的模擬平臺為基本方法和手段，有效仿真電機工作狀態和控制方法，實現整個電機運轉設計的精細化處理。同時，要結合不同永磁電機應用需要對其結構和運轉性能進行深入思考和創新設計，推動永磁電機技術在性能和功能創新方面獲得更大突破。

2 現代永磁電機技術研究與應用開發

現代永磁電機設計技術和應用方式已經與傳統電機設計和應用有了本質上的差異，最主要原因是設計技術以及應用精細化程度的巨大變化使得現代永磁電機技術能夠與其他技術形成整合作用，從而促進社會發展。

2.1 現代永磁電機設計方法

研究永磁電機技術將多物理場作為設計基礎進行分析，其設計中將系統仿真平臺建設和應用作為整個設計的工具保障，滿足電力或混合動力的各種電機研發要求，同時要兼顧電機內部各配件小型化和輕型化的現實要求。這對電機的設計提出了非常高的要求，設計實現難度顯著增加。為達到上述目標，現代永磁電機設計采用完全不同于傳統電機的設計方法。該設計方法實現了多目標和多極限優化，對永磁電機的電力學、熱學、電磁學、設備結構、電力電子設計以及系統控制等方面進行仿真，并整合需求獲得最優化方案。

整個設計必須高度重視平衡基速點的作用，并清楚界定電機最高轉速點系統運行性能，使得設計的功能和性能與實際應用更加契合，達到運行的穩定性和持續性。具體來說，整個設計可大致按3 個步驟進行[1]。

一是永磁電機系統設計。系統設計要確定整個永磁電機系統的設計目標，進而選擇電機系統針對性的關鍵設計技術，并充分明確整個系統的功能作用、性能參數標準，比較各種實現方案，從中選擇最優方案。因此，必須重點分析電機拓撲結構，依據對其拓撲結構的分析來決定和分析合適的電機基速點，再利用最高轉速點進行綜合分析，包括發熱情況和設備結構的潛在影響，最終獲得電機仿真結構。

二是永磁電機場分析。該設計任務是要對永磁電機內部的各種物理場進行模擬仿真，包括電機設備內部的各種電磁場、力場、溫差形成的場等，計算電機以及附屬驅動電路之間的電磁性能，并利用耦合仿真方式進行相關參數較為精確的計算。整個仿真的重點不僅包括電機的電磁性能，還包含力學、熱學等重要性能。通過較為精確的計算，使得最終設計能夠達到良好的性能表現。

三是電機系統設計。基于前述的分析和仿真，已經具備了進行系統設計的基本條件，在此條件下可以進一步完成整個系統的設計工作。實際設計中，要充分考慮制造技術和成本控制等現實問題，使設計成品不但可以滿足技術層面的要求，而且在實用性和經濟性等多個方面也能達到更加理想的狀態。

2.2 永磁電機勵磁方式

永磁電機勵磁方式可歸納為3 種模式。

2.2.1 直流發電機供電勵磁方式

這種勵磁方式的勵磁機通常與發電機同軸，勵磁繞組利用滑環和電刷從勵磁機接收電流。該方式勵磁電流獨立，運行可靠，耗電量低，但進行勵磁調節較慢，運維難度相對較大。

2.2.2 交流勵磁機供電勵磁方式

交流勵磁機輸出電流經整流后作為勵磁電流。該勵磁方式是典型的他勵磁方式，系統中交流副勵磁機產生勵磁電流。為優化勵磁調節速度，交流副勵磁機主要采用中頻發電機設計。直流和交流繞組均位于定子槽內，轉子沒有電刷、滑環等部件，結構簡單，運行穩定，制造工藝方便，但噪聲較大，交流諧波分量大[2]。

2.2.3 無勵磁機勵磁方式

無勵磁機勵磁設計中系統沒有勵磁機，發電機提供必要的勵磁電源，通過整流變為勵磁電流。它的工作方式主要包括自并勵和自復勵兩種。兩種模式都可以對系統的工作狀態產生積極影響。

2.3 永磁電機研究與開發

從目前來看，永磁電機的相關研究、開發與利用方興未艾，而設計新技術的不斷推陳出新使得整個開發設計效率和質量都得到了顯著提升。永磁電機技術的完善和發展帶動了相關產業的進步，而永磁電機設計和應用空間也獲得了持續拓展。就現在的技術發展而言，幾個永磁電機技術是非常有前景的發展方向，下面將分別進行詳細說明。

2.3.1 無刷永磁同步電機

無刷永磁同步電機是目前研究和應用開發較多的一種永磁同步電機。該電機通過對永磁轉矩疊加磁阻轉矩，可以顯著增強電機的功率輸出能力和承載電壓能力，因此也可以稱作混臺轉矩電機。在實際設計中，無刷永磁同步電機沒有電刷，使得在弱磁條件下進行電機調速也非常便捷，且恒功率區間也能夠達到更高的水平。該電機應用設計對轉子的空間結構有較高要求，在實際設計中必須給予充分關注。考慮到無刷同步電機自身的性能和功能特征情況，對于寬調速驅動系統，該類型電機有很好的應用空間。

2.3.2 混合勵磁同步電機

混合勵磁同步電機屬于一種新型的同步電機類型，如圖1 所示。所謂混合勵磁是在永磁電機設計中同時賦予電機電勵磁和永磁勵磁兩種勵磁方式[3]。兩種勵磁方式混合形成整合勵磁作用效果，能夠最大限度降低勵磁消耗，使得電機運轉效率更優。

從目前研究和應用情況看，混合勵磁同步電機可以大致分為混合勵磁轉子磁極同步電機、混合勵磁組合轉子同步電機和混合勵磁變磁極同步電機3 種類型。3 種電機基本設計原理相同，只是電機結構在設計上有所區別。

2.3.3 雙饋電混合并聯磁路無刷永磁電機

雙饋電混合并聯磁路無刷永磁電機在設計中將其磁場設置成為兩種結構方式，即軸向的磁場模式和徑向的磁場模式[4]。鑒于此，電機轉子采用兩段磁路設計，分別為永磁體和鐵芯作為轉子的磁極。電機的定子內部裝設有多相交流繞組，主繞組采用永磁體和鐵芯作為磁極，稱磁場控制繞組直接采用鐵芯磁極。上述結構可以對電機主電樞線組的感應電動勢和鐵芯磁極磁通進行有效控制，并達到快速便捷的 控制效果。

2.3.4 旁路式勵磁永磁電機

旁路式勵磁電機設計有自己的結構特點，如圖2所示，主要包括機殼、端蓋、勵磁繞組、定子和轉子5 個部分[5]，其中端殼和勵磁繞組都是兩套。勵磁繞組采用直流工作方式，且轉子磁極由永磁極和鐵磁轉子磁極構成，機殼等部位的制造選擇導磁材料，轉軸擇選用非鐵磁材料。利用上述設計，電機的旁路磁通控制可以通過調整直流勵磁電流的方式實現，主要的應用優勢體現在對電機磁通和感應電動勢調節的便捷性方面，同時可以防止發生磁鋼去磁問題。

3 結語

現代永磁電機技術作為一種重要的技術種類，在工業生產及生活領域占有重要位置，其研究和應用開發也得到了業界的極大關注。目前，現代永磁電機技術已經發展到一個比較高的水平，其技術為滿足實際應用更加專業化，在性能、功能以及成本控制等方面取得了長足進步。隨著計算機模擬仿真技術在設計領域的深度使用，現代永磁電機的研發和應用有了質的飛越，由需求推動研發的趨勢更加明顯。我國作為制造業大國，正處于從中國制造向中國創造轉型，因此現代永磁電機技術的研究和開發意義重大。