高速永磁同步电机的设计与优化控制

高速永磁同步电机的设计与优化控制

董强亮 刘芳春 邓万通 陈昊

银川威力传动技术股份有限公司 宁夏银川 750000

摘要：随着社会的发展和进步，当前阶段科学技术水平越来越高，不仅实际保障了社会生产，也更是提高了人们的生活质量。人们在生产生活中常见到电机，并且电机的应用领域也非常广泛，在当前社会生产生活中起到了不可替代的重要作用。随着时代的进步和社会的需求提升，电机的使用会更加广泛，诸如电动汽车的普及和应用等。在这一背景下，传统的电机技术也更加难以满足当前的社会发展需求，需要做好对技术的创新和完善，这样能够进一步推动社会的发展和进步。本文即是基于此，分析和研究高速永磁同步电机的设计与优化控制。旨在通过有效的分析和研究，为相关领域的发展提供参考和建议。

关键词：高速电机；永磁同步电机；设计和优化

引言

电能作为一种现代化能源，改变了人们的生产和生活方式，随着电能的使用，将电能真正应用于工业生产的方式，是需要将电能转化为机械能，以此电机应运而生。最开始的电机是直流电机，逐渐的发展出了三相异步电机，以及现阶段使用广泛的永磁电机，具体关于电机的技术创新和研究一直没有停止过。永磁同步电机具有一些基本的特点和优势，一是效率更高，取消了励磁系统以及减少了励磁带来的损耗；二是运行更为可靠和稳定，以及结构相对更加简单；三是电机的形式和尺寸可以灵活多样。因此与一些传统的电机相比，永磁同步电机的优势明显，但同时也存在的一些不足和问题有待进一步优化和提升。所以基于这样的发展形式和具体现状，研究高速永磁同步电机的设计与优化控制策略，将会为电机的设计和技术创新等提供一定参考和借鉴。

1 永磁同步电机的设计方法和结构分析

1.1 电机设计的基本方法分析

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，以及需要根据国家相应标准和技术要求等，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，因此更加需要做好对各类因素的控制，也全面、细致的考虑应用场景，这样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，也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，进而完善之后呈现更合格的设计方案。

1.2 永磁同步电机的结构分析

永磁同步电机的基本结构特点反映在其使用的是永磁体，从而确保了其结构相对紧凑。另外还包含电机装置必要的定子和转子。定子结构主要是由硅钢片组成，转子则有多种结构和形式。

2 高速永磁同步电机的设计与优化控制

2.1 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的普及和技术应用，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。

2.2 电机定子设计

定子是电机的重要组成部分，具体在高速永磁同步电机当中，高速运行过程中交变频率会很高，同时这一过程中损耗也随之增大，因此要根据高速电机定子的这种特性，选择适用于高速电机定子的铁心材料，并同时做好对材料的损耗计算，进而选择其中损耗值较小的材料。

当设计完成电机的主要尺寸之后，即是需要对电机的定子槽数进行选取和确定，对于电机而言，定子槽数对于电机内部磁场的影响非常明显。可以选择的槽数有无槽、少槽和多槽三种，若是选择无槽，则有利于转子涡流损耗的降低，但同时也存在相应的缺点和不足，即是在无槽的情况下，气隙长度变大，此时的永磁体的气隙磁密就会减少，进而使得材料的利用率降低。少槽这种方案的实际使用过程，会使得转子的涡流损耗增大，因此对于高速电机而言不适用。多槽方案的选择，实际是融合了无槽和少槽两者的优点，既能够获得较好的材料利用率，同时又能够降低转子涡流的损耗，从而对于高速永磁同步电机的设计和优化控制而言，选择多槽的定子是较好的方案。

2.3 转子设计

转子更是电机的一个重要的组成，在高速电机的高速运行过程中，转子会产生较大的离心力，以此在这样的条件下，传统的转子实际难以承受，从而需要在高速电机的实际设计过程中，选择较好的转子以及确定转子的材料。这样一来，实际对转子材料的要求就更为严格，一是可以采用的是叠片式转子，二是可以使用的是实心式转子。与此同时，在高速永磁电机的运转过程中，转子磁极所使用的永磁材料需要做好相应的保护措施，这样能够应对高速旋转过程产生的巨大离心力，因此转子材料要进行严格的选择。

一是需要确定转子的尺寸，尤其是在高速电机的转子材料使用过程中，需要考虑的问题在于要保障转子的实际使用在巨大离心力的作用下不会发生相应得到破坏性形变，进而需要根据转子材料的性质进行合理的设计。二是转子类型的选择。在对转子类型进行选择的过程中，一般有磁极内置和外置两种，磁极内置相对适用于小功率的电机。进而在选择外置式磁极的转子时，实际需要考虑通风和散热，具体需要添加相应的散热通道。

2.4 电机实验

设计完成电机之后，实际需要做好对电机的实验和检测，实验与检测的过程涉及对电机进行空载实验、空载反电势实验等，以及做好实验结果的分析。实验检测过剩主要就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，并且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的实施。这样能够更加全面的进行高速永磁同步电机的设计和优化控制，以及实际使用过程也更是进一步提升电机的安全性和稳定性。

结论

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。并且这样也更是能够进一步使得电机的设计满足实际使用需求。

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