永磁同步电机结构设计及其特点分析

沈国威

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摘要：相较于传统感应电动机，永磁同步电动机具有更加独特的性能，其较为明显的特点主要表现为体积小、功率密度高、效率以及功率因数高等。对于永磁同步电机，转子安装主要是由永磁体作为磁极。在电机转动且功角大于零时，电机定子合成磁场的轴线，落后于转子主磁场轴线，则转子和电磁转矩旋转相反的状态，转矩表现为制动。因此，在永磁同步电动机中，要保证转子和定子合成电磁转速和方向同步，需引导转子实现工作转矩的输出。本文将以永磁同步电机为研究对象，对其结构的设计和特点进行简要的探讨与分析。

关键词：永磁同步电机；结构设计；特点分析

电动汽车具有低噪音、低排放甚至零排放、高效能和能源多样化等显着优势，对于实现交通能源多样化、维护国家能源安全、减少汽车排放和社会可持续发展具有重要意义。电动汽车对电机的要求是：体积小、重量轻、功率和扭矩密度高、过载能力强、调速范围大、效率高、环境适应性好、可靠性高、性能好、成本低等。永磁同步电动机由于结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、惯性小、响应快等优点，已成为车用电动机开发和使用的热点，是新一代电动汽车的首选。本文分析了车用永磁同步电机的优化，这是新能源汽车面临的一个重要问题，无论是电机设计技术、发动机控制技术等汽车零部件技术的发展，还是实现新能源汽车可持续发展,永磁同步电机结构设计具有重要的参考价值和应用价值。永磁同步电机直接采用永磁体励磁，简化了电机结构，发热量低，损耗小。电动机的励磁部分为永磁体，其结构和形状可根据具体需要进行放置，具有很大的灵活性。设计时，除了结构强度和布局合理性外，还要考虑电机的使用寿命^[1]。

1 永磁同步电机工作原理

永磁同步电动机是交流电动机的一种。与异步电机不同的是，永磁同步电机的永磁体安装在转子侧面，极性清晰。永磁同步电动机在运行过程中，当定子合成磁场的轴线落后于转子主磁场轴线，即功率角大于0时，转子的转动方向与电磁力矩的方向相反，转矩起制动作用。为了平衡电磁转矩的制动作用，保持转子转速不变，就需要利用转子轴来传递驱动器固有的机械转矩。这时，在引入外部机械功率后，永磁同步电机发出功率启动发电机。如果功角小于0，即定子复合磁场轴线超过转子主磁场轴线，转子的旋转方向和电磁转矩保持不变。为了保持转子的转速，机械扭矩就是制动扭矩，如果负载转矩大于电机的最大电磁转矩，就会破坏输出功率和输入功率的平衡，使电机不能保持转子同时转动。当功角为0时，转子主磁场和定子合成磁场的轴线重合，所以电磁转矩为0，此时外界之间不传递有功功率，电机转子处于补充机制运行状态下。

2 转子对电机特性的影响

2.1气隙磁密

气隙磁密对电机转矩和转矩脉动有很大影响。当PMSM空载运行时，电机下方的磁场仅由永磁体产生。为研究永磁体末端磁场对电机直线段磁密度分布的影响，以气隙磁密度为主要研究对象。不同类型永磁体产生的气隙磁通密度分布大致相同，当人字形永磁体张角逐渐增大时，气隙磁密度最大值减小，波形宽度增大，气隙平均磁密度增大，磁密度分布更加一致。与人字永磁转子相比，一字型型永磁转子产生的磁密度具有较高的平均磁密度值和最大值。

2.2转矩及转矩脉动

扭矩是电机负载能力的一个重要指标，扭矩过大的存在会影响系统的控制精度，还会引起电机的振动和噪音，必须加以降低。在绕组中施加18 A/mm的电流密度,使电机在转速2000 r/min的条件下运行,得到的转矩及转矩脉动结果如表1所示。

表1 不同转子的电机的转矩及转矩脉动

从表1可以看出，随着永磁体的张角逐渐增大，电机产生的平均转矩逐渐增大，转矩脉动呈先减小后增大的趋势。随着气流间隙密度模拟的结果，可以得出结论，在确定定子时，影响平均转矩的主要因素是空间通量密度。当张角为116°时，虽然电机的平均转矩达到93.25N*m，但其转动的脉动为16.58N*m。过大的力矩运动会使电机的振动更加严重，不利于电机的性能稳定运行。当涉及的角度为76°时，转矩脉动太小，仅5.29N*m，约为平均转矩的6.19%，电机转动时产生的能量很小，电机运行平稳。随角为86°时，电机平均转矩为88.63N*m，转矩脉动同样很小，为5.91N*m，发动机性能良好。由于一字型永磁体产生的气隙磁通密度波形较宽，峰值磁通密度也处于较高值，因此平均电机转矩较大。与人字形永磁体相比，一字型永磁体具有较小的转矩脉动，在高转矩条件下具有更好的性能。

2.3电机外包络特性分析

从图1可以看出，一字型永磁体转子电机对于电流密度的转矩相对较大，两者的转矩差随着电流密度的增加而不断增大。随着电流密度的增加，每电流密度的转矩先增加然后减少，当电流密度达到约18A/mm时，其值达到最大值，此时电机的效率得到充分利用，随着电流密度的不断增加，每电流密度的转矩随着电机的磁饱和而开始下降，导致电机定子产生的磁场没有得到充分利用。综上所述，一字形永磁体转子电机的电流利用效率更高。

图1 电机外包络曲线图

2.4电机外特性及效率

一字型永磁转子电机在一定的励磁电流下可以达到更高的转矩，电机转速的最大值也更高。 在低速条件下，两种转子结构的电机效率几乎相同。当转速逐渐增加时，一字型永磁转子的电机效率进一步降低^[2]。由于本次仿真是在电流密度相同的情况下，没有考虑机械摩擦等因素，所以电机的铜损是相同的。假设电机的机械损耗为零，可以得出以下结论：与人字型磁体的转子相比，一字型永磁转子电机高速时的铁损更高，电机的效率更低。

3 对永磁同步电机结构特点的分析

3.1表贴式转子结构

在永磁同步电动机中，表贴式转子结构主要是指永磁体位于转子铁芯的表面。为方便起见，将永磁体作为板放置在径向表面上。一般情况下，永磁体应采用保护效果好的结构固定，如铝压板、铜压板等。当永磁同步电机的转子在运行过程中转动时，可以通过不导磁材料结构保护永磁体，防止坠落和飞溅。通常以定子组与转子之间相对位置的径向关系来区分，典型的表贴式转子结构可分为内转子式和外转子式，在它们之间，内转子的类型是指定子组在外面，内转子在里面。外转子型是指转子在外侧，定子组在内侧。

3.2内嵌式转子结构

在永磁同步电机中，内嵌式转子结构主要是指永磁体通过转子铁芯内相应的裂缝或孔结构嵌入转子中。内嵌式转子结构由于转子内部装有永磁体，具有良好的导磁率，应特别注意转子结构设计，防止磁轭之间发生磁通流动。但一般来说，永磁体的磁极容易受到一定程度的保护，因此它们的磁电容变大，导致抗磁电容也变大。但是，由于转子磁路与永磁同步电机的不对称性，转子在这种情况下，提高了永磁同步电机的功率和密度，并中提高了整个电机的性能。

3.3定子绕组选型

一般来说，永磁同步电动机中定子绕组的选择可根据相位分为三相、单相和多相三种绕组形式。因此，在选择类型时，将全部或部分编号的槽数除以每个阶段的槽数。二是根据线圈的层数分为单层或双线绕组。在这种情况下，绕组结构不同，最终的设计要求也不同，基于以上几点，电机绕组方式应结合实际情况，科学合理地制定绕组方式^[3]。

4 永磁同步电机结构设计

4.1设计原则

对于永磁同步电机的设计，首先要充分考虑所设计的永磁同步电机的性能和磁路，并根据性能和磁路选择相关合理的材料和确定设计参数等设计流程，保证永磁同步电机的可行性。电机性能好，最重要的一点是经济性能好的电机的磁路。因此，在设计永磁同步电机的过程中，各结构设计人员必须根据永磁同步电机的性能来确定磁路的结构。如果相关系数和参数是合理的，下一步考虑经济问题，当然也需要随着时间的推移对相关系数进行修正，选择合适的材料和相关规定。如不符合相关规定，相关工作人员必须不断调整结构材料和电机磁路尺寸，使其达到规定要求。

4.2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，使用成本不要太高。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。

4.3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。

4.4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，也能满足汽车发动机的需要。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]。

5 结语

综上所述，对于永磁同步电机的结构设计，设计人员必须根据结构特点进行设计，合理选择设计所需的材料。实践证明，新型永磁同步电机可与传统永磁同步电机相媲美，性能相差无几，但新型永磁同步电机的优点是铜和钢的消耗比过去使用的同步电机低。

参考文献：

[1]江爱国. 永磁同步电机结构设计及特性分析[J]. 信息周刊, 2019(9):1.

[2]诸德宏, 简耀, 李明达. 永磁同步电机转子结构优化设计[J]. 微特电机, 2019, 47(8):19-23,34.

[3]智刚, 竺东杰. 永磁同步发电机不同转子结构的对比分析[J]. 防爆电机, 2020, 55(4):47-51.

[4]肖欣辉, 兰志勇, 蔡兵兵. 内置式一字型永磁同步电动机磁极结构优化设计[J]. 电气技术, 2021, 22(11):7-11.