高效永磁同步电动机设计技术研究

高效永磁同步电动机设计技术研究目录1、基本情况及背景介绍 (2)2、高效永磁同步电动机关键技术的研究 (3)2.1优化转子磁路结构，提高电机的可靠性 (3)2.2永磁电机防退磁技术研究 (5)2.3漏磁系数准确计算的研究 (7)2.4稀土永磁材料的高温退磁特性及应用技术的研究 (10)2.5稀土永磁材料的剩磁测试技术的研究 (14)2.6电机的起动性能 (16)2.7失步转矩倍数 (17)2.8其它性能指标 (18)1、基本情况及背景介绍稀土永磁是一种高性能的功能材料，它的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积等优异磁性能特别适合于制造电机。

用它制成的永磁同步电机，不需要用以产生磁场的无功励磁电流，可显著提高功率因数，减少定子电流和定子电阻损耗。

在稳定运行时没有转子电阻损耗，使电机温升有较大裕度，从而可将风扇减小甚至不安装风扇，以减少风摩损耗提高电机效率。

与普通的电励磁同步电动机相比，不需要用以产生磁场的励磁绕组和直流励磁电源，取消了容易出问题的集电环和电刷装置，成为无刷电机，运行可靠，又效率提高。

因此，国内外都投入大量人力物力从事高效钕铁硼永磁电机的研制开发。

相对于异步电机，永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、功率密度高等优点，效率比同规格的感应异步电机高2~8%。

我国稀土永磁资源储量占世界储量的80％，发展永磁电机具有得天独厚的优势。

早在1980年，我国有关高校及科研院所就开始从事高效永磁电动机的研制开发，先后研制开发出多种类型电动机的样机，技术水平参差不齐，还存在着转子磁路单一、永磁材料可能退磁、测试和制造工艺复杂等问题，性能价格比不够理想，价格偏高。

为了充分发挥钕铁硼永磁材料的优异磁性能，针对钕铁硼永磁电动机在磁、电、机、热等方面的特点，进行技术集成和创新，特别对转子磁路结构、钕铁硼永磁材料的热稳定性做了深入研究，并应用于产品开发过程，提高其效率、性价比，可靠性（主要指不退磁），扩大应用领域，为把稀土资源优势转化为经济优势作贡献。

2、高效永磁同步电动机关键技术的研究2.1优化转子磁路结构，提高电机的可靠性对于永磁同步电动机的失步转矩，在一定程度上比效率和功率因数还重要得多。

失步转矩代表电动机过载能力的大小，也反映电动机运行稳定性的高低。

如果这个指标过低，则电动机的过载能力小，运行稳定性差，在运行中如因某种异常情况导致负载增加，就有失步的危险。

如果这个指标过高，运行稳定性高，过载能力强，即使在冲击性负荷下，也不会发生失步，但它可能引起牵入同步转矩降低，牵入同步困难，使电动机能拖动的负载大幅度降低，电机运行可靠性较低。

永磁电机的电磁转矩T mpE U X mpU X X em d q d =+-022112ωθωθsin ()sin式中: em T ——电磁转矩m ——电动机相数p ——电动机的极对数0E ——反电动势U ——外加电压ω——电动机的电角频率d X ——直轴同步电抗θ——功率角q X ——交轴同步电抗可以看出，0E 与d X 决定着电动机电磁转矩中永磁转矩的幅值，从而也决定着失步转矩倍数。

为提高电机的失步转矩，应使0E 增大，d X 减小。

但是采取增加电动机绕组匝数来提高0E 的方法是不可取的，因为绕组匝数的增大，虽使0E 成正比提高，但d X 却随着平方关系增大的更多，使d X E /0反而减小，永磁转矩幅值反而下降，同时也会使电机的效率降低。

这就需要在磁路结构上进行创新，使得永磁电机的漏磁通减少，而主磁通增多，使得0E 增大，从而达到提高失步转矩的目的。

对于永磁电机的磁路而言，径向结构电机的制造工艺相对简单，但永磁体提供磁通的能力相对弱一些，而且电枢反应d 轴去磁磁动势对永磁体的去磁作用较强；切向结构提供磁通能力强，但结构和电机制造工艺相对复杂，漏磁较大，其空载磁场分布如图1所示。

可以看出，永磁电机转子如果使用切向结构，有相当的磁力线通过转子轭部进入电机轴，永磁材料的利用率较低，因此，必须在电机转轴处相应地增加隔磁措施，通常的方法是在轴外圆加上隔磁套，材料多是铜或铝合金等不导磁材料，用来进行隔磁，图2是在轴上加上隔磁套后，电机铁心内部磁场分布示意图。

可以看出，在电机加了隔磁套之后，漏磁大为减少。

但是，由于电机轴加了隔磁装置，电机的成本增长较多，不利于永磁电机的推广和应用。

本次设计中，某些规格采用的是新型防漏磁磁路结构，利用磁力线容易通过磁导较小路径的原理，在不增加成本的前提下，有效地减少了漏磁，增加了反电动势0E ，从而提高了电机的失步转矩，增加了永磁电机运行的可靠性。

磁路的结构如图3所示。

图1 电机采用切向结构（不带隔磁套）磁场分布图图2 电机采用切向结构（带隔磁套）的磁场分布图图3 电机采用混合式（V型）磁路的磁场分布图2.2永磁电机防退磁技术研究永磁同步电动机在起动、反向、突然短路等情况下，电流值是额定电流的6～10倍，由于永磁体附近隔磁磁桥的存在和齿槽的影响、永磁体之间的相互影响和交轴电枢磁动势的作用，电枢磁动势对永磁体的去磁作用是不均匀的，因此电机中各部分永磁体的工作点并不相同。

在电机最高工作温度和最大电枢磁动势作用下不但有可能发生整体失磁，更有可能发生局部失磁。

如果最高工作温度时的退磁曲线不是直线，当退磁磁场强度超过一定值，工作点低于退磁曲线的拐点时将产生不可逆退磁。

当永磁体退磁后，永磁体的剩磁降低，永磁同步电动机的效率、功率因数等性能发生改变，造成了诸如发电机输出电压达不到额定数值、电动机额定负载下电流增大等情况，有可能导致电机不能正常运行。

因此有必要对永磁电机防退磁技术进行研究。

图4为永磁体的空载、满载和最大去磁时的工作点，要确保永磁体在最大电枢磁动势作用下不发生不可逆退磁，就要保证在设计过程中a mh>a mk，而大多数永磁电机设计所得到的工作点都是用路的方法计算的，不能计算出永磁体的每一点的工作点，它只是平均值，而实际永磁体的磁路中各个位置的工作点是不一样的，所以要根据场、路结合，对电机进行优化。

a mk 永磁体的拐点a mh 最大去磁工作点a mN满载工作点a m0空载工作点图4 永磁体工作点图5 最大去磁情况下永磁体工作点分布示意图图5为8极永磁同步电动机经过有限元分析得到的局部工作点分布图，从图中可以了解到这种磁路结构的永磁体中间局部工作点有不同程度的下陷，低于其它部分的工作点，成为最易退磁的局部点。

我们根据场、路计算的结果对电机的方案进行优化设计，达到了既保证永磁体不会退磁，又能使永磁体的用量最少，力争所研发的电机在可靠的前提下成本最低，增强市场的竞争能力。

2.3漏磁系数准确计算的研究漏磁因数反映的是空载时永磁体向外磁路提供的总磁通的有效利用程度，而且对永磁电动机中永磁材料的抗去磁能力和电动机的性能都有较大的影响。

空载漏磁因数0σ是一个很重要的参数，一方面，0σ大则表明漏磁通相对较大，在永磁体提供的总磁通一定时，若漏磁通相对较大而主磁通相对较小，永磁体的利用率就差；另一方面，0σ大表明对电枢反应的分流作用大，电枢反应对永磁体两端的实际作用值就小，永磁体的抗去磁能力就强，因此，需要尽可能准确计算电机的漏磁因数值。

漏磁因数计算的准确与否将直接影响电磁参数计算的准确性。

但影响电机漏磁因数的因素很多，永磁电机的磁场分布比较复杂，而且与永磁材料的性能、磁极充磁方式、极靴的形状和尺寸、气隙长度、电枢轴向长度等因素有关，难以精确考虑。

用解析法计算漏磁因数的误差较大，一般只能粗略计算。

工程上通常不求解三维电磁场，而通过求解二维磁场再根据试验验证对结果进行修正。

永磁电动机的转子磁路结构多种多样，漏磁路径复杂多变，漏磁因数还必须考虑永磁材料和磁极结构，所以需要一套能有效确定漏磁因数的方法。

永磁同步电动机的空载漏磁系数包括极间漏磁系数和端部漏磁系数， 根据空载漏磁因数的定义，空载漏磁因数0σ为永磁体空载时的总磁通m Φ与进入电枢的气隙主磁通δΦ之比，即：δσΦm 0=。

根据斯托克斯定理可得⎰⎰⎰Γ===l A a A a B Φa a d d rot d ，这就是说通过曲面a 的磁通等于磁矢位沿这个面的边界线的闭合线积分。

因此，对于平行平面场域，两点之间磁矢位差的绝对值就是在z 轴单位长度范围内两点之间的磁通量。

影响漏磁系数的相关因素主要包括：极弧系数、气隙长度、隔磁磁桥的尺寸和永磁体的尺寸等。

图6 内置式永磁同步电动机极间漏磁系数与隔磁磁桥尺寸曲线图6给出了不同磁桥尺寸对内置式永磁同步电动机极间漏磁系数的影响曲线。

由图6可见，隔磁磁桥的尺寸对极间漏磁系数的影响极为关键，为降低极间漏磁系数，在设计电动机时应在保证制造工艺、电动机转子冲片机械强度和冲模使用寿命的前提下，尽量限制隔磁磁桥宽度，而适当加长其长度。

图7 内置式永磁同步电动机极间漏磁系数与永磁体尺寸曲线a）h＝0.2cm b）M h＝0.4cmM在隔磁磁桥尺寸确定后，内置式永磁同步电动机中永磁体尺寸和电动机气隙长度对极间漏磁系数的影响曲线。

由图7可见，永磁体尺寸越大，气隙长度越小，电动机的极间漏磁系数越小。

图8 内置径向式永磁同步电动机端部漏磁系数内置径向式永磁同步电动机端部漏磁系数除与气隙长度和永磁体磁化方向长度有关外还与永磁体离转子表面的距离有较大的关系，永磁体离转子表面越近，端部漏磁系数越小。

2.4稀土永磁材料的高温退磁特性及应用技术的研究永磁材料由于其固有特性，经过预先磁化（充磁）以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。

将NdFeB永磁材料应用在各种电机上，不但可以明显减轻电机的重量，使电机的外型尺寸减小，而且可以获得高效节能效果和提高电机的性能。

永磁材料发生不可逆退磁后，只有对其重新充磁才能够继续使用，造成了相当大的损失。

钕铁硼永磁电机中的永磁体失磁后，永磁体的剩磁降低，电机的各项性能指标都会发生改变，造成了诸如发电机输出电压达不到额定电压、电动机额定负载下电流增大等情况，更为严重的是电机不能正常运行。

因此有必要对永磁材料的高温退磁特性进行研究。

永磁电机在运行的过程中，随着电机温升和电枢反应电流的存在，使得电机内部永磁体所受到的外部影响是温度和磁场的结合，所在，将温度稳定性和磁稳定性通称为热稳定性，即钕铁硼永磁材料在不同温度下施加反向磁场所引起的磁性能的变化。

具体表现在永磁材料在电机工作温度下的剩磁与内禀矫顽力的温度系数的大小以及退磁曲线拐点位置的变化。

测试工作主要从以下几个方面展开：一是在同一块永磁体不同位置切割标准样进行测试；二是对同为SH牌号的大块样品进行检测。

2.4.1同一样品不同位置热稳定性的检测分析将两块永磁体N35-SH-A和N35-SH-B试样各切割成8块标准试样（切割方法如图9所示），从所切割的8块标准试样中选取有代表性（不同位置）的3块（1、2、5）分别测试并计算其在100℃和120℃时的温度特性，分析其结果见表1~2所示。