低速大转矩永磁同步电动机的转子结构及永磁体设计策略

低速大转矩永磁同步电动机的转子结构
及永磁体设计策略
摘要：本文在探讨永磁同步电机与低速大转矩永磁同步电机概念后，分析转子机构的设计策略以及永磁体的优化设计。

仅以本文设计成果，为我国电机企业借鉴参考，形成永磁同步电机开发的全新思路。

关键词：永磁同步电机；永磁体；转子结构；转子支架
中图分类号：TM341 文献标识码：A
Rotor Structure and Permanent Magnet Design Strategy of Low Speed High Torque Permanent Magnet Synchronous Motor
Hao Shuangge, Hongyan, Yan Shuqing, Wang Sheng
Guizhou Aerospace Linquan Motor Co., Ltd. Guizhou Guiyang 550000
Abstract: After discussing the concepts of permanent magnet synchronous motor and low-speed high torque permanent magnet synchronous motor, this paper analyzes the design strategy of rotor mechanism and the optimization design of permanent magnet. Based solely on the design results of this article, it is intended to serve as a reference for Chinese motor enterprises and form a new approach for the development of permanent magnet synchronous motors.
Keywords: Permanent magnet synchronous motor; Permanent magnet; Rotor structure; Rotor bracket
在国家环保政策不断深入以及永磁材料价格逐渐区域稳定的环境之下，我国永磁同步电机的应用范围越发广泛，且应用经验不断丰富、积累，大量企业均以
永磁同步电机取代了以往的异步电机，从而基于低速大转矩永磁同步电机的优势
提升企业生产效率。

而本文从事的低转速大转矩永磁同步电机设计探讨，则是进
一步推进我国永磁同步电机研发水平、社会水平，从而为工业领域提供更加先进
产品的高价值研究举措。

一、低速大转矩永磁同步电机概述
在极数较多背景下，异步电机有着较高比例的励磁电流，因而存在大量空载
电流，功率因数与效率因数均较低。

为降低转速，增大转矩以及增加转矩/惯量比，传统针对异步电机的方法为在传动装置内加入减速机。

减速器设备，其原理
是基于内部的带小齿轮减速比实现异步电机的控制，但其缺点在于运行阶段系统
故障率较高、可靠性低、噪声大且提及较大。

因此，目前大量使用传统异步电机
的企业，已纷纷利用低速大转矩永磁同步电机取代异步电机，且长期应用实践经
验下，同步电机也被各行业看作是可有效提升企业生产效率、生产稳定性的关键
设备[1]。

二、低速大转矩永磁同步电机转子结构设计
（一）基本结构设计
本文以一台常见型号永磁同步电机为例，对该电机的转子结构设计开展深度
研究。

该设备关键参数为60r/min额定转速、7.5kW额定功率，设计期间转子磁
路结构采用表面式结构，转子使用支架支撑轴结构，此种设计方式，有助于提升
同步电机转轴替芯段的设计直径，以有效降低低速大转矩永磁同步电机制造阶段
对硅钢材料的消耗，同时有效降低电动机转子与负载机械总质量、减少转动惯量。

图1为本次低速大转矩永磁同步电机定转子结构以及转子支架结构模型：
图1电机定转子结构与转子支架结构
（二）荷载工况分析
在低速大转矩永磁同步电机运行阶段，转子支架结构随之旋转阶段，因自身与永磁体重量的影响会产生离心力。

同时，定子、转子二者之间产生的电磁作用之下存在着径向分量，这一荷载形式将会让转子支架出现径向变形问题，对于该问题，本次设计过程将其称为“第一荷载工况”。

此外，定子、转子二者之间的电磁作用力切向分量将产生扭矩作用，进而造成转子支架机构扭转变形问题，本次设计阶段将该问题称为“第二荷载工况”。

“第一荷载工况”下，在速
60r/min的基础上施加离心力，定子和转子之间的电磁作用力径向分量，采用压力形式向转子支架外表面进行施加，其压力如式1：
（1）
式1内，气隙磁密以B表示，真空磁导率以表示。

“第二荷载工况”下，额定功率为7.5kW，额定转速为60r/min，此刻永磁同步电机额定转矩通过计算可得出为1193.75N·m。

在充分考虑实际工况中可能出现的各种特殊影响因素，在计算阶段设置2倍过载倍数，基于2387.5N·m最大转矩开展计算[2]。

（三）强度分析
综合较量第一荷载工况与第二荷载工况共同作用同时，对病原体部分结构、尺寸参数进行分析，并以此为依据计算不同结构与不同尺寸下的应力强度。

表1数据为针对不同部位应力的计算数据：
表1不同尺寸/不同部位转子支架应力计算数据
结合对表1数据的分析，可以发现在不同尺寸、部位应力计算数据之下，辐条部位应力水平相对较高，轮毂与磁轭部位则有着较低的应力。

在对内圆因素、转轴配合部位加工工艺因素充分考量背景下，为了有效保证转子支架结构具备良好可靠性，可适当缩小轮毂的长度，以实现轮毂加工量的节约。

与此同时，在设计阶段，充分考虑键槽的设计尺寸，基于不同轮毂长度对应键的应力计算结果，最终确认表2内的转子支架参数[3]：
表2转子支架设计参数
三、永磁体设计
在确定转子支架设计尺寸后，本次设计对用瓷器进行形状维度的优化分析。

图2为用永磁体截面图：
图2 永磁体截面图
本次设计认为，不断改变永磁体界面的端部起始厚度以及削角的大小，即改
变a的值与d的值，可实现电压总谐波失真度、空载反电动势以及齿槽转矩的调整。

设计阶段，对a值分别设置60°、45°、30°，基于对永磁体截面形状变换
的计算结果，同时充分考虑加工的可行性，最终将本次设计永磁体截面端部其实
厚度设置为3mm，削角设置为60°，基于电磁场计算后最终获取漏磁系数=1.27，齿槽转矩、空载反电动势波形见图3、图4：
图3 齿槽转矩曲线
图4 反电动势波形
关于永磁体的固定，本次设计所采用的表面式转子磁路结构，可采取极间压条固定、粘贴或是中部/两端固定、无纬玻璃丝缠绕固定的形式。

在充分考虑永磁体形状因素、磁极间的空间因素以及尺寸因素后，最终采用粘贴与极间固压条固定的结合方式，确保永磁体足够固定、牢靠[4]。

结束语：
本次研究，面向低速大转矩永磁同步电机尽心转子结构、永磁体量大部分的设计探讨，在对目标同步电机设备加以介绍后，以某款同步电机为研究对象，对该同步电机从事转子结构设计研究、包括基本结构设计、刚度与强度分析，确认了相关的设计参数。

随后，本文针对该同步电机进行永磁体设计，确认永磁体端部起始厚度参数与小脚参数，并以粘贴结合极间压条固定，最终完成低速大转矩永磁同步电机的设计。

参考文献
[1]于子翔,傅中,胡丹.采用不对称功率器件布局的双三相直流偏置型同步电机功率变换器设计[J].微特电机,2023,51(03):7-13.
[2]张新彤,张成明,李立毅,傅鹏睿.电推进用高效轻质永磁同步电机的设计方法[J/OL].机械工程学报:1-15
[3]姚稀杰.车用永磁直流电动机齿槽转矩优化设计[J].农业装备与车辆工程,2023,61(03):101-106.
[4]吴学钎.永磁同步电动机表贴式转子的永磁体固定结构分析[J].电机技术,2023(01):51-53+64.
作者简介：
郝双（1991.02-），女，蒙古族，籍贯辽宁省阜新市，硕士研究生，助理工程师，主要从事电机设计工作。