浅谈永磁电机的设计要点

浅谈永磁电机的设计要点
【摘要】随着永磁电机的应用范围逐渐扩大，永磁电机的设计要点也成为研究的重点问题，本文对永磁电机的设计项目进行了介绍，并对永磁电机设计中需要注意的问题进行了探讨。

【关键词】永磁电机；失磁；磁钢
引言
永磁电机的应用范围逐渐扩大，已成功地应用于各种科技产品上，例如航空、机械、机器人及精密纺织等等。

永磁电机使用高性能的永久磁石，例如钐钴、钕铁硼等稀土类磁石为激磁场，从而免去了如线绕式激磁场的铜耗，同时可省去使用碳刷、滑环等附件，缩小了体积，以达到高效率、高功率因数及小型化的需求，永磁电机已经逐步取代传统绕线式激磁磁场电机，并且有抢占部分异步电机市场特别是变频调速电机市场的趋势。

1 永磁电机设计的主要项目
任何一种永磁电机的设计，都不是一件简单的工作，他必须具备电磁、机械、热传、电子、声学及材料等方面的知识。

传统上，设计者先依据经验作初步的设计，再经过一连串的修正及重复的设计，直到符合规格为止，本文仅以磁路的观点，提出设计的原则。

一般设计步骤大致包括以下几个项目；
（1）尺寸规格的设定
电机设计者在设计电机之前，必须了解电机的使用场合，负载特性以及尺寸规格，一般永磁电机的主要尺寸是指电机定子内径、定子铁心的长度和永磁体的体积，电机的主要尺寸决定了电机的大小，电机的质量及材料费用，负载特性包括额定输出功率、外施电压及额定转速等等参数。

（2）电机转子型态分为内转式、外转式以及径向或轴向气隙构造，内转子旋转产生的惯量较小，通常使用在侍服控制，反之外转式旋转惯量较大适合直接驱动的场合，另外电机依转子结构可以分为表面附著型、内藏型以及嵌入型，然而经常使用的有附著型和内藏型，其中内藏型永磁电机是将永磁体埋入转子内，因此结构坚固，可承受高转速所产生的离心力，所以经常被应用在高速的场合，另外表面型永磁电机应用于低速到中速的范围之间具有固定的转速特性，并且也可以维持高效率的性能。

（3）永磁体及铁心材料的选择
电机使用的铁心材料通常称为软磁材料，它们具有低的磁滞回路，低的保磁力及高的导磁率等特性。

由于永磁体具有相当高的能量密度，因此被广泛的应用
于机械传动上，以取代传统绕线式激磁场，目前产业界最常使用的铁磁材料种类有热轧矽钢片、冷轧矽钢片、铸刚、锻铁等。

（4）当电机尺寸固定时，槽数的多寡决定绕线匝数的数量，加工制造上的难度，铁心饱和的程度以及对转矩的影响，极数的多寡除了会影响磁场强度外，如果搭配的槽数不当也会影响电机振动的程度，另外相数的多少也会影响转矩涟波的平滑程度和驱动器的价格等，一般相数越多则转矩输出越平滑，相对的，所需的功率晶体也越多，因此由成本及性能的考量，电机采用三相运转是较为合适的。

设计者在设计时必须注意气隙，槽面积的大小和线径的耐流等问题以方便日后的制造与绕线。

模拟时除了要建构所设计的电机模型外还必须考虑电机的绕线方式，计算每相之导体数、匝数以及计算线径、电阻及电感，分析结果时要注意到铁心是否进入磁饱和，并观察磁力线的走向来探讨漏磁及结构的改善等，最后在作进一步的修改设计直到符合规范为止。

在整个设计过程中，都要结合有限元素的分析。

2 在永磁电机设计中应注意的问题
在永磁电机设计时，应着重考虑以下几方面：
（1）必须考虑到电机运行过程中产生的最大去磁磁势的影响
矫顽能力Hc（或内禀矫顽磁力jHc）是代表磁性材料的抗去磁能力，Hc抗去磁能力越强，在设计永磁电机时，应该着重考虑这一点。

因此，在永磁电机设计中，选取最大电负荷时，电机的电枢反应所产生的去磁磁势绝对不能接近或超过磁钢所规定的Hc值或jHc值。

否则，电机经过一段时间运转，或经过大负荷下运转，逐渐会使电机磁钢失磁或去磁，使电机性能严重变化。

所以，在设计永磁电机时，必须考虑到电机运行过程中产生的最大去磁磁势的作用，应合理地设计永磁磁路的工作点。

（2）对磁钢的去磁曲线的形状和线性度应有特殊要求
因电机是在交变磁场下工作，电机空载运行时，工作点在A0点（空载工作点），当加负载时，电机工作点沿去磁曲线趋向A2点（见图1）；当去掉负载时，工作点不按去磁曲线回到A0点，而是按回复直线到A0点，显然，A0点的Φr 小于A0点的磁通，电机磁钢长期以往下去，造成永久性的不可逆去磁，如图2所示。

设计永磁电机时，要求磁钢的去磁曲线为线性（或接近于线性），如图1所示，并且去磁曲线的斜率应等于或接近于可逆磁导率，使回复直线与去磁曲线相重合，以保证电机运行时磁钢工作点的稳定性，使工作点A0稳定在去磁曲线与空载特性曲线的交点。

（3）磁钢的温度稳定性
磁钢的热稳定性要好，即是说磁钢的耐高温能力强，这也是极为重要的一点。

通常，电机从工艺和使用角度出发，要求磁钢能承受120℃的高温，在此温度下，永磁材料的Br值和j Hc值不应有明显变化（<3%～5%），或者有变化，但当温度下降到室温时，磁性Br值和j Hc值又能恢复到原来的状态，即没有不可逆的去磁。

随着温度的升高，永磁材料的磁性（Br、jHc）产生的不可逆损失即永磁材料的温度系数。

表征磁钢温度稳定性的参数为剩磁温度系数αB和矫顽磁力温度系数αH，一般要求αB和αH均应小于0.001，通常认为越小越好。

磁钢还要求具有良好的机械强度，良好的抗震能力，良好的耐氧化、酸碱的防腐蚀能力，以及良好的加工工艺性能等。

3 结论
随着新型永磁材料的迅速发展，尤其是“三高”的第三代钕铁硼稀土永磁材料的出现和进展，采用高强磁性能永磁材料，是永磁电机研究和设计工作者所希望和渴求的。

但作为研究和设计工作者，除了研制和选用磁性能优异的永磁材料外，要有更合理的设计（包括电磁和结构设计），使永磁体的磁性能得到充分利用，包括磁路的合理安排、路径最短、减小漏磁通、合理地设计永磁磁路的工作点，并考虑电负荷和磁负荷的合理匹配以及工艺性等，使电机达到最高的效率，并减小电机的体积和重量，降低电机生产成本。

参考文献：
[1]朱俊.稀土永磁电机的应用现状及其发展趋势[J].中国重型装备，2008.
[2]黄苏融；钱慧杰；张琪；谢国栋.现代永磁电机技术研究与应用开发[J].电机与控制应用，2007.。