永磁电机电磁设计简介

永磁电机电磁设计简介

1.主要分析流程

针对永磁同步电机的电磁设计，大致可以按照下面的流程进行分析。

各个部分的一些操作和重要参数将在下面具体展开。

2.主要尺寸的选择

主要尺寸包括定子外径、转子内径和机壳长度。

定子外径和机壳长度的选择主要参考系列异步电机的设计参数和同类厂商的产品参数。

转子内径的选择在满足转矩要求情况下参考系列异步电机设计参数。

3.极槽配合的选择

参考软件《永磁电机极槽配合分析》。

4.定转子冲片设计

4.1定子槽形的选择

a) 平底槽b) 圆底槽

图1 定子常用槽形

常用定子槽形见上图，定子内径的选择可以参考异步电机，但由于永磁电机轭部相对更大，通常永磁电机定子内径要小于同样大小的异步电机。

4.2 定子齿轭的选择

定子齿通常选择平行齿或接近平行齿，关于定子尺寸的选择可以参考下表：

空载 额定负载

定子齿磁密/T

1.4 1.8 定子轭磁密/T

1.4 1.5

a) 空载磁密分布 b) 负载磁密分布

图2 磁密分布 4.3 气隙长度的确定

考虑到装配和工艺需要，永磁电机的气隙通常选择在1~1.5mm 。

4.4 转子槽形的选择

a ）表贴式 时起到定位和固定的作用，这种结构需要注意的是，凸出的高度不宜过高，会增大漏磁，燕尾槽角度选择在75°左右为宜，太小不适合加工装配，太大不能很好起到固定作用；内嵌式有磁钢是否分块的区别，需要注意的是，虽然要尽可能减少漏磁，但考虑到冲制和加工，相邻磁钢间的隔磁桥宽度应大于2mm，靠近气隙处的隔磁桥宽度精车后应大于1.5mm，尖角处应使用圆角过渡以减小应力。

5. 电机绕组设计

5.1 绕组设计流程

5.1.1 槽电角度

α=p ×360°/Z

5.1.2 槽电势星形图

根据槽电角度画槽电势星形图，p 和Z 的最大公约数是槽电势星形重合的次数。

5.1.3 分相

在星形图上划分各相所属槽号，原则是三相电势对称且最大，通常采用60°相带，其较120°

相带的合成电势大，也有采用30°相带的。

5.1.4 绕组展开图

在交流电机中，当确定了各相所属线圈边（即槽号）后，只需按电势相加的原则把线圈连接，就可构成三相绕组，绕组通常选用Y 形接法。

对双层绕组，首先确定第一节距，对于整距、短距或长距，通常选用短距绕组。绘制时，只需按星形图把各线圈下好（比如在36槽4极的情况，两个槽电势星形重合，1、2、3槽对应A 相，10、11、12槽对应X 相，在1、2、3槽下绕组，下层边就根据选定的节距放置，只在整距时才有1槽对应10槽），再顺次连接。对整数槽绕组，每相的最大并联支路数等于极对数，即αmax =p 。

5.2 一些重要参数和概念

5.2.1 槽满率

槽满率的计算有两种方式，一种在计算槽面积时扣除槽楔部分，另一种计算槽面积时考虑槽楔部分，我们通常采用第一种，在这种计算方式下，自动下线的曳引机电机槽满率通常控制在65%左右，采用手工下线的长筒形电机控制在80%左右。

5.2.2 热负荷

绕组电密通常控制在5~8 A/mm 2。

热负荷是衡量电机发热的重要参数，与工作制、机壳情况和冷却状况等都有关系，对于曳引机、采用Y 系列标准机壳的工业电机和空压机电机，以及采用铝机壳的伺服电机，选择的值都不相同，需要参考各规格的推荐值。但总的来说，永磁电机可以比Y 系列异步电机降低2个机座号，可以考虑在这个机壳长度内将铁心做到最长。对于采用Y 系列机壳的永磁同步电机，热负荷的选择可以参考《使用Y 系列机壳的永磁电机热负荷推荐》。

5.2.3 电阻计算

冷态时，通常以20℃计，铜线电阻率为0.1785×10-4Ωmm 2/mm，热态时，工作温度通常按115

℃计，铜线电阻率为0.245×10-4Ωmm 2/mm。

在使用电阻法测温升时，通常使用下述公式：

()21111

235a R R R θθθθ?Δ=×++? R 2——额定负载热试验结束时的绕组端电阻；

R 1——温度为θ1时的绕组初始端电阻；

θa ——热试验结束时的冷却介质温度；

θ1——测量初始端电阻R 1时的绕组温度。

5.2.4 电势高次谐波

无论Y 接还是Δ接，线电压中都不存在3次和3的倍数次谐波，这是三相绕组在电势方面的优点。但采用Δ接时，由于闭合回路中的3次谐波环流引起附加损耗，使电机效率降低、温升增加，所以多采用Y 接。

高次谐波电势对相电势大小的影响较小，主要影响电势的波形。减小高次谐波可以采用短距绕组。一般说，节距缩短ν次谐波的一个极距（即缩短τ/ν），就能消除ν次谐波电势。通常电机主要考虑同时削弱5、7次谐波电势，采用y 1≈5τ/6时，5、7次谐波差不多削弱到只有原来的1/4。

5.2.5 齿谐波

分析表明，电势中的高次谐波以Z/p ±1=2mq ±1谐波较强，次数为Z/p ±1次的谐波有两个特点：一是这种谐波的次数与一对极下的槽数Z/p 之间有特定的关系，二是这种谐波的绕组系数与基波的绕组系数相等。

这种谐波电势是由于定子槽开口造成的气隙磁导不均匀引起的，故称为齿谐波。由于这种谐波的绕组系数与基波的绕组系数相等，不能采用短距和分布来削弱齿谐波电势。

齿谐波的改善可以通过：

采用磁性槽楔或半闭口槽，以减小由于槽开口引起的气隙磁导变化；

采用斜槽削弱齿谐波电势；

采用分数槽绕组。

斜槽系数：

sin 22sk skv

sk t v

k v πττ?=? sk t ——导体扭转的距离。 6. 有限元分析与计算

使用有限元软件对永磁同步电机的分析通常包含以下步骤：

使用有限元分析软件MagNet 的具体操作请参考《应用MagNet 求解PMSM 问题操作说明》。对于永磁同步电机性能的分析，主要有三个方面。

6.1磁场分析

磁场分析主要是看磁密分布是否合理，包括空载分析和负载分析。

在模型建立之后，可以先做空载静磁场分析，检查磁钢设置是否正确，磁路是否合理。对于空载磁密，通常齿部最大磁密控制在1.4T左右（不含尖角处等特殊点）。

额定负载时的磁密分布是在带运动体的暂态场中求解的，通常齿上控制在1.8T，轭部根据控制铁耗的考虑可以在低速时大些，高速时小些。

6.2反电势计算

反电势是决定电机电压的重要参数，可以直接判断绕组的匝数是否恰当。通过有限元软件，可以得到电机在额定转速下运行一个电周期的反电势数据，对数据进行傅里叶分析（插值1025个点，然后去掉第一或最后一个点），可以得到基波和各次谐波的幅值。通常，5、7次谐波应当幅值较小且相差较少。关于基波的处理，依据现有的试验分析，应用MagNet软件计算的基波幅值，在不考虑温度的影响时，对于内嵌式永磁同步电机，需要设置0.915的修正系数，对于表贴式永磁同步电机，该系数可以设为1。

6.3转矩计算

转矩的计算包含齿槽转矩和负载转矩两部分。由于我们通常采用定子斜槽的工艺来减小齿槽转矩和转矩脉动，计算转矩时，可以采用模型分段的方法，使用2D软件模拟3D的效果。具体的操作时这样的，计算定子扭斜的机械角度θ，将其等分n份（n一般取偶数），需要计算的模型则为n+1个。通过调整转子角度来等效定子扭斜的效果，中间段转子的角度与直槽时相同，前后几段则依次相差θ/n。通过软件计算后，取出各段模型对应时间的转矩参数，把相同时间点上的转矩数据合成，就得到了斜槽时的转矩情况。

对于齿槽转矩，以其峰峰值为考察对象，越小越好。

对于负载转矩，考察其转矩脉动，定义为峰峰值与平均转矩的比，通常要控制在2%以下，越小越好。

过载和去磁分析也与转矩计算有关，过载计算调整电流幅值即可。去磁分析则应该在磁钢材料选项卡中设置不同工作温度时的磁性能和去磁点，并在模型计算时选择工作温度。

6.4电感计算

计算电机的额定电压时，不仅要用到反电势，还需要电感参数。通过有限元软件计算电感时，采用将转子旋转到指定位置，速度设置为0，绕组通以直流电，使用带运动体的2D暂态场的方法计算较为方便。通过调整转子角度，可以分别计算得到交直轴位置的磁链，除以对应的电流，得到交直轴电感Ld和Lq。

对于内嵌式结构的永磁同步电动机，由于q轴电感受磁场饱和的影响较大，通常还需要计算不同电流下的电感变化情况，提供给控制方做参考。

7.电机综合性能计算

在对电机进行了磁路和有限元分析后，需要把计算的结果综合分析，得到电机的综合性能参数，大致可以包括：

7.1电压

额定电压的计算需要用到反电势、相电阻、额定电流和电感参数，使用这些参数时，需要注意与相应的温度对应。

对于内嵌式结构的永磁同步电动机，为较好的利用磁阻转矩，通常在计算时要用到超前角，这个角度可以通过有限元分析找到，给绕组施加一定的电流，让转子旋转一个电周期，对应转矩最大的位置就是最大转矩电流比的点。

7.2效率

铜耗的计算，只需要注意不同温度下的电阻即可。

计算铁耗，多是采用经验公式，鉴于实验分析，永磁电机的铁耗要小于异步电机，铁耗系数可以取的略小，推荐1.8左右。

7.3其他

另外，在电机运行于高转速时，需要计算电机的应力和变形，在需要快速响应的场合，还应计算转子的转动惯量。这些计算可以通过ProE进行简单分析，更为精确的分析需要用到Ansys等有限元软件，这部分工作暂时做的还不多，也是今后需要努力的方向。