浅谈稀土永磁同步电动机的优化设计

摘 要：稀土永磁同步电动机是一种超高效节能电机。稀土永磁同步电机有损耗小、效率高、节能效果显著、运行好等特点。因此应用前景非常广阔，但是如果没有合理设计方案、得体的工艺技术和优质的电磁材料，也不会生产出高品质的产品。在稀土稀土永磁电动机的设计上，应该首先满足其所要达到的性能指标，降低使用的成本，只有提升使用效率，降低成本，才能达到设计需求。文章根据目前此种电动机的设计特点，进行了一定的改进，并将其进行优化，也在文章中具体讨论了此类电动机的性能特征以及设计方法。

关键词：稀土永磁同步电动机；优化设计；永磁体

引言

在日益严重的能源短缺的背景下，不断进行新的技术开发，提升电动机的使用效率已经成为了很多国家希望达成的重要目标。稀土永磁高效电机在使用效率方面远胜于其他类型的发电机，在稀土永磁高效电机投入使用以后，其就以各种使用指标稳定吸引了各国的眼球，在国际市场上具有相当大的竞争能力，我国稀土资源居世界第一位，应该充分利用这一优势，对此种发电机进行推广使用，此举对处于发展中的中国具有重要的现实意义。

1 稀土永磁高效电机和异步动永磁同步电动机的不同之处

稀土永磁高效电机的设计建立在异步电机基础之上，不同之处在于其将转子边鼠笼内侧镶入稀土钢，与异步动永磁同步电动机相比，励磁电流以及内部的转子上的金属使用量（铜、铁）等使用量降低，无功电流减少，提升了电机的使用效率，设备的使用温度降低。并且，与普通的励磁电机比较，降低了摩擦，使整个结构简化。

2 提升电机功率的若干措施

2.1 利用空截反电动势与因数之间的曲线关系

普通的电动机定子上的电流I1和If在平面直角坐标系上是一条“V”型的曲线，如我们保持其他的参数不发生变化，只改变磁体的性能和用量，那么此时定子电流I1=fE0的曲线同样是一个V形曲线，因此，在这种情况下，我们给予空载反电动势E0一个合适的值，以此来提升电动机的使用效率，整个方案实施的关键在于合理赋予E0的值。根据我们经常用到的电动势方程，我们可以清楚的得到电动势的变化和负载电流变化的关系，通过控制E0的值而提高功率因数，从而提高其效率。

2.2 通过调整转子磁路结构来实现

永磁同步电动机一般按照永磁置的不同分为三类，分别为表面式，爪极式以及内置式，内置结构式又可以进一步分为切向式，径向式和混合式，电机使用的形式应该按照极数以及电机功率进行具体确定，在此基础上，也要考虑到材料的成本以及工艺难度，文章提及的稀土永磁同步电动机主要就是采用的内置式的转子磁路结构。这种结构有其自身的特点，即永磁体固定在转子的内部，永磁体表面与定子铁芯内圆之间有铁磁物质制成的极靴，极靴中可以放置铸铝笼或钢条笼，阻尼作用明显，整个电机的稳定性极好，此种结构得到了广泛的应用。

2.3 电机内部永磁体的选择原则

稀土永磁同步电动机在进行磁体选择时应该遵循以下原则：第一，保证气隙磁场以及性能指标；第二，保证工作状态下磁性的稳定性；第三，保证装配合理和机械强度；第四，性价比较高。以上述的原则来确定牌号，并通过调整此题的尺寸来调整电动势的大小，从而降低无功消耗，降低使用成本。

2.4 调整绕组的匝数和铁芯的长度

单纯的从功效上看，增加匝数和增加铁芯的长度殊途同归，但是两者也存在一定的区别，增加绕组的匝数能够导致Xad和Xaq的增大，他会使得电动机的过载能力降低，因此，此种方法的使用有一定的局限性，需要符合一定的前提条件。

2.5 气隙长度的选择

在进行气隙长度选择时，一般通过降低气隙的长度来提升功率，但是降低或者减少的长度要进行控制，否则会有多种不良的后果。采用此种方法时，一般会增加杂散的消耗，提升装配难度增加电磁的噪声，因此，在实际的操作过程中，应按照相应的规格调整气隙长度。

3 定、转子冲片的设计

在进行电动机的尺寸确定工作之后，接下来是进行电机定子和转子冲片的设计，此类设计可以参照一般的电机进行，如果条件允许，可以直接利用异步电机定子冲片。

普通的感应电动机和异步起动永磁同步电动机的转子类型极为相似，都是使用的类似的槽型转子，在稀土永磁同步电动机中，鼠笼条的作用仅仅是启动，但是却不能在同步时起到作用，因此，稀土永磁同步电动机应该选择深槽或者圆形槽或者凸形槽。当然，其他类型的槽口也有不同的作用，稀土永磁同步电动机也根据其类型的不同选择而不尽相同，对于小型的稀土永磁同步电动机可以使用梨形槽或者梯形槽。不同的槽口作用不同，对于稀土永磁同步电动机的影响也有大有小，在实际的应用过程中闭口槽可以减小杂散的损耗减小槽齿效应，对于稀土永磁同步电动机的实际使用功率影响不大，因此在稀土永磁同步电动机使用闭口槽也是不错的选择。众所周知，转子槽的最重要的作用在于启动电机，在进行设计时为了节省材料和预留空间，在确定转子槽类型时，应该不能让电动机接近同步转速时的特性曲线陡度过小，不然就会很难达到电动机牵入同步能力的指标，因此，这时电动机转子槽也不能开的过浅或者过窄。

4 稀土永磁同步电动机永磁体的设计

在进行稀土永磁同步电动机永磁体设计时，设计的尺寸包括三个方面，主要是轴向的长度和宽度，在实际的设计当中，永磁体的长度一般不应长于铁芯轴的实际长度，因此，只需要进行两两个永磁体的设计即可，在实际的设计过程中，应该注意以下几点：第一，hM（轴向长度）在设计时应该保证直流的电抗合理，保证Xad不发生大的变化，从而不影响电动机的整体性能。第二，hM（轴向长度）不能过小，如果hM太薄，会使永磁体的废品率提升，间接地提升了整个设计的成本，在运输和装配上也存在一定的问题。第三，hM（轴向长度）不能过小，永磁体太薄容易使永磁体的磁性消失，在进行设计时，应该保证其厚度在最佳的工作点，在调整电动机的性能时，可以依靠调整bM（永磁体宽度）的长度进行确定，bM决定了永磁体所提供的磁通量的面积，当负荷较高时，应该安装较多的永磁体。

永磁体的尺寸对于电动机的影响很大，其中对于电动机的运行性能以及电动机中的永磁体系数影响最大，决定了整个磁体的利用率。根据计算的结果以及多组重复性实验可知，永磁体的尺寸变大，空载漏磁系数就越低，由此，可以推导出永磁体的设计尺寸。

5 电枢绕组设计

与一般的异步电动机设计无二，稀土永磁同步电动机也采用了单层连式，单层同心式等。在实际的使用过程中经常采用双层的正弦绕组来进行波形的改善和损耗的降低。在电动机中，由于永磁体励磁，造成气隙磁场谐波较多，对电动势有一定的影响。异步起动永磁同步电动机通常采用丫接的双层短距绕组以避免电动机绕组中产生环流，并削弱电动势谐波。

6 结束语

电动机的优化设计是非常复杂的非线性规划问题，设计要考虑多种因素以及各个方面的复杂性，但是，它在很多的方面还存在着不足，没有得到解决，尤其是关于寻求电机优化设计的全局问题，已成为困扰技术人员的最大问题之一，用传统的电机优化设计方法，无法从根本上解决这一问题，因此，还需要技术人员考虑更多因素来寻求获得电磁同步电机最优化的方法。

参考文献

[1]方向.稀土永磁同步电动机优化设计[D].广东工业大学，2008.

[2]冯 径.永磁同步电动机设计关键技术与方法研究[D].华中科技大学，2012.

[3]梁华，李训铭，严登俊.稀土永磁同步电机优化设计分析[J].南京理工大学学报（自然科学版），2002，S1：138-143.

[4]陈贵荣.NdFeB稀土永磁同步电动机的优化设计[J].微特电机，1991，6：23-25.

[5]陈贵葆.Nd-Fe-B稀土永磁同步电动机的优化设计研究[J].中小型电机，1993，2：12-14.