盘式低速永磁同步电动机的电磁场探析

摘 要：盘式低速永磁同步电动机在构造中不需要使用用来减速的机械结构，因此电动机中的整个传动系统得到极大的简化，使系统的可靠性可以大大提高，另外这种电动机还具有许多其他的优点，例如运行平稳噪音小、结构简单重量轻等。基于以上原因，盘式低速永磁同步电动机发展成为一种高性能的新型电动机，本文将对盘式低速永磁电动机的电磁场进行分析，并对电磁场对电机性能所产生的影响进行探究。

关键词：盘式；低速；电磁场；电机性能

盘式低速永磁同步电动机同时结合了盘式电机和永磁电机的优点，既具有永磁电机效率高、质量较轻、运行平稳、结构简单的优点，又具有盘式电机所拥有的功率较高、轴向尺寸较小的优点。这类电机目前在国内已经得到了广泛的应用。国内对这一新型电动机的研究也正逐步深入，对电动机中永磁体的尺寸和电感的计算，电机工作点的确定也逐步开始有了新的研究，并逐渐掌握了不同种类的盘式电动机的电磁场的特点和研究方法。但是，虽然这样，我国对永磁同步电动机的研究还远远落后于国外其他先进国家，这对我国盘式低速永磁同步电动机的市场竞争力将产生非常不利的影响，所以在我国电机行业对盘式低速永磁同步电动机的深入研究已经成为一项非常重要的任务。

一、盘式低速永磁同步电动机的基本结构分析

在永磁电机中最为重要的结构构件就是永磁材料，这种永磁材料需要具备资源丰富、价格合适、磁稳定性、磁能积高、具有抗去磁能力等优点，它对电机的使用性能、设计制造和使用范围具有非常重要的影响。

盘式低速永磁同步电动机与其它传统的电机具有相同的构件组成，都包括转子、端盖和定子等构件。它之所以区别于其它传统的电动机，是因为在永磁同步电动机中的转子中引入了永磁体这一构件。电动机内的磁场分布由于永磁体这一构件的引入发生了极大的改变，磁场性质也因此发生了极大的变化。

盘式永磁同步电动机结构形式多种多样，可以按照定子、转子的相对位置和数量分为以下几种：单定子、单转子结构，中间转子结构，中间定子结构以及多盘式结构等。

二、盘式低速永磁同步电动机的电磁场分析

1.电磁场的分析计算

我们可以通过麦克斯韦方程组对电动机中的电磁过程进行分析，麦克斯韦方程组是对电机电磁场进行研究的理论基础。在我国使用的是固定频率的交变电流，使得电动机中产生随时间按正弦规律变化的电磁场，可以应用麦克斯韦方程组中的复数形式进行研究。

在过去，由于硬件条件的局限，在设计和计算永磁同步电动机时，利用传统的计算方法如等效电路模型和等效磁路计算法，已经不能够满足设计需求，使电机的设计中电磁场的解析方法的应用受到很大局限。目前随着计算机的迅速发展，已经针对电动机中电磁场的设计和计算开发出了一套比较成熟的计算机应用程序，使得电动机中电磁场的探析获得了重要的发展，现在已经可以利用计算机通过直接求解的方法来分析电动机中的电磁场的分布，并对永磁电机的性能进行更深入的研究。在永磁电动机中实际存在着一种三维交变的电磁场，可以通过对其空间分布情况的研究和随时间的变化规律的研究，进而求得电动机的动态稳定性，但这一求解过程在目前仍然是非常困难的。

2.磁场分布受到永磁体形状的影响

在盘式低速永磁电动机中，永磁体的形状对其磁场的分布具有重要的影响。电机内径向的磁密分布会随永磁体形状的改变产生非常大的差异，进而对永磁体所产生的磁通量产生影响，这样必然会影响到电动机的稳定性。

永磁体的形状可根据永磁体内半径处的弧长与内半径处极距的弧长之比a和外半径处的弧长和外半径处极距的弧长之比b的大小关系分为三类：第一类，ab，当永磁体的形状满足这一关系时，定子齿磁密沿径向分布上会比较容易达到饱和，而且，电机也不适合取得较高的电磁负荷，因此对于大中型功率的电动机并不适合使用这种形状的永磁体。但这种永磁体的形状在加工上存在一定的优势，比较容易实现，所以在很多地方现在仍然在使用。盘式低速永磁同步电动机在工作时需要很高的功率密度，所以比较适合选用第二类形状的永磁体，即扇形永磁体。

3.电动机内电磁场对空载气隙磁密的影响

在永磁电机中存在的是一种三维交变的电磁场，这种电磁场不仅会在径向上随着半径发生变化，还会沿周向产生不同，进而使得空载气隙磁密的分布也发生改变。我们通过三维电磁场有限元分析软件对空载气隙磁密的分步进行精确的计算，发现在盘式低速永磁同步电动机中，在平均半径的附近，空载气隙磁密幅值最大，而在边缘处如靠近内径和外径的地方，空载气隙磁密幅值由于受到边缘效应的影响而略有下降。气隙磁场的形状会对永磁同步电动机的波形产生影响，为了保证电动机可以平稳运行，应使感应电势具有稳定的良好的正弦型波形，这就需要设计者对永磁同步电动机的空载气隙磁密进行精确的计算。

4.空载漏磁系数

通常情况下，电机中永磁体产生的磁通可分为两部分，一部分称为主磁通，是通过定子齿与电枢绕组交链的磁通，另一部分称为漏磁通，即没有与电枢绕组交链，而与磁极之间形成回路的磁通。空载漏磁系数在盘式低速永磁同步电动机的电磁分析中非常重要。但在实际的计算中，解析法计算误差较大，只能粗略的进行估计。我们在借助计算机软件的应用下，对空载漏磁系数进行了研究，发现极间漏磁系数受永磁体的尺寸和气隙长度影响非常大，电机的极间漏磁系数与永磁体的磁化方向长度和气隙长度均存在正比例关系。

空载漏磁系数是用来衡量电机空载时永磁体向外磁路所提供总磁通量的有效利用程度的，电动机运行的稳定性以及电机中永磁材料的抗去磁能力都会受到空载漏磁系数的影响，因此在电动机设计中要尤其注意空载漏磁系数的计算和设计。

三、结语

盘式低速永磁同步电动机在采用均匀气隙结构的基础上，对电机参数进行合理的优化，采用24极27槽的齿槽结构，使得电机在低速运行时产生的谐波转矩和齿槽转矩得到有效的降低，从而使电动机运行的平稳性得到了提高。中间转子结构的应用，为电动机获得最优的散热条件和降低转动惯量，保持运行稳定创造了条件，电动机的各项功能指标因此获得了有效的提高。通过对电磁场的理论分析，以及对盘式低速永磁同步电动机的电磁转矩的计算比较，后续的仿真实验，我们得出这一电动机具备非常良好的起动性能，而且在低速运行下可以很好的保持平稳。另外该种电动机的额定功率大、构造简单、低能耗、低噪音等优点，使得其非常适合如机械臂、电动汽车、手持电动工具等特殊应用场合设备的使用，而且该系统可以采用直接传动以减少结构的重量和尺寸，更加便于安装和使用，对产品的动态静态性能均将产生重要的改善。盘式低速永磁电动机的应用，必将促进更多产品的更新换代，其应用价值将非常长远。

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