小功率永磁直流电动机设计研究

梁成林

摘要：永磁同步电动机技术在节约能量以及运作效率上具有十分优异的特点，对于这一技术的应用以及覆盖国防、航空航天及日常的农业、工业生产领域中，因此对于其技术的改革和提高具有重大的意义。随着我国的经济水平的不断提高，传统的永磁同步电动机技术的理念与设计理论以及无法满足迅速增长的需求，尤其是在高性能的电机中的应用，因此本文将就以上问题提出解决方案。

关键词：永磁同步电动机；磁场数值计算；综合匹配设计

前言：我国的工业产业中，电动机在生产过程中扮演的角色十分重要，据统计表明，在我国的各类电动机系统总装机的容量超过七亿千瓦，其耗电量占据了全国发电量的百分之六十。但如此广泛的应用并不意味着我国的相关技术就达到了成熟，实际上，我国的电机平均效率相比发达国家还要低三到五个百分点，运行效率更是差了十到二十个百分点，而这部分的电能浪费接近了两千亿千瓦时，因此我们应当采取措施，改进永磁同步电动机的工艺技术，从而提高其运行效率，减少能源损耗。

1、永磁同步电动机在我国的发展现状

    1.1永磁同步电动机的分类与发展现状

根据运动轨迹的不同，永磁同步电动机被分为直线永磁同步电动机和旋转永磁同步电动机；根据工作电源种类的不同，永磁同步电动机被分为永磁直流电动机和永磁交流电动机；根据有无电刷和换向器的部分，永磁同步电动机被分为有刷电动机和无刷电动机；根据定转子结构位置的区别，可分为外转子电动机和内转子电动机；根据气隙磁通方向的区别，被分为径向磁通电机、横向磁通电机和轴向磁通电机；而根据起动和运行方式的不同，可以分为自起动永磁同步电动机和调速永磁同步电动机等。本文将主要探讨我国应用最为广泛的三种永磁同步电动机，分别是：永磁直流（有刷）电动机、调磁永磁同步电动机和异步起动永磁同步电动机。电动机节能目前有两种方法：第一种是通过对运行控制方式的优化而改善电机在不同负载情况下的运行性能；第二种是对电机本身的结构做出改变和优化，提出新的设计理念从而在整体上增强电机的性能。而在节能方面有着突出表现的是永磁电机，永磁电机通过永磁体产生磁场，不需要励磁绕组和励磁电源就可以实现其功能，具有结构简明、能耗低、效率高、功率密度高的特点。近年来，随着对稀土永磁材料的不断研究和实验，永磁同步电动机迎来了技术上的革新。这与我国本身是一个稀土资源储量丰富的国家有着不可分割的关系。结合居于世界首位的稀土永磁矿产的外部优势，投入人力与资金，近年来在永磁电机和永磁材料的研究方面都取得了不可小觑的成绩。

    1.2永磁同步电动机的设计分析方法简述

永磁同步电动机的设计分析方法主要分为三个大类，分别是基于“路”、基于“场”和基于“路与场的结合”的思路来进行设计，具体有等效磁路法、等效磁网络法、电磁场解析法和数值计算法，除此之外还有由电磁场计算而发展而来的多种分析方法。

永磁直流（有刷）电动机与电励磁直流电动机的原理相类似，在结构上将励磁绕组和磁极铁心换成了永磁磁极，除了具有机构简单、工艺简便、体积较小、效率较高的特性以外，还具有良好的调速特性和机械特性。电磁直流电动机更多地被运用于小功率的场合中，如家用电器、电动工具、汽车电子设备等等都大量使用了这种电动机，相比电励磁电动机，电磁直流电动机的效率高出百分之十到二十，且成本更为低廉。调速永磁同步电动机有变频电源供电，可用于开环的变频调速系统，能够在稳定运行的同时与电源频率保持较为恒定的关系。另外，调速永磁同步电动机不需要电刷和换向器，结构简单、维护工作方便，且具有高效率和高功率因数的优势。异步启动永磁同步电动机，又称为自起动永磁同步电动机。其原理是将永磁体放置在电动机的转子上，依靠笼型转子绕组产生的异步转矩达到自起动的效果。起动之后，转子绕组不再工作，电动机以同步转速继续运行。

    1.3永磁同步电动机设计分析中的关键技术概述

本体设计方面最重要的就是转子磁路，它对电动机的性能起到了决定性的作用。对于磁路的设计主要包括对永磁体安装尺寸的选择，还有隔磁桥、转子鼠笼槽。通风孔等结构的合理设计，可以有效提高电动机的运作效率、功率密度和过载能力。并且可以得到较好的起动和运转性能。想要做到这些需要综合考虑永磁体的用量、漏磁系数、电抗和电感等参数等多种方面。永磁体使用的数量与电机中的磁动势的大小之间相关，决定了相同体积下电动机所能够达到的容量。一般来说，永磁体的数量越大，电机的功率密度就越高。但是，在转子上放置的永磁体能够达到的体积是有限的，尤其在内置式机构中，转子冲片的各个部分的机械强度的区别需要被考虑到。如果是需要安装鼠笼绕组的转子，永磁体的安装还需要考虑到转子槽的空间。如果是转子铁心设计了通风孔或通风道的电动机，对于永磁体的安置的难度更高。另外，永磁体的成本较高，因此处于经济性的因素，在能够满足电动机正常运作的情况下，应当尽量减少永磁体的用量。减少永磁体用量的有效方法之一就是减少电动机的漏磁现象。通常来说，电动机的漏磁系数越小，对于永磁体的利用率就越高，但也存在可能会影响到永磁体的抗去磁性，对电枢反应分流作用不明显等问题。因此对于漏磁系数的选择要综合考虑到各项因素才能够决定。

综上所述，要想得到高效节能的永磁同步电动机，就要全方位考虑会影响到转子磁路的多个因素，在多个参数之间进行取舍，从而达到效益最大化的平衡点。

结语：随着我国整个工业行业的转型与发展，节能高效的电机技术越来越被企业与行业所需要，我们不仅应该重视产业的经济效益的输出，更应该关注环境与资源的现状。只有构建环境友好型、资源节约性的可持续发展社会，才能保证企业与产业的良性发展，因此对永磁同步电动机的研究就变得格外重要。我们相信，随着研究的不断深入，这一领域的技术一定会变得越来越成熟、完善的。

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