关键词：永磁同步电机；电机优化；结构设计
前言：永磁同步电机是一种新型的电机类型，其具有着显著的性能特点，由于其使用永磁体进行励磁，对电机结构进行了简化，且还具有着损耗低与发热量低等特点，因此在新能源汽车发展中得到了广泛应用。本文就针对永磁同步电机从其永磁体、定子和减重孔等方面进行结构设计分析，并对其结构特性进行研究，希望对此技术发展具有一定的参考价值。
1.永磁同步电机工作原理
永磁同步电动机启动以及运行都是通过定子的绕组、永磁体以及转子鼠笼的绕组等三者产生磁场相互的作用而产生的。在电动机处于静止状态时，向定子绕组进行三相对称的电流通入，就会产生出定子旋转的磁场，则定子旋转的磁场转子旋转于笼型绕组中而产生相应电流，进而形成了转子旋转的磁场，在定子旋转的磁场和转子旋转的磁场互相作用下，产生异步的转矩而让转子逐渐由静止加速开始转动。此过程中，由于转子永磁的磁场和定子旋转的磁场转速存在不同，就会造成交变转矩的产生，若转子加速至速度和同步转速接近时，其转子永磁的磁场和定子旋转的磁场具有转速是接近相等的，且定子旋转的磁场速度是比转子永磁的磁场稍大，两者互相作用就会产生转矩把转子牵入同步运行的状态中。同步运行的状态中，其转子绕组中就不再进行电流产生，这时转子上就只存在永磁体进行磁场的产生，其和定子旋转的磁场互相发生作用，就会形成驱动的转矩。因此，这种永磁同步的电动机是依靠转子的绕组异步转矩来实现启动，在完成启动后，其转子绕组就不再发挥作用，通过永磁体与定子绕组所产生磁场互相作用形成驱动的转矩。
2.永磁同步电机结构设计分析
2.1永磁体结构设计
永磁体在转子上进行放置，由于矩形的永磁体在转子铁芯的内部井嵌入，能够有效的提高其结构安全可靠性，因此本文就将将永磁体设计为矩形结构。在进行永磁体结构的设计中，还要做好永磁体的用量和永磁体的尺寸确定。通过对永磁体设计成矩形的结构，就能够有效的减少其加工所需要的时间以及用量。在永磁体的尺寸确定中，主要涉及3个尺寸，分别是磁化方向的长度（HM）、磁化的宽度（BM）和轴向的长度（LM）。一般来说，永磁体轴向的长度和永磁电机的电枢轴向的长度有着密切关系，因此进行永磁体的尺寸设计时，就只需要对其磁化方向的长度以及磁环的宽度等因素进行考虑。因为BM对永磁体实际磁通具有的面积存在密切关系，因此可以同归对BM进行调整来实现对永磁电机性能的控制。因为永磁体HM对永磁电机永磁体工作点具有决定作用，因此对HM确定时要保证永磁体工作于最佳的工作点。最后，HM的设计值不能超过t值，因为磁化实际的宽度HM能够对其永磁体产生磁通面积有着直接的决定效果，则往往通过对HM实施调整实现对永磁电机具有性能的改变，若永磁电机对磁负荷的要去很大，这就需要转子其磁路的结构安装更多的永磁体类型。
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2.2定子结构设计
本文中将定子的槽数确定为36槽，而为了对端部长度进行减少，就使用了双层绕组方式来实施仿真性操作，通过双层绕组方式能够有效降低其转矩的脉动。于定子的尺寸进行改变，主要是使用线径为0.8mm的导线进行使用。在槽深有19mm的时候，对定子轭部实际的厚度进行改变，就能够得到一下相关的数据。定子的轭部厚度出现变化就会对电机实际的输出转矩造成影响，而电机输出的转矩会随着其定子轭部的厚度变化呈现出急剧增大逐渐缓慢增大的状态，同时转矩脉动和转矩脉动占比也呈现先下降后上升状态，而转矩脉动实际变化相对来说幅度并不是很大。
2.3减重孔设计
对于新能源汽车来说，其所使用驱动的电机类型，不仅需要符合车内空间以及重量要求标准，具有小体积、轻质量等特点，还需要其在运行中具备高功率的密度特性，而想要有效的提高电机功率的密度，往往存在以下两种方式。一种是尽可能选择的电机材料具有比较小的密度，来进行电机的制作；另一种是通过增大电机其电磁的负荷来进行电机材料利用率的提高，使其具有很高利用率。在本文中，所使用设计电机的磁通是于永磁体的周边和转子的外径表面进行通过，在电机转子的内部轴靠近的位置，其磁密就十分稀疏，所以在进行设计中，就于转子的冲片进行减重孔的多打，来对电机重量进行减轻。按照电机仿真磁密的分布结果分析，保证原型的电机其它的性能不改变的基础上，于转子轴的附件进行6减重孔的开设，在开设减重孔后，磁密的分布和之前比较，其分布的情况是没有很大变化的，根据电机仿真的数据得知，在开孔处理后是对电机性能与各项参数基本不存在很大的影响的，这也说明对减重孔进行合理的设计，并不会对其性能产生影响。
3永磁同步电机的特性分析
在对磁路饱和特性分析时需要建立相应的数学模型来完成，如果将坐标实际的旋转变换性当作基础，而永磁同步的电机进实施矢量性的控制，于DQ同步的旋转性坐标系内，实现类似于直流电机控制的性能。对于永磁同步的电机来书，其存在有效的气隙是比较小的，由于发生电枢反应，则其磁场的作用就会导致磁阻出现很大的变化性，且其D轴具有电感同Q轴具有电感就会出存在不相同性，同时转子的结构呈现出不对称状态，导致对磁路饱和产生影响。因为D轴是在永磁体其轴向的位置中，并且其永磁体具有磁导率是和空气具有磁导率呈现十分接近的状态，因此Q轴具有有效的气隙是要小于D轴具有有效的气隙的，按照有限元的软件进行分析，D与Q轴的电感是随着电流变化，其D轴的电感值呈现相对的稳定，而Q轴的电感值是随着Q轴的电流增加呈现出显著性的减小状态。因为Q轴的电流同转矩是呈现出一种线性的关系状态，于其恒转矩的区域内，若其转矩出现了相应增加，则受到相应饱和作用影响，会让Q轴具有电感出现变小的情况，进而造成其凸极率发生下降，因此，在实际情况中，电机的输出转矩存饱和作用影响而出现降低情况。在其恒转矩的区域内，通过每安电流具有最大的转矩来实施控制，同时其电机具有电感参数的额定运行相应恒值是同电感随着电流实际变化而呈现出非线性的关系状态，按照电机转矩以及机端电压具有输出的曲线关系得知，磁路存在饱和就会对电机的特性产生一定影响。
结语：本文对永磁同步的电机永磁体的结构、定子结构以及减重孔设置等进行了设计，然后对其具有的实际特性进行分析。为了有效的模拟出实际电机的运行状态情况，本文就构建了电机磁路的饱和特性永磁同步的电机模型和其控制的系统，并对其控制的系统中，通过跟随电机的参数变化解耦控制的算法，来进行弱磁区的速度运行相应范围的拓宽，有效提高其恒转矩区域内输出的转矩，也能够更好解决其高速区域内电机机端的电压超限情况而导致电压控制系统的不稳定出现，另外，通过相应控制策略来实现对其系统稳定性的提升和精度的提高。
参考文献：
[1]张露锋，司纪凯，刘志凤，等.表面-内置式永磁同步电机优化与特性分析[J].微特电机，2015，43（6）：12-15.
[2]倪春瑾，钟再敏，王心坚.永磁同步电机结构设计和特性分析[J].机电一体化，2016（1）：18-22.
论文作者:谢姚,
论文发表刊物:《中国电业》2019年20期
论文发表时间:2020/3/10
标签：永磁论文; 转矩论文; 转子论文; 电机论文; 定子论文; 磁场论文; 绕组论文; 《中国电业》2019年20期论文;