淺談永磁電機的設計

周明

摘 要：近年來永磁電機在電動汽車、航天領域應用日益廣泛，通過優化設計提高永磁電機的轉動性能就顯得更為重要，本文從優化永磁電動機的性能的目標出發，對降低齒槽轉矩、進行了探索。

關鍵詞：永磁電機；轉矩；轉動慣量；齒槽轉矩

中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）21-0072-02

近年來，由于永磁電動機與傳統的繞組電機相比具有體積小、重量輕、高效率、功率密度大等優勢，在電動汽車、航天工業、機器人等領域的應用越來越廣泛，如何通過優化電機的設計，提高電機的性能就顯得尤為重要。本文首先從永磁電機的基礎知識出發，介紹電機的基本類型、永磁體材料的性能指標等內容，隨后就電機設計的熱點問題，如電機的損耗、永磁體的布置、減少齒槽扭矩和優化電機的動態性能展開探索。

1 常見的電機類型

對于電機的類型而言，本文將分析幾種電機的優缺點：包括直流電機、感應電機、開關磁阻電機，同時將對比永磁電機和非永磁電機（繞組電機）來突出永磁電機的優點。

（1）直流電機：最大的優勢就是容易控制，這是因為直流電機的勵磁和電樞電流都是線性的，因此，通過控制直流電機的勵磁和電樞電流，就可以控制電機的扭矩和轉速。（2）感應電機：可靠性最好，尤其是鼠籠型的感應電機，同時與其他類型的電機比起來，感應電機的造價較低；由于不需要電刷，感應電機幾乎不需要維護；然而感應電機的控制確并非易事，同時電機的損耗較高、功率因數也不理想。（3）開關磁阻電機：結構簡單，由于轉子內沒有繞組，所以可以適合在工況較高的溫度下運行；同時其轉矩-轉速的特性也較其他電機更為理想；同時，開關磁阻電機的造價也較為低廉。但是由于需要額外的轉子位置傳感器來輔助換向，開關磁阻電機的控制較為復雜，電機的體積也隨之增大，外加上噪音和振動較大，因此開關磁阻電機的應用也受到限制。（4）永磁無刷電機：應用了電力電子逆變器來替代傳統的電刷，因此它克服了傳統電機因電刷磨損而需要經常維護的問題，可靠性得到了很大的提高。由于功率密度大、電機效率高、體積較小、重量較輕等一系列優點，永磁無刷電機在電動汽車上應用的越來越廣泛。然而由于使用了永磁體材料，永磁電機的造價較高；同時在高溫等極端情況下，永磁體還面臨著退磁等風險。

2 永磁材料的性能指標

永磁材料近些年來被廣泛應用，除了在永磁電機上使用以外，還應用于智能手機、收音機、電視等。永磁體的性能可以從如下幾個方面來反映：

（1）矯頑力：是指為使永磁體材料的磁場退化為0，而需要是加的反向磁場強度，換句話來說，矯頑力的大小代表著永磁體材料退磁的難易程度。（2）剩余磁通密度：又稱為剩磁，是指永磁體在外加磁場消失后，所保留的磁場強度。（3）居里溫度：是指磁性材料中自發磁化強度降到零時的溫度。磁滯洄線代表了永磁體材料的的特點通過描述磁通密度和磁場強度的關系。

3 常見的永磁材料

在電機的設計中，高性能的永磁體材料例如鐵磁、稀土永磁材料的應用最為廣泛。鐵磁材料最大的優點是造價較低，同時在低頻工況下渦流的損失也可忽略不計。然而，鐵磁材料的能量密度低，因此，它通常應用于對成本控制要求較高的領域。

（1）稀土永磁材料的性能較好，但造價同樣較高。釤鈷（SmCo5）最早于1970年被生產出來，這種稀土永磁材料最大的優點是能量密度高（4倍于鐵磁材料）、能夠在較高的溫度下使用，缺點是造價昂貴。釹鐵硼較釤鈷有著更高的能量密度，同時造價相對較低，然而這種材料的居里溫度較低，因此不適用于溫度較高場合的應用。（2）軟磁材料通常被應用于那些磁通密度隨時間變換的領域，例如電磁起重機。當外加磁場時，軟磁材料的磁通密度很容易改變，因此這種材料的磁滯回線較窄。由于軟磁材料的電阻較小，當頻繁改變磁通密度時，產生的渦流很大，因此它通常造成疊片結構，以增大電阻減少渦流。

4 永磁體的布置

在永磁電機的轉子設計中，永磁體被設計布置在不同的位置以滿足不同的應用需求，本文簡述了兩種永磁體的布置方式，如圖1，圖2所示。

第一種方式結構簡單，永磁體被用碳纖維或玻璃纖維固定在轉子的表面，因此，這種結構制造起來較為方便，但是在大轉矩和高速運轉的工況下，永磁體有脫落的風險，因此這種結構在上述情況下應用受限較多。同時，由于需要將永磁體加工成帶弧度的形狀，這也造成了電機制造成本的增加（帶弧度的永磁體比平整的永磁體更難加工，因此成本也更高昂）。第二種布置方式永磁體被嵌入在轉子內部，因此永磁體可以被很好的保護從而以避免退磁，另外一個好處是由于同時產生了磁阻轉矩，這種布置方式的扭矩密度更大。同時這種布置方式可以使用平整的永磁體，因而降低了制造成本。但是由于永磁體被嵌入轉子內部，這種結構產生的漏磁通較高。

5 優化電極和槽的匹配

在永磁電機的設計中，選擇合適的電極和槽的數量對于電機的性能來說至關重要，它能夠減少齒槽轉矩、降低諧波，減少噪聲和振動。在永磁電機運行過程中，由于磁場的存在，永磁體總是傾向于和電機的齒對齊，這將產生轉矩的波動，我們稱之為齒槽轉矩。齒槽轉矩對電機轉矩的輸出造成了干擾，同時產生了噪聲和振動。在永磁電機的研究中，減小齒槽轉矩是一個重要的的課題。一種常用的方式是在制造時將永磁體和電機的齒都傾斜一定的角度，但這樣將造成制造成本的增加，同時產生了新的扭矩擾動-換向轉矩；另外一種方式是合理的匹配電機的極數和槽數。研究表明這種方式將大大降低齒槽轉矩。

6 降低電機的損耗

永磁電機的損耗可以分為三類：銅耗、鐵耗、機械損耗。銅耗是由定子繞組線圈的電阻產生，它也是電機主要的損耗之一；因此，電機功率負載的增加也主要受制于銅耗；鐵耗是由定子中的渦流產生，通常通過采用疊片結構的定子可以有效的降低鐵耗。對高轉速的永磁電機來說，永磁體中由定子產生的渦流可能導致永磁體溫度的升高，進而引發退磁的風險，因此設法降低此類現象的發生是一個必要的問題；一種有效的方式是將永磁體分段，由此可以使定子的電流更加趨向于正弦曲線，降低諧波進而降低渦流。

7 優化電機轉矩-轉動慣量比

轉動慣量通常代表著改變電機轉子角速度的困難程度。在例如電動汽車應用等許多日常實踐中，轉子的轉動慣量越小，電機的動態性能就越高。電機的性能系數（PR），反映了電機轉矩和轉動慣性的關系，也被稱為“轉矩-慣性比”，可以用如下公式來定義：

PR=（Torque（mean）-11000*inertia）

PR：電機的性能系數；Torque（mean）：電機的平均扭矩；Inertia：電機的轉動慣性。

通過上述公式可以看出，要提高電機的性能，就要盡可能優化電機的性能系數，即提高扭矩，減小轉動慣量。

由于轉矩的大小取決于電樞電流，我們通常采用增加電樞電流來增加轉矩。降低轉子轉動慣量的方式有很多，其中一種方法是通過降低轉子的直徑（直徑越大，轉動慣量越大），或者減小轉子的質量；我們可以通過將轉子內部做成鏤空式來達到上述目的，如圖3所示。

8 結語

永磁電機較傳統的繞組電機有著高可靠性、高效率和高功率等優點，但是由于使用了昂貴的稀土材料它的造價也較傳統的電機高昂，永磁體內嵌式永磁電機較永磁體表面布置式永磁電機更適合于高轉速的工況，同時其制造成本也更加經濟；通過合理的選擇電機和槽能夠有效的降低齒槽轉矩、諧波和噪聲；通過優化轉矩-轉動慣量系數，電機的動態性能能夠得到進一步的提升。endprint