调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析
1 引言
与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。
随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。
本文使用Ansoft Maxwell软件中的RMxprt模块进行了一种调速永磁同步电动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行了瞬态特性分析。
2 调速永磁同步电动机的电磁设计
2.1 额定数据和技术要求
调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高永磁同步电动机的效率、功率因数、起动转矩和最大转矩。本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下：
额定数据
数值
额定功率
相数
额定线电压
额定频率
极对数
额定效率
额定功率因数
绝缘等级
B级
计算额定数据：
(1) 额定相电压：
(2) 额定相电流：
(3) 同步转速：
(4) 额定转矩：
2.2 主要尺寸和气隙长度的确定
永磁电机的主要尺寸包括定子内径和定子铁心有效长度，它们可由如下公式估算得到：
                           
，
式中，为定子内径，为定子铁心长度，为计算功率，为电机常数。为额定负载时感应电势与端电压的比值，本例取0.96；为计算极弧系数，初选0.8；为气隙磁场的波形系数，当气隙磁场为正弦分布时等于1.11；为电枢的绕组系数，初选0.92。为电机的线负荷，为气隙磁密，和的选择非常重要，直接影响电机的参数和性能，应从电机的综合技术经济指标出发来选取最合适的和值，本例初选为。
由上式可初步确定电机的，但要想进一步确定和各自的值，还应选择主要尺寸比，其中为极距。通常，中小型同步电动机的，一般级数越多，也越大，本例初选1.4。
永磁同步电动机的气隙长度一般要比同规格的感应电动机的气隙大，主要是因为适当的增加气隙长度可以在一定的程度上减小永磁同步电动机过大的杂散损耗，减低电动机的振动与噪声和便于电动机的装配。所以设计永磁同步电动机的气隙长度时,可以参照相近的感应电动机的气隙长度并加以适当的修改。本例取。
确定电动机定子外径时，一般是在保证电动机足够散热能力的前提下，视具体情况为提高电动机效率而加大定子外径还是为降低成本而减小定子外径。
2.3 定子铁心与绕组的设计
(1)定子槽数的选择
当相数和极数确定时，定子的槽数取决于每极每相槽数，的值对电机的参数、附加损耗、温升及绝缘材料消耗量等都有影响。一般在2~6之间选取并尽量取整数，对于极数少、功率大的电机，取大值；对于极数多的电机，取小值。本例取=4。
(2)定子绕组的设计
与感应电机一样，永磁同步电动机使用的绕组型式有单层绕组、双层绕组和正弦绕组等。这些绕组型式各有其优缺点和适用场合。本次设计的调速永磁同步电动机的绕组是双层叠绕组,定子Y接。此外采用双层短距分布绕组可以避免电动机绕组中产生环流并可以削弱电动势谐波，定子绕组Y接则可以大大减小电动机的杂散损耗，使定子电流中不含3次和3次倍数的谐波，定子电流中亦不含偶次谐波。
2.4 永磁体的设计
(1)转子磁路结构设计
永磁同步电动机的转子磁路结构是按照永磁体在转子上位置的不同来分类的，永磁体一般有三种排布方式:表面式、内置式和爪极式。而内置式转子结构按永磁体磁化方向与转子旋
转方向的关系又可以分为径向式、切向式和混合式三种结构。转子磁路结构的不同会使得电动机的运行性能、制造工艺和运行场合也不同。本例采用的是内置切向式转子磁路结构，其在一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供的，能够获得更大的每极磁通，非常适合多级电机。但漏磁系数较大，因此需要有相应的隔磁措施。
(2)永磁体选择
一般常用的永磁材料包括铝镍钻永磁材料、铁氧体永磁材料以及稀土类永磁材料，但应用于调速永磁同步电动机的永磁材料只有稀土磁体，即汝铁硼永磁体和钐钴永磁体。本例采用的是NTP-288M的永磁体，时，剩磁为，
矫顽力为。计算剩磁密度，式中的可逆温度系数，的不可逆损失率，预计永磁体工作温度。
(3)永磁体设计
永磁体的主要尺寸有三个:永磁体的轴向长度、磁化方向长度和宽度。永磁体的尺寸除了影响电动机的性能外，还影响着电动机中的空载漏磁系数，也决定着永磁体的利用率。实验证明，永磁体尺寸越大，空载漏磁系数越小。一般来说，永磁体的轴向长度就取电动机铁心的轴向长度，因此只需要设计其他两个永磁体的尺寸和。通常来讲，的长度设计不能超过的长度；设计应使永磁体工作在最佳工作点，因为永磁体的最佳工作点更大程度上取决于永磁体的磁化方向长度。
对于内置切向式转子磁路结构，其永磁体尺寸的估算公式为：
式中，为电动机的饱和系数，其值为1.05~1.3；
  为与转子磁路有关的系数，其值为0.7~1.2；
  为永磁体的空载工作点，即空载时磁感应强度的标幺值，一般取  0.60~0.85；
  为空载漏磁系数，是空载时的总磁通与主磁通之比，本例取1.2；
  为气隙磁密基波幅值，；
xujiao  为气隙磁通的波形系数，即电机基波磁通与气隙总磁通之比，本例初选0.9。
3 模型建立和仿真计算
3.1 RMxprt电磁和结构设计
根据上述电磁设计部分得到的调速永磁同步电动机的参数，在Ansoft Maxwell的RMxprt模块中建立电机模型，如图1所示，并设定样机的仿真参数。仿真参数的设定至关重要，这意味着将要计算前面建立的电机模型在该状态下的工况，一般是将额定工作状态设定为分析对象。设定完仿真参数，在确认无误的情况下，软件就会对电机进行求解计算。RMxprt电机分析模块是基于等效电路和磁路的方法对电机进行计算的。最终计算清单见附录1，其列出了所有输入数据和计算结果。