现代永磁电机技术研究与应用开发

孙瑞杰 郑 永 郭海成

（包头长安永磁电机有限公司，包头 014030）

在现代社会建设发展中，不论从哪个角度说，电机技术都是一项关键的技术内容。电力通过电机转化为实际生产生活中所需的动力，从而充分体现电力的价值。现代永磁电机技术是对传统电机技术的升级和完善，能够实现电机运转效率和质量的根本性提升。尤其是在一些精细化的应用场合，只有进一步优化和完善现代永磁电机技术，才能满足高端需求的标准。数字化控制等方法的引入，进一步强化了永磁电机的性能和功能。

1 现代永磁电机技术概述

现实需求已经成为现代永磁电机技术持续获得发展的最直接动力。传统电机技术无论是研究还是具体应用都已非常成熟。在一些高端应用领域，如风力发电、混合动力汽车等领域，都在更高性能和技术标准的电机技术方面具有巨大的需求空间，要求电机具有高密度、小型化、轻型化以及高可靠性，同时要严格控制电机的研制成本。要实现上述性能指标，电机必须从多个技术方面进行研发创新，包括电机结构、电磁力学性能、热处理、电力电子器件以及励磁电流控制等。通过对这些方面内容进行全面系统分析并平衡各方面设计应用需求，才能实现设计的基本目标。

基于这一需求，现代永磁电机技术需要将多磁场分析和电磁系统仿真作为设计的基础，通过引入计算机仿真设计以及相关的模拟平台为基本方法和手段，有效仿真电机工作状态和控制方法，实现整个电机运转设计的精细化处理。同时，要结合不同永磁电机应用需要对其结构和运转性能进行深入思考和创新设计，推动永磁电机技术在性能和功能创新方面获得更大突破。

2 现代永磁电机技术研究与应用开发

现代永磁电机设计技术和应用方式已经与传统电机设计和应用有了本质上的差异，最主要原因是设计技术以及应用精细化程度的巨大变化使得现代永磁电机技术能够与其他技术形成整合作用，从而促进社会发展。

2.1 现代永磁电机设计方法

研究永磁电机技术将多物理场作为设计基础进行分析，其设计中将系统仿真平台建设和应用作为整个设计的工具保障，满足电力或混合动力的各种电机研发要求，同时要兼顾电机内部各配件小型化和轻型化的现实要求。这对电机的设计提出了非常高的要求，设计实现难度显著增加。为达到上述目标，现代永磁电机设计采用完全不同于传统电机的设计方法。该设计方法实现了多目标和多极限优化，对永磁电机的电力学、热学、电磁学、设备结构、电力电子设计以及系统控制等方面进行仿真，并整合需求获得最优化方案。

整个设计必须高度重视平衡基速点的作用，并清楚界定电机最高转速点系统运行性能，使得设计的功能和性能与实际应用更加契合，达到运行的稳定性和持续性。具体来说，整个设计可大致按3 个步骤进行[1]。

一是永磁电机系统设计。系统设计要确定整个永磁电机系统的设计目标，进而选择电机系统针对性的关键设计技术，并充分明确整个系统的功能作用、性能参数标准，比较各种实现方案，从中选择最优方案。因此，必须重点分析电机拓扑结构，依据对其拓扑结构的分析来决定和分析合适的电机基速点，再利用最高转速点进行综合分析，包括发热情况和设备结构的潜在影响，最终获得电机仿真结构。

二是永磁电机场分析。该设计任务是要对永磁电机内部的各种物理场进行模拟仿真，包括电机设备内部的各种电磁场、力场、温差形成的场等，计算电机以及附属驱动电路之间的电磁性能，并利用耦合仿真方式进行相关参数较为精确的计算。整个仿真的重点不仅包括电机的电磁性能，还包含力学、热学等重要性能。通过较为精确的计算，使得最终设计能够达到良好的性能表现。

三是电机系统设计。基于前述的分析和仿真，已经具备了进行系统设计的基本条件，在此条件下可以进一步完成整个系统的设计工作。实际设计中，要充分考虑制造技术和成本控制等现实问题，使设计成品不但可以满足技术层面的要求，而且在实用性和经济性等多个方面也能达到更加理想的状态。

2.2 永磁电机励磁方式

永磁电机励磁方式可归纳为3 种模式。

2.2.1 直流发电机供电励磁方式

这种励磁方式的励磁机通常与发电机同轴，励磁绕组利用滑环和电刷从励磁机接收电流。该方式励磁电流独立，运行可靠，耗电量低，但进行励磁调节较慢，运维难度相对较大。

2.2.2 交流励磁机供电励磁方式

交流励磁机输出电流经整流后作为励磁电流。该励磁方式是典型的他励磁方式，系统中交流副励磁机产生励磁电流。为优化励磁调节速度，交流副励磁机主要采用中频发电机设计。直流和交流绕组均位于定子槽内，转子没有电刷、滑环等部件，结构简单，运行稳定，制造工艺方便，但噪声较大，交流谐波分量大[2]。

2.2.3 无励磁机励磁方式

无励磁机励磁设计中系统没有励磁机，发电机提供必要的励磁电源，通过整流变为励磁电流。它的工作方式主要包括自并励和自复励两种。两种模式都可以对系统的工作状态产生积极影响。

2.3 永磁电机研究与开发

从目前来看，永磁电机的相关研究、开发与利用方兴未艾，而设计新技术的不断推陈出新使得整个开发设计效率和质量都得到了显著提升。永磁电机技术的完善和发展带动了相关产业的进步，而永磁电机设计和应用空间也获得了持续拓展。就现在的技术发展而言，几个永磁电机技术是非常有前景的发展方向，下面将分别进行详细说明。

2.3.1 无刷永磁同步电机

无刷永磁同步电机是目前研究和应用开发较多的一种永磁同步电机。该电机通过对永磁转矩叠加磁阻转矩，可以显著增强电机的功率输出能力和承载电压能力，因此也可以称作混台转矩电机。在实际设计中，无刷永磁同步电机没有电刷，使得在弱磁条件下进行电机调速也非常便捷，且恒功率区间也能够达到更高的水平。该电机应用设计对转子的空间结构有较高要求，在实际设计中必须给予充分关注。考虑到无刷同步电机自身的性能和功能特征情况，对于宽调速驱动系统，该类型电机有很好的应用空间。

2.3.2 混合励磁同步电机

混合励磁同步电机属于一种新型的同步电机类型，如图1 所示。所谓混合励磁是在永磁电机设计中同时赋予电机电励磁和永磁励磁两种励磁方式[3]。两种励磁方式混合形成整合励磁作用效果，能够最大限度降低励磁消耗，使得电机运转效率更优。

从目前研究和应用情况看，混合励磁同步电机可以大致分为混合励磁转子磁极同步电机、混合励磁组合转子同步电机和混合励磁变磁极同步电机3 种类型。3 种电机基本设计原理相同，只是电机结构在设计上有所区别。

2.3.3 双馈电混合并联磁路无刷永磁电机

双馈电混合并联磁路无刷永磁电机在设计中将其磁场设置成为两种结构方式，即轴向的磁场模式和径向的磁场模式[4]。鉴于此，电机转子采用两段磁路设计，分别为永磁体和铁芯作为转子的磁极。电机的定子内部装设有多相交流绕组，主绕组采用永磁体和铁芯作为磁极，称磁场控制绕组直接采用铁芯磁极。上述结构可以对电机主电枢线组的感应电动势和铁芯磁极磁通进行有效控制，并达到快速便捷的 控制效果。

2.3.4 旁路式励磁永磁电机

旁路式励磁电机设计有自己的结构特点，如图2所示，主要包括机壳、端盖、励磁绕组、定子和转子5 个部分[5]，其中端壳和励磁绕组都是两套。励磁绕组采用直流工作方式，且转子磁极由永磁极和铁磁转子磁极构成，机壳等部位的制造选择导磁材料，转轴择选用非铁磁材料。利用上述设计，电机的旁路磁通控制可以通过调整直流励磁电流的方式实现，主要的应用优势体现在对电机磁通和感应电动势调节的便捷性方面，同时可以防止发生磁钢去磁问题。

3 结语

现代永磁电机技术作为一种重要的技术种类，在工业生产及生活领域占有重要位置，其研究和应用开发也得到了业界的极大关注。目前，现代永磁电机技术已经发展到一个比较高的水平，其技术为满足实际应用更加专业化，在性能、功能以及成本控制等方面取得了长足进步。随着计算机模拟仿真技术在设计领域的深度使用，现代永磁电机的研发和应用有了质的飞越，由需求推动研发的趋势更加明显。我国作为制造业大国，正处于从中国制造向中国创造转型，因此现代永磁电机技术的研究和开发意义重大。