低成本集成式永磁同步电机的研制

张 雄 韩 凯 王兴宇

（包头长安永磁电机有限公司，包头 014030）

永磁同步电机的研发对于很多应用领域都有巨大的影响，尤其是集成式永磁同步电机。因为它可以更加有效地控制生产成本和运营成本，使得应用价值更加卓著，也是相关电机研发单位和企业重点关注的领域。它的应用领域遍及各个产业和生活领域，是低成本集成式永磁同步电机得到充分研发的主要原因。为更加有效地推动整个低成本集成式永磁同步电机的研发工作，需要对整个研发细节和技术内容进行细致分析，对类似研究工作具有有益的借鉴价值。

1 集成式永磁同步电机概述

集成式永磁同步电机相比传统电机优势明显，最主要的优点可归纳为3 个方面[1]。一是电机体积较小，整机结构相对简单。这个特点与永磁同步电机的集成式设计有直接关系，通过对各功能模块进行集成，使得电机控制和运转更加便捷。永磁电机体积较小，对电机内部空间需求就小，缩小了电机尺寸，促使电机的适用领域更加广阔。集成式永磁电机虽然在尺寸上大幅减小，但并没有牺牲动力性能，使得其尺寸较小的优势进一步凸显出来。二是运行效率高。运转效率是电机最重要的性能指标。运行效率越高，在输入功率一定的情况下，电机的输出功率就越大。只有满足这一基本要求，才算得上是实现了电机的整体性能优化。究其根源，这一功能的实现主要在于集成式设计能够简化励磁电流控制过程，提升电机的感应速度，且对较小的励磁电流能够快速反应，使得整个电机的工作速度达到了较高的标准。三是功率因数高。功率因数高，则电机的能耗相对来说会更低，即能量转换效率更高的一个正常反映。而能耗过大不仅会造成电机的整体运转效能下降，而且会导致电机工作中产生大量的热能。这些热能如果不及时散发出去，会造成电机性能下降和老化严重等一系列问题。集成式永磁电机之所以能够表现出高功率因数的性能优势，主要是因为集成式永磁同步电机通过简化电机控制单元最大程度简化了耗能部分，使得功率转化效率更高。集成式永磁同步电机通过电路集成将一些逻辑电路和智能控制功能进行了有效整合，使得整个成本被有效控制在较低水平。

基于上述3 个性能优势，考虑其在设计、制造以及应用等方面的低成本和便捷性等显著特点，结合其更加简单的内部结构和工作模式，电机的检修和维护变得便捷。这些显著的优势使得集成式永磁同步电机在相关产业内普遍受到好评，为其研发和投资提供了支撑。低成本集成式永磁同步电机在各个领域的应用非常广泛，并在包括冶金、陶瓷、橡胶、石油以及纺织等行业和产业中占有非常重要的位置，尤其是在中、低压电动机的应用领域如设计与运行方面，应用优势明显，受到了厂家和用户的高度关注。我国在集成式永磁同步电机的研制方面虽然起步较晚，但发展速度很快。借助强大的市场需求优势，我国在一些关键性的技术领域取得了一些突破。作为制造业大国，集成式永磁同步电机是非常重要的技术突破口，应该在设计研发和应用等领域加强投入，不断取得进步。

2 低成本集成式永磁同步电机的研制分析

低成本集成式永磁同步电机的设计被业界高度关注，这与其应用领域的普遍性和广泛性有直接关系。集成式永磁同步电机采用集成式设计方式，使得很多部件和功能单元都被整合成模块固化在电机系统内部，因此具有较强的竞争优势，而低成本无疑是其中最突出的竞争力[2]。分析低成本集成式永磁同步电机的研制等内容，对于其研发工作以及相关产品的研发有一定的帮助。

2.1 集成式永磁同步电机设计原理

在集成式永磁同步电机中，一般多采用单匝绕组方式，样机如图1 所示。这是因为绕组数量决定了反电动势数值，电机绕组匝数少可以降低反电动势数值，显著提升同步电机的性能。但是，该设计需要解决一个比较现实的问题，即永磁同步电机因为匝数过少造成其电感值相对较小，使得绕组线圈中存在较大的谐波，会破坏电机转矩的稳定性，导致其波动性较大，大大增加了电机运行中的控制难度[3]。采用电感集成的方式对同步电机进行绕组的优化设计可以有效滤除绕组谐波，显著改善电机性能。

采用电感集成方式设计的永磁同步电机的定子在设计中集成了附加电感，在转子部分则设计了与之配套的双层永磁阵列，原理如图2 所示。定子附加的集成式电感能够有效消除电流谐波。对于永磁同步电机而言，它的气隙磁场的理想运转条件是正弦分布状态，可以在电机内部形成有效的正弦波形反电势。利用永磁阵列气隙磁场可以促进形成更高质量的基波幅值，也能够充分保证其正弦函数的波形状态，并最终体现在永磁同步电机在功率密度和转矩稳定性方面具有优势。这也是永磁同步电机设计中广泛采用集成式电感设计的一个重要原因。

2.2 低成本集成式永磁同步电机研制课题重点及技术难点

在低成本永磁同步电机的研制过程中，需要充分理解和把握几个关键的技术难点。这些问题的解决决定了电机的整体性能，也是整个研制工作成功与否的关键指标。具体来说，可以从4 个方面对这些技术重难点问题进行系统分析。

2.2.1 气隙磁场优化分析

永磁同步电机的性能取决于很多影响因素，而气隙磁密度是一个非常关键的指标。为达到更好的工作状态，保持持续的运转稳定性，需要有效控制电机气隙磁场密度的波形，包括其幅值和波形的正弦函数特点都要达到较高水平，以保证电机形成良好的反电势状态[4]。对永磁同步电机的气隙磁场进行优化，是整个研制工作中非常关键的一环，也是一个重要的技术难题。它的设计不但要利用传统设计的经验，还需要引入计算机仿真设计等工具，力争相关参数和性能指标达到最佳状态。实际设计中，对该问题的解决主要通过对永磁体进行仿真优化实现，包括基于仿真设计优化永磁体的形状、段数以及磁方向等，使得电机结构能够满足更复杂的磁场工作环境，并在各方面性能上有良好表现。通过仿真设计优化电机气隙磁密波形，会增加关键部件结构设计和制造的复杂度，包括永磁体和转子等部件的加工及安装，因此会加大难度，须在实际设计中充分考虑。

2.2.2 抑制集成式永磁同步电机电流谐波分析

集成式永磁同步电机为降低反电动势的负面影响，在设计中尽量减小绕组的匝数。这种设计的直接结果是集成式永磁同步电机绕组电感相比其他种类的同步电机更小。同时，整个设计工作还要重点考虑集成式永磁同步电机更长的气隙空间，使得电感趋于变小。对于集成式永磁同步电机来说，过小的电感在电机驱动时会在绕组中形成很多复杂的高次谐波。这些电磁波会干扰到电机的正常运转，导致电机稳定性严重下降和电流损耗显著增加。

就我国目前的集成式永磁同步电机研制的技术手段而言，永磁同步电机中定子电流谐波抑制方法普遍采用串联电感的设计形式，或者可以根据需要对驱动电路进行系统优化。但是，将电感串联到同步电机系统内会造成系统原件增加，增加制造成本，降低设备空间利用率。而对永磁同步电机的驱动电路板进行改进需要非常复杂的设计，并需要考虑更多的影响因素，会导致整个设计过程难度不断增加。

2.2.3 集成式永磁同步电机损耗分析

集成式永磁同步电机需要重点解决其损耗问题。集成式设计之所以能够得到充分应用，一个最重要的原因是其在能耗控制和电能转换中具有明显优势。对于集成式永磁同步电机而言，它在正常工作状态下基频普遍较高，是整个电机工作中产生较多电能损耗的主要原因，具体体现在铜耗、铁耗以及涡流损耗等方面[5]。因为电机能耗的构成较为复杂，所以其计算也会比较麻烦。在相关研究中，对集成式永磁同步电机的损耗计算也是获得较多关注的课题，而计算方法的针对性和准确性需要针对具体的设计对象而言。集成式永磁同步电机的损耗分析需要针对具体的电机设计和结构进行具体分析，其中整个计算流程的设计也要按照具体要求和实际情况进行。

2.2.4 集成式永磁同步电机的冷却结构分析

集成式永磁同步电机能够有效控制成本，一方面是因为其在结构设计中更加简单，另一方面其设备体积较小。集成式永磁同步电机功率密度非常高，必然会使电机温升问题比较严重。工作时间一长会产生大量热，并有可能造成定子绕组中工作状态不稳定，迅速降低了绝缘体性能，而转子也会因为电机内积聚大量热减弱永磁体的磁性，严重时甚至磁性归零，致使电机发生故障。基于上述原因，在集成式永磁同步电机的设计中要引入冷却结构，及时排解工作过程中形成的大量热能。冷却结构设计在集成式永磁同步电机中是必不可少的部分。考虑到绕组对整个内部空间的影响，集成式永磁同步电机的冷却结构可以从机壳等环节进行系统设计，利用各种条件挖掘冷却系统发挥最佳效果的途径。

3 结语

永磁同步电机在当今社会各个领域得到了广泛应用，尤其是集成式永磁同步电机，在设计中将很多功能进行集成化处理。资源整合不但简化了电机结构，而且在功耗和性能优化方面也有较大改善。低成本集成式永磁同步电机借助集成式设计可以大幅降低研制成本，包括运维等环节的成本控制，可以为应用单位带来较高的经济效益。可见，高质量集成式永磁同步电机的研制是一个非常重要的课题，其应用领域的拓展也将为未来发展奠定坚实的基础。