【设计】永磁同步电动机设计特点

来源：高效电机制造着

永磁同步电动机是交流感应电动机的一个日益增长的替代品，几十年来，交流感应电动机几乎一直是所有电机应用的主力军。保持了交流感应电机的可靠性和简单性，同时提供了更高的效率、同步运行和使用更小框架尺寸的机会。用永磁体（通常由稀土金属合金制成）代替转子导体中感应的磁场，使其电阻损耗比交流感应电机低得多，因为转子中没有感应电流。为了代替机械换向，需要一个控制系统来确定向哪些线圈提供电流以产生最大扭矩。稀土永磁交流电动机产生的磁场可以提供与交流感应电动机相同的转矩，而交流感应电动机的电机更小、更轻。

电机设计过程涉及一些基本考虑因素，对于启动器，应用环境的要求，什么时候需要什么扭矩和速度，多久需要一次？什么是工作循环？温度和压力等环境条件是什么？即使是最高效的电机，如果电机应用错误的领域，其不会发挥最大的效率。许多电动机都用于齿轮电动机、齿轮减速器和电动机的组合。齿轮马达以低速提供高扭矩，简言之，齿轮电机在放大扭矩的同时，会吸收电机功率并降低转速，齿轮电机占空比会影响电机的性能额定值，例如连续的占空比。

一个冷却较好的马达运转效率更高，为了获得最佳的气流，优化了冷却风扇和风扇罩的设计，确保定子和电机外壳之间的紧密结合提供最佳的冷却性能。电机的电效率提高了很多，但冷却风扇的功率占总损耗的比例更大。冷却风扇尺寸的优化包括使用风扇的最小功率，同时提供足够的冷却。优化的风扇设计可使风扇功率需求降低65%，一个重要的设计特点是叶片和壳体之间的间隙。外壳和风扇叶片之间的空间应尽可能小，以防止湍流和减少回流。

滚珠或滚柱轴承用于高效电机，它们由一个内外圈和一个包含钢或陶瓷辊或球的保持架组成。外圈与定子相连，内圈与转子相连。当轴旋转时，元件也旋转，并且轴旋转的摩擦力最小化。它们使用寿命长，维护成本低。高精度应用允许最小的气隙。热收缩和热膨胀会影响轴和轴承座的配合以及内部轴承间隙 。功率输出控制轴尺寸和轴承孔。载荷大小和方向决定轴承尺寸和类型。考虑额外的力，如引起磁力拉力的不对称气隙、失衡力、齿轮的节距误差和推力载荷。对于轴承载荷计算，将轴视为支撑在刚性无力矩支架上的梁。滚珠轴承比滚子轴承更适合高速应用。高速因素包括保持架设计、润滑剂、运行精度、间隙、共振频率和平衡。轴承需要最小的负载，因此滚动元件旋转形成润滑膜而不是滑动，这会提高工作温度并降解润滑油。允许最小载荷等于滚珠轴承动态径向载荷额定值的0.01倍。当轴承接近推荐额定值的70%时，这一点尤为重要。了解环境温度范围和正常工作温度范围将有助于确定轴承最有效的润滑方法：润滑油或润滑脂，一般情况下考虑的齿轮电机的正常工作温度范围为-25至40°C。合成润滑脂在各种温度范围内具有良好的性能，润滑脂可以简化维护、清洁、减少泄漏和污染保护。

当轴心与旋转轴不共存时，会产生噪声和振动，平衡对效率的影响有限，但会影响运行噪音和预期寿命，这对最大限度地利用资源也很重要。轴承振动读数通常在垂直、水平和轴向三个平面上读取。垂直振动可能表明存在安装问题，水平振动可能意味着平衡问题，而轴向振动可能意味着轴承问题。工作转速下的平衡很重要，因为轴承的向心力也可能导致不平衡。

具有高性能永磁的同步电机具有正弦磁通分布和电动势，对于分布式绕组，定子绕组通常与异步电机绕组相同，它降低了振动、噪音和维护成本，提高了整体性能。

电机中使用了钕、稀土、钐钴磁铁或铁氧体（陶瓷）磁铁，稀土磁铁的强度是铁氧体或陶瓷永磁体的两到三倍，但价格较贵。钐钴磁铁是高温应用的最佳选择，因为它们具有高能量密度、250至550°C的耐温性、温度升高导致的参数小幅度降低以及氧化保护，选择钐钴或钕作为电机磁铁是根据工作温度、耐腐蚀性和要求的性能。如果加热到80℃以上，低等级的钕磁铁可能开始失去“强度”，高等级的钕磁铁在220℃以下的温度下工作。铁氧体或陶瓷磁铁由于其很强的电阻而得到广泛的认可，退磁性好，耐腐蚀性强，价格低廉。在250°C以上的温度下工作时会发生磁损耗，但当磁铁降到较低的温度时会恢复磁损耗。除非电路设计用于极端情况，否则-40°C的低温可能会导致永磁强度的永久损失。

逆变器驱动单元在空载运行/静止状态下可以无损耗，通过替换现有的线路供电的三相驱动装置，预计可以节省高达30%的能源。驱动装置的特点使其非常适合驱动连续运行的泵和风扇。不需要额外的组件，比如编码器。高达25%的占地面积允许机器设计更紧凑。电机具有良好的控制性能，并与无传感器驱动控制器单元相结合，即使在低速下也具有出色的真实运行性能，在脉冲负载和速度变化时具有令人印象深刻的动态特性。

驱动器可以“自我检测”并跟踪转子的永磁位置。这对于电机平稳启动至关重要，同时也允许产生最佳扭矩，从而获得最佳效率。缺少位置或速度传感器降低了成本，提高了驱动系统的可靠性。随着效率的不断提高，对特定电机的控制器设置进行编程以获得最佳效率的重要性越来越重要。

在机器制造过程中选择合作伙伴时，请记住有两种选择电动机电源的方法，要么选择一个可能或可能不适合特定应用的标准电机，要么选择一个合格的电机合作伙伴来设计和制造一个完全适合应用的电机。如果设计工程师没有时间或工程资源来设计自定义版本，或者如果需要快速设置，标准电机解决方案是合适的。新的模块化设计和建造方法使制造工程师能够获得价格合理的定制电机，即使是在数量有限的情况下。无论选择电机的方法如何，都要通过将性能预测与测量结果进行比较，不断改进设计/驱动系统。