692 两种内置式转子结构电抗参数的研究

电机参数对永磁同步发电机电流谐波的影响发布时间：2021-05-28T01:51:15.134Z 来源：《中国电业》（发电）》2021年第4期作者：吴刚[导读] 永磁同步发电机具有结构简单，功率密度高、效率高等优点，在新能源发电和电力驱动领域得到了广泛应用。

淮南平圩发电公司安徽省淮南市 232033摘要：永磁同步发电机具有结构简单，功率密度高、效率高等优点，在新能源发电和电力驱动领域得到了广泛应用。

定子电流谐波是影响发电机性能的一个重要性能指标，本文从电机本体出发，利用Ansys软件建立了表贴式和内置式两种转子类型的电机有限元模型，并在上述基础上分析了永磁同步电机不同转子结构和永磁体厚度对电感参数的影响进而结合仿真分析了电机参数对永磁同步电机电流谐波的影响。

关键词：永磁同步发电机；电机参数；谐波永磁同步发电系统中发电机内部磁场主要包括两个部分：一部分是与电机转子同步旋转的主磁场；另一部分是电机内不与转子同步旋转的磁场即谐波磁场。

产生谐波磁场的因素有：电机铁心开槽引起的气隙磁导不均匀而产生的齿谐波存在的磁场；PWM变流器调制使定子电流含有时间谐波而产生的磁场；定子绕组空间分布不均匀产生的空间谐波磁场。

对于传统的永磁同步电机，常常忽略谐波磁场，在可控永磁同步发电系统中，尤其是对于频率较高的电机，其内部常常含有一系列的高频谐波分量，在电机内产生谐波损耗，温度升高导致发电机性能下降，影响发电效率，严重时损坏整个系统。

因此，对可控永磁同步发电系统中的谐波进行分析和抑制显得尤为重要。

一、谐波的危害PWM变流器的应用，为电力电子装置在提高效率和可靠性、减小体积和重量、节省材料、降低成本等各方面提供了有利的条件，并为机电一体化、智能化奠定了坚实的基础。

随着PWM变流器应用的日益广泛，也使得电力电子装置成为最大的干扰源。

由于受控制技术及开关频率的限制，其输出的电压电流波形中谐波含量较高，主要是由各种电力电子装置、变压器等产生的，由此带来的谐波污染问题也日渐加重[1]。

永磁同步电动机转子部分的结构分析与研究摘要：永磁同步电机具有许多优点，是未来最具应用前景的电机之一。

本文介绍了永磁同步电机的特点和工作原理，全面剖析了永磁同步电机转子部分的结构，并提出了一些优化思路。

关键词：永磁同步电机；转子；结构分析；优化随着我国制造业的发展，电子工业也得到了快速的进步，作为装备制造业的核心关键技术，高质量的电动机系统成为人们关注的重要焦点之一。

电机的综合性能可以直接影响弊端装备制造的效率和产品质量，而永磁同步电机（Permanent-Magnet Synchronous Motor, PMSM）相对于传统的电机系统具有诸多优点，是未来最具使用前景的电机之一。

本文主要研究永磁同步电机的转子结构和优化问题。

1永磁同步电机概述1.1永磁同步电机的特点所谓“永磁”是指电机转子部分是采用永磁体为原料制造的，这是对传统电机结构的一种优化，使电机综合性能得到了进一步的提升。

而所谓“同步”是指转子转速恰好等于定子绕组的电流频率，通过改变输入定子绕组的电流频率来达到控制电机转速的目的。

与传统的电机相比，永磁电机具有体积小、重量轻、功率高、转矩大、结构简单等优点，尤其是在功率/质量比、极限转速、制动性能等方面的性能提升更是十分明显。

随着各种新技术、新工艺和新材料的出现，永磁同步电机的励磁方式也在持续发展和优化，目前已经可以实现励磁装置的自适应最佳调节。

永磁同步电机非常适用于要求连续的、均速的、单方向运行的机械设备，如风机、泵、压缩机、普通机床等，因而在工业、农业等领域均有着广泛的应用。

1.2永磁同步电机的工作原理在传统的交流异步电机中，首先要求定子的旋转磁场在转子绕组中感应出电流，然后再由这些感应电流产生转子磁场。

根据楞次定律，转子始终保持着跟随定子旋转磁场转动的状态，但其速度总会慢一些，因而被形象地称为“异步”电机。

现在假设转子绕组电流不是由定子旋转磁场感应出来的，而是其本身提供的，那么显然转子磁场就和定子旋转磁场没有什么关系了。

工程技术DOI：10.16660/ki.1674-098X.2011-5640-6249内置式高速永磁电机转子强度分析赵亮（国能宝日希勒能源有限公司 内蒙古呼伦贝尔 021500）摘 要：内置式高速永磁电机转子在高速运行时，因受到巨大离心力的作用，极易受到损坏。

针对该问题借助有限元软件对“一”字型径向充磁内置式永磁电机转子进行了强度仿真分析。

提出了一种永磁体“一”字型分段内置式转子结构，通过计算不同加强筋数量时转子所受的最大应力，总结出加强筋数量对转子机械性能的影响规律，通过结果对比得出永磁体周向分段结构能有效减小转子所受应力的最大值，对高速内置式永磁转子设计具有一定的指导意义。

关键词：内置式永磁电机 强度分析 加强筋 有限元分析中图分类号：TM355 文献标识码：A文章编号：1674-098X(2021)05(a)-0055-04Mechanical Strength Analysis of High Speed Interior PermanentMagnet Synchronous MotorZHAO Liang(Guoneng Baorixile Energy Corporation, Hulunbeier, Inner Mongolia Autonomous Region, 021500 China)Abstract : The rotor of the interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) is easily damaged due to the huge centrifugal force during high-speed operation. In order to solve this problem, the strength analysis of the rotor of the IPMSM with radial magnetization is carried out by the f inite element analysis. In this paper, a "一" shaped segmented interior permanent magnet rotor structure is proposed. By calculating the maximum stress of the rotor with different number of stiffeners, the inf luence of the number of stiffeners on the mechanical properties of the rotor is summarized. Through the comparison of the results, it is concluded that the circumferential segmented structure of permanent magnet can effectively reduce the maximum stress on the rotor, which has a certain value for the design of high-speed built-in permanent magnet rotor guiding signif icance.Key Words : IPMSM; Strength analysis; Stiffener; Finite element analysis作者简介：赵亮（1972—），女，本科，高级工程师，研究方向为电气自动化。

内置式永磁同步电动机转子结构的优化设计内置式永磁同步电动机具有结构紧凑、效率高、响应速度快等优点，因此在工业和交通领域有着广泛的应用。

在内置式永磁同步电动机中，转子结构的设计对电机的性能和效率具有重要的影响。

本文将从减小电机悬空质量、控制转子高速运转和优化转子磁路等方面，进行内置式永磁同步电动机转子结构的优化设计。

首先，减小电机悬空质量是提高电机性能的一个重要手段。

悬空质量的存在会导致电机的不平衡力矩和振动，降低电机的运行效率和寿命。

因此，在设计内置式永磁同步电动机时，应该尽量降低转子的悬空质量。

一种常见的方法是采用轻量化材料，如铝合金或纤维材料，来替代传统的铁芯结构。

此外，还可以通过优化材料的结构和厚度分布，进一步减小转子的悬空质量。

其次，控制转子高速运转是提高电机效率和输出功率的关键。

在内置式永磁同步电动机中，高速转动的转子会导致离心力和气动阻力的增加，进而影响电机的性能。

因此，在转子结构的设计中，应该考虑控制转子的高速运转。

一种常见的做法是采用平衡技术，通过调整转子的质量分布和几何形状，使得转子在高速旋转时能够保持平衡，减小离心力和气动阻力带来的不利影响。

最后，优化转子磁路是提高电机转矩密度和效率的关键。

在内置式永磁同步电动机中，转子磁路的设计对电机的输出功率和效率具有重要的影响。

一种常见的优化方法是采用磁路形变技术，通过调整转子的磁路形状和铁磁材料的分布，使得转子的磁路能够更好地匹配定子的磁路，提高电机的输出功率和效率。

综上所述，内置式永磁同步电动机转子结构的优化设计需要考虑减小电机悬空质量、控制转子高速运转和优化转子磁路等因素。

这些优化设计可以提高电机的性能和效率，进一步推广内置式永磁同步电动机在工业和交通领域的应用。

单双层绕组内嵌式永磁同步电机径向电磁力波特性分析发布时间：2022-12-28T07:02:30.178Z 来源：《科学与技术》2022年17期作者：于明湖1，张玉秋2 [导读] 内嵌式永磁同步电机具有结构强度好、功率密度高、效率高等特点，但相较于表贴式结构，其磁场谐波含量更丰富，电机径向电磁力波特性更为复杂。

于明湖1，张玉秋2（1. 广东威灵电机制造有限公司，广东顺德 5283332. 华南理工大学电力学院，广东广州 510641）摘要：内嵌式永磁同步电机具有结构强度好、功率密度高、效率高等特点，但相较于表贴式结构，其磁场谐波含量更丰富，电机径向电磁力波特性更为复杂。

本文建立了内嵌式永磁同步电机的径向电磁力波解析模型，对其空载和负载状态下的频率特性和空间阶次特性进行了详细分析。

采用有限元模型和二维FFT分析结合得到了电磁力波的时间谐波分量及空间谐波分量，验证了解析分析的正确性，并证明绕组排布只影响负载时径向电磁力波。

负载时电枢磁场的出现将增加空载时原有电磁力波谐波幅值，且单层绕组较双层绕组将带来更多新的阶次谐波。

实际运行状态下单双层绕组实验样机的电磁振动的多组实验测试结果，充分验证了所分析结论的正确性。

关键词：绕组；内嵌式永磁同步电机；径向电磁力波；有限元中图分类号：TM359.4 文献标识码：A 文章编号：Radial Electromagnetic Force Wave Characteristics Analysis of IPMSM with Single or Double-layer WindingAbstract: Interior permanent-magnet motor (IPMSM) have the advantages of much more compact structure, higher power density, higher efficency, at the same time, it also has richer magnetic field harmonics so the electromagnetic force wave characteristics are more complex. In this paper, the analytical model of radial electromagnetic force wave of IPMSM is established, and its frequency characteristics and spatial order characteristics under no-load and load conditions are analyzed in detail. Using the finite element model and two-dimensional FFT analysis, the time harmonic components and space harmonic components of the electromagnetic force wave are obtained. The analysis verifies the correctness of the analytical analysis, and proves that the winding arrangement only affects the radial electromagnetic force wave under load condition. The appearance of armature magnetic field under load will increase the amplitude of the original harmonic electromagnetic force under no-load, and the single-layer winding will bring more new order harmonics than the double-layer winding. The correctness of the analysis conclusion is fully verified by the multi group experimental test results of electromagnetic vibration of experimental prototype with single or double-layer winding in the actual operation state. Key Word: winding; IPMSM; radial electromagnetic force wave; finite element引言内嵌式永磁同步电机（IPMSM）由于其转子机械强度好，效率高，功率密度高等特点，在诸多工业领域如航空航天，家用电器，工业自动化等领域得以应用。

永磁同步电机（PMSM）的转子结构剖析永磁同步电机的转子包括永磁体、转子铁芯、转轴、轴承等。

具体来说，根据永磁体在转子铁芯中的位置可以分为表面式和内置式PMSM。

其中表面式PMSM转子结构又分为：表贴式和插入式。

内置式PMSM转子磁路结构分为：径向式、切向式和混合式。

一，首先，介绍一下表面式PMSM。

如下图中的PMSM极对数为2，分别为表贴式和内置式。

表贴式内置式在下面的这幅图中已经标出了两种表面式转子的d轴线与q轴线的位置，d轴线与电动机的转子磁极所在的轴线重合，q轴线超前d轴90电角度，即相邻两个磁极的集合中性轴线。

由于在不同转子中的磁极对数不一样，所以q轴与d轴之间的机械角度差时不同的，但是电角度的差都是90度。

接下来说一说这种结构的转子的特点：对于这种表面式的转子结构,永磁体贴在转子圆形铁芯外侧，由于永磁体材料磁导率与气隙磁导率接近，即相对磁导率接近1，其有效气隙长度是气隙和径向永磁体厚度总和；交直轴磁路基本对称，电动机的凸极率ρ=Lq/Ld≈1，所以表面式PMSM是典型的隐极电动机，无凸极效应和磁阻转矩；该类电动机交、直轴磁路的等效气隙都很大，所以电枢反应比较小，弱磁能力较差，其恒功率弱磁运行范围通常较小。

由于永磁体直接暴露在气隙磁场中，因而容易退磁，弱磁能力受到限制。

由于制造工艺简单、成本低，应用较广泛，尤其适宜于方波式永磁电动机。

二，内置式PMSM，顾名思义永磁体埋于转子铁芯内部，其表面与气隙之间有铁磁物质的极靴保护，永磁体受到极靴的保护。

其结构如下图：对于内置式PMSM其q轴的电感大于d轴的电感，有利于弱磁升速，由于永磁体埋于转子铁芯内部，转子结构更加牢固，易于提高电动机高速旋转的安全性。

如图所示内置式PMSM转子磁路结构包括径向式、切向式和混合式。

其中径向式转子磁路如上图第一张，永磁体置于转子的内部，适用于高速运行场合；有效气隙较小，d轴和q轴的电枢反应电抗较大，从而存在较大的弱磁升速空间。

两种内置式转子结构电抗参数的研究
周广旭;林岩;唐任远
【期刊名称】《沈阳工业大学学报》
【年(卷),期】2007(029)002
【摘要】永磁同步电动机电抗参数是电机性能分析和优化设计的重要依据,需对不同转子结构的电抗参数进行分析.在三维电磁场数值计算的基础上,利用Ansoft软件对两种内置式永磁同步电动机的交、直轴电枢反应电抗参数进行计算,在此基础上总结出两种转子结构永磁同步电动机电抗参数随气隙长度和永磁体磁化方向长度的变化规律.试验测试结果与计算结果相吻合.结论表明:该方法能指导转子结构的选择.根据所得的规律,确定转子结构的设计策略.
【总页数】4页(P149-152)
【作者】周广旭;林岩;唐任远
【作者单位】沈阳工业大学,特种电机研究所,沈阳,110023;沈阳工业大学,特种电机研究所,沈阳,110023;沈阳工业大学,特种电机研究所,沈阳,110023
【正文语种】中文
【中图分类】TM351
【相关文献】
1.内置式永磁同步电机电抗参数分析 [J], 周丽君;张卓然
2.两种爪极电机电抗参数基于三维磁场分析的计算 [J], 丁天宇
3.基于耦合电抗的内置式永磁同步电机凸极率及失步转矩算法研究 [J], 张永平;段
小丽;刘慧玲
4.切向内置式高速永磁电动机转子结构优化研究 [J], 王晓光; 赵萌; 文益雪; 向红斌; 王现立
5.内置式永磁同步电机转子结构基于灵敏性研究的优化分析 [J], 蔡锋宾;林启芳;刘伟
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周向双层绕组永磁式发电机电抗参数的计算温嘉斌;任艳平;徐永明【摘要】电枢反应电抗参数的准确计算对电机的性能有很重要的影响,但现有的方法很难考虑交、直轴的耦合情况,而不能对电抗参数进行较为准确的计算.在ANSYS软件的辅助下,通过修改软磁材料的相对磁导率对周向双层绕组永磁式发电机的电抗参数进行了计算,结果与实验值很接近,证明了该方法的准确性,也为提高电抗参数的计算精度做好了准备.【期刊名称】《防爆电机》【年(卷),期】2011(046)005【总页数】4页(P6-9)【关键词】周向双层绕组;永磁式发电机;电抗参数;有限元法【作者】温嘉斌;任艳平;徐永明【作者单位】哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】TM3130 引言与电励磁同步发电机相比，永磁同步发电机取消了电刷和集电环，实现了无刷化，转子上也不再需要励磁绕组，因此具有结构简单、重量轻、体积小、损耗小和效率高的优点，其社会效益和经济效益都十分显著，因此永磁同步发电机设计的研究日益受到了广泛的重视。

其中直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗的准确计算一直是该电机设计的核心问题，因为电枢反应电抗的准确计算是决定电机性能的关键和难点[1]。

传统的方法是采用了等效磁路法，但准确度较低，为了提高计算精度，通常采用有限元法计算。

而常用的有限元法通常将交、直轴磁路分开进行计算，虽然考虑了磁路的非线性，但却没有考虑交、直轴共磁路的问题，计算的准确度也受到了一些限制[2]。

为了使计算更加精确，本文将以一台8极，绕组周向排列的永磁同步发电机为例，介绍一种通过修正软磁性材料相对磁导率的办法来计算交、直轴耦合作用下的电抗值。

1 模型的建立周向双层绕组永磁式发电机的物理模型如图1所示。

该电机转子上有8个径向永磁体，定子有12个槽，每个槽中有双层绕组，且绕组为左右排列，每极每相槽数为二分之一，该电机满足了工程上对多级少槽的发电机的需求，图2为周向双层绕组永磁式发电机的剖分图。