永磁同步电机偏心磁极优化设计

基于DX永磁同步电机优化设计王步来;刘祥盛;吉修涛;任攀元;张海刚【摘要】根据技术要求设计了一款额定功率为22 kW的内置式永磁同步电机.首先,根据电机设计原则确定了其主要尺寸,采用探索设计(DX)工具,对内置式永磁同步电机关键参数进行了优化设计,得到电机的主要结构参数和基本性能数据;然后,基于有限元法对该电机做了进一步的仿真研究,得到反电势曲线、转矩曲线以及电机转矩—速度—效率图,验证了电磁设计方案的可靠性;最后,试制了样机并进行相关试验.结果表明,优化设计方案是切实可行的,电机性能符合设计要求.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2018(048)009【总页数】5页(P77-81)【关键词】永磁同步电机;探索设计;优化设计;有限元法【作者】王步来;刘祥盛;吉修涛;任攀元;张海刚【作者单位】上海应用技术大学电气与电子工程学院,上海 201418;上海应用技术大学电气与电子工程学院,上海 201418;上海应用技术大学电气与电子工程学院,上海 201418;上海应用技术大学电气与电子工程学院,上海 201418;上海应用技术大学电气与电子工程学院,上海 201418【正文语种】中文【中图分类】TM341目前我国电机的用电量约占全国总用电量的60%，其中风机、泵类、压缩机和空调制冷机的用电量分别占10.4%，20.9%，9.4%和6%。

因此要降低能耗，未来电机的发展趋势必须是高效节能。

永磁电机以其高功率密度、高效率以及良好的动态响应能力，越来越多地受到工业应用、电动汽车等相关领域专家学者的关注。

1 内置式永磁同步电机主要设计原则为加速推进节能减排工程，提高产品使用的能源效率，某生产厂商对其制冷机专用永磁同步电机提出了要求：1）额定功率22 kW，额定转速3 000 r/min；2）效率符合GB 30253—2013《永磁同步电动机的能效限定值及能效等级》中的Ⅰ级能效标准（22 kW，3 000 r/min的变频驱动永磁同步电动机Ⅰ级能效等级效率为95.9%），并在80%～120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数。

永磁同步电机偏心磁极优化设计徐媛媛;葛红娟;荆岩【摘要】In order to optimize the air⁃gap flux density, the surface⁃mounted eccentric magnet pole of a permanent magnet synchronous motor was designed. The air⁃gap flux density of the eccentric magnet pole was studied utilizing an analytic method. The influence of the offset on the waveform of air⁃gap flux density and the motor performance was systematically analyzed. The expression of air⁃gap flux density with offset in parallel magnetization or radial magnetization was detailed, proposing a novel optimal design method for the eccentric magnet pole with analytical expression in a polar arc range. The validity of the proposed method was verified by finite element analysis as well as the optimal design of an180kW prototype of the permanent magnet motor, proving the correctness and effective⁃ness of the calculation. The result shows that the best offset of using an analytic method was similar to that of the fi⁃nite element method (FEM).% 以优化气隙磁通密度为目标，设计了表贴式偏心磁极永磁同步电机。

永磁同步电机设计优化研究摘要：本文首先对永磁同步电机的构成及特点进行了分析，认为传统永磁同步电机设计过程中，在材料选择、热管理、磁场设计等方面存在局限性。

在此基础上，本文分析了永磁同步电机材料选择方面的优化措施，围绕永磁同步电机定子结构、转子结构方面的具体优化思路原理并结合实例展开分析，希望为相关从业人员提供一定的参考。

关键词：永磁同步电机；优化设计；定子结构；转子结构0.引言永磁同步电机是一种高效、高功率密度的电机，具有广泛的应用领域，如电动汽车、工业驱动和可再生能源等。

然而，为了实现其最佳性能和效率，对永磁同步电机的设计进行优化是非常重要的。

具体来说：其一，提高能效。

优化设计可以减少电机的功率损耗，提高能效。

通过减小电机的电阻、铁损和铜损，可以降低能耗，提高电机的效率。

其二，提高功率密度。

通过优化电机的结构和材料选择，可以提高电机的功率密度，实现更高的功率输出。

这对于一些有限空间或重量限制的应用非常重要。

其三，提高动态响应特性。

优化设计可以改善电机的动态响应特性，使其能够更快地响应负载变化。

这对于一些需要频繁启动和停止的应用来说非常重要，如电动汽车和机械驱动系统。

由此可见，围绕永磁同步电机进行优化设计存在必要性，值得重点分析。

1.永磁同步电机的构成及特点分析1.1永磁同步电机的构成永磁同步电机（PMSM，Permanent Magnet Synchronous Motor）是一种利用永磁材料作为电机励磁源的同步电机[1]。

该设备的工作原理是通过控制永磁同步电机定子绕组的电流，产生磁场与永磁体产生的磁场进行交互，便可以产生转矩，驱动电机旋转。

永磁同步电机一般由以下部分构成：其一，定子。

永磁同步电机的定子结构与普通三相异步电机相似，是由硅钢片叠压而成的，绕上三相对称的电流，产生旋转磁场。

其二，转子。

永磁同步电机的转子是由永久磁铁制造的，永久磁铁的主要材料有钕铁硼、钐钴等。

永久磁铁可以产生稳定的磁场，与定子产生的旋转磁场互动，产生动力，驱动电机转动。

永磁伺服电机转子偏心对电机性能的影响研究孔汉;刘景林【摘要】In order to study the influence of the rotor eccentricity on the permanent magnet servo motor performance, the 14kW two dimensional electromagnetic field model of the permanent magnet servo motor usingin cigarette automation equipment was established. The basic assumption and the boundary condi-tions were also given. Using by the finite element method, the influence of the rotor eccentricity on the air gap flux density was studied, and therewith, the variation of the air gap flux density was discovered with different rotor eccentricity conditions. The calculation results and test data were also compared. Based on the analysis of the air gap flux density, the influence of the rotor eccentricity the output torque and the rotor eddy current losses was further studied, and the variation of the output torque and rotor eddy current losses was analyzed when motor operates in static rotor eccentricity condition, dynamic rotor ec-centricity and in different degree levels of the rotor eccentricity. And then the variation mechanisms were observed, which could provide some theoretical basis for further studying on permanent magnet servo mo-tor.%针对永磁伺服电机转子偏心对电机综合性能的影响，以一台14 kW卷烟自动化设备永磁伺服电机为例，建立了电机二维电磁场数学模型，给出了求解域以及相应的边界条件；采用有限元计算方法，计算分析了永磁电机转子偏心对气隙磁场的影响，给出了转子偏心影响气隙内谐波磁场的变化规律，并与部分实测数据进行了对比。

永磁同步电机的电磁方案设计永磁同步电机是一种应用广泛的电机类型，具有高效率、高功率因数、高起动转矩和良好的运行性能等优点。

在设计永磁同步电机的电磁方案时，需要考虑磁场分布、磁通密度、转子结构等因素，以实现电机的高效、稳定运行。

磁场分布是永磁同步电机设计的关键。

通过合理设计磁场分布，可以提高电机的效率和转矩密度。

在永磁同步电机中，通常使用内置磁体的方式来产生磁场。

磁体的磁场分布应该尽可能均匀，以提高电机的转矩密度。

同时，还需要考虑磁体的磁通量损耗，通过合理选择磁体材料和结构，减小磁通量损耗，提高电机的效率。

磁通密度是影响永磁同步电机性能的重要因素。

磁通密度过高会导致铁心饱和，造成能量损耗和发热，降低电机效率。

因此，需要对磁通密度进行合理设计，以确保电机在给定功率下能够正常运行。

转子结构也是永磁同步电机设计的重要考虑因素。

转子结构的设计直接影响电机的运行性能。

一般来说，永磁同步电机的转子结构可以分为表面磁极和内置磁极两种类型。

表面磁极结构可以提高电机的转矩密度，但同时也增加了转子的惯量和转子损耗。

内置磁极结构则可以减小转子的惯量和损耗，提高电机的响应速度和运行效率。

根据具体的应用需求，选择合适的转子结构，以满足电机的性能要求。

除了以上几个方面的设计考虑，还需要注意电机的控制策略。

永磁同步电机可以通过矢量控制、直接转矩控制等方式来实现高效、稳定的运行。

在设计电机的控制策略时，需要考虑电机的特性和应用需求，选择合适的控制方式，并通过合理的参数调节和优化算法，实现电机的优化运行。

永磁同步电机的电磁方案设计需要考虑磁场分布、磁通密度、转子结构和控制策略等因素。

通过合理的设计和优化，可以实现电机的高效、稳定运行，满足不同应用领域的需求。

在未来的发展中，随着新材料和新技术的不断推进，永磁同步电机的性能将进一步提升，为各个行业提供更加高效、可靠的动力解决方案。

内置式永磁同步电机双层磁钢结构优化设计李维1，王慧敏2，张智峰1，邓强1，张志强1，唐源1，付国忠1（1.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计重点实验室，成都610213；2.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津300387）摘要：为有效改善永磁同步电机的转矩输出能力和弱磁扩速能力，将双层磁钢结构用于电动车辆用内置式永磁同步电机中，在不增加转子径向尺寸的前提下放置更多的永磁体，从而提高了永磁体工作点和电机凸极率。

同时，以提高电机输出转矩性能和增强电机弱磁扩速能力为优化目标，以双层磁钢磁极结构参数为优化变量，基于Taguchi 法实现了内置式永磁同步电机转子磁极结构的多目标优化设计，在有效抑制电机电磁转矩波动的同时扩大了电机转速运行范围。

在此基础上，对空载运行、额定负载运行、最大转矩运行、最高转速运行等4种电动车辆用内置式永磁同步电机典型工况进行了有限元仿真分析。

结果表明：通过优化磁极结构，电机最大转矩点和最高转速点的电磁转矩平均值分别达到164.18N ·m 和34.81N ·m ，均高于设计要求，最大转矩点和最高转速点性能得到了提升，验证了所提双层磁钢结构和优化设计方案的有效性。

关键词：电动车辆；内置式永磁同步电机；双层磁钢结构；Taguchi 法中图分类号：TM351文献标志码：A 文章编号：员远苑员原园圆源载（圆园20）园6原园园76原07第39卷第6期圆园20年12月Vol.39No.6December 2020DOI ：10.3969/j.issn.1671-024x.2020.06.012天津工业大学学报允韵哉砸晕粤蕴韵云栽陨粤晕GONG 哉晕陨灾耘砸杂陨栽再Optimization design of double-layer interior permanent magnet synchronous motor LI Wei 1，WANG Hui-min 2，ZHANG Zhi-feng 1，DENG Qiang 1，ZHANG Zhi-qiang 1，TANG Yuan 1，FU Guo-zhong 1（1.Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory ，Nuclear Power Institute of China ，Chengdu 610213，China ；2.School of Electrical Engineering and Automation ，Tiangong University ，Tianjin 300387，China ）Abstract ：In order to improve the performances of the permanent magnet synchronous motor 渊PMSM冤such as high torqueoutput and wide speed range袁the double-layer structure is adopted as the magnetic pole structure for the interior PMSM applied in electric vehicles.More permanent magnets are placed under the same size of the rotor to im鄄prove the working point of the permanent magnet and obtain the higher motor salient rate.Meanwhile the geomet鄄rical parameters of the double-layer structure are chosen as the optimization variables.And the multi-objective optimization design of the double-layer pole structure for the interior PMSM is realized based on the Taguchi method袁to improve the performance of output torque as well as the ability of flux weakening and speed expand鄄ing.On this basis袁the finite element simulation analyses are carried out for four typical working conditions of the interior PMSM applied in electric vehicles袁including no-load operation袁rated load operation袁maximum torque operation and maximum speed operation.It is shown that by the optimization of the double-layer structure the av鄄erage values of electromagnetic torque at the maximum torque point and maximum speed point of the motor reach 164.18N 窑m and 34.81N 窑m袁respectively袁which were higher than the design requirements.The performances ofthe maximum torque point and maximum speed point are improved袁and the effectiveness of the proposed structure and its optimization design are verified by the simulation results.Key words ：electric vehicle曰interior permanent magnet synchronous motor渊PMSM冤曰double-layer pole structure曰Taguchimethod收稿日期：2020-06-29基金项目：国家自然科学基金资助项目（51507111）第一作者：李维（1983—），男，高级工程师，主要研究方向为反应堆结构设计。

分析永磁伺服电机转子偏心对于电机性能的影响摘要:在一般的情况下，电机偏心通常分为静态偏心与动态偏心。

由于定子或者转子安装不正确等产生静态偏心，而动态偏心是由转子轴弯曲等产生的动态偏心，因为气隙的分布不均，永磁体作用在气隙的磁动势能不同、整个气隙圆周周长是气隙磁导变化的周期，所以肯定会影响气隙磁密的大小以及气隙内部的谐波磁场，这样不但会导致磁场转矩的变化，还会影响电机性能的损耗。

下面的文章简述了永磁伺服电机转子偏心与对于电机性能的影响关键词：动态偏心与静态偏心；有限元计算；永磁伺服电机引言：在近代工业生产中，永磁伺服电机拥有着高效、高功率等特点，但由于在实际的生产过程当中，装配与价格工艺的局限性，导致了转子的轴线不能够完全进行重合与气隙分布不均等问题的发生，因此带来了噪声、转子损耗、转矩脉动的不良影响。

1永磁伺服分析模型建立1.1永磁伺服电机的结构以下文章将以卷烟自动化设备永磁伺服电机为例，着重对于电机偏心给电机性能产生的影响进行有效的分析。

卷烟自动化设备永磁伺服电机表面是采取贴磁的结构形式，通常在转子永磁机外边界往往采取护套进行固定，是转子表面贴磁的必要做法，一般会使用不锈钢与碳纤维的材质作为护套材料。

因为不锈钢在在导热性能与机械强度方面具有良好的优势，以下本文将阐述永磁体采取使用不锈钢作为护套的结构。

除此之外，为了很好的减少转子涡流损耗，有效的降低电机气隙内的谐波分量，使用电机定子要采用双层短距绕组。

1.2关于永磁伺服电机的有限元计算依据永磁伺服电机的机构来说，进一步构建了电机二维电磁场，为更好的使电磁场进行有限元的计算，可以做如下的假设：1；因为铁心较为细长，所以电机内部的电磁场沿轴变化较小，与此同时对于电机端部漏磁进行忽略，利用二维瞬态场分析，向量磁位Z轴的分量是零；2；各向同性的材料；3；因材料的磁导率均匀并且不计磁导率随温度进行变化；4；忽视位移电流造成的影响。

依据电磁场理论在上面的假设条件下，使用向量磁位A，对于电机的瞬态电磁场进行描述，并给予对应的边界条件，便能够得到电机二位瞬态电磁场边值方程式:2转子偏心对于磁场造成的影响大多数的学者对永磁电机的与分析都是在于定转子轴线重合状态下进行研究的，电机的其中气隙也是均匀分布的，如果永磁伺服电机转子偏心时，不管是电机出现动态或静态偏心，都会造成电机气隙的长度进行改变，让电机内部气隙分布不均。

永磁同步电机的电磁方案设计永磁同步电机是一种高效、高性能的电机，其电磁方案设计是其性能优越的关键。

本文将从电磁铁圈设计、磁路设计、转子设计、控制策略等方面，提供一个全面的永磁同步电机电磁方案设计。

一、电磁铁圈设计电磁铁圈是永磁同步电机的核心部件，其设计直接影响电机的性能。

在设计电磁铁圈时，需要考虑以下因素：1.电磁铁圈的截面积和线圈匝数：电磁铁圈的截面积和线圈匝数决定了电磁铁圈的电阻和电感，对电机的电磁特性有重要影响。

2.电磁铁圈的材料：电磁铁圈的材料应具有高导磁性、低磁滞损耗和高温稳定性等特点，常用的材料有硅钢片和铁氧体材料。

3.电磁铁圈的绕制方式：电磁铁圈的绕制方式有单层绕组和多层绕组两种，多层绕组可以提高线圈匝数，但会增加电磁铁圈的电阻和电感。

二、磁路设计磁路是永磁同步电机的另一个重要部分，其设计直接影响电机的输出功率和效率。

在设计磁路时，需要考虑以下因素：1.永磁体的材料和形状：永磁体的材料应具有高磁能积和高矫顽力，常用的材料有钕铁硼和钴磁体等。

永磁体的形状可以是圆柱形、矩形形或扇形等。

2.磁路的长度和截面积：磁路的长度和截面积决定了永磁体的磁通量和磁阻，对电机的输出功率和效率有重要影响。

3.磁路的饱和和磁滞损耗：磁路的饱和和磁滞损耗会导致磁通量的损失和热量的产生，对电机的效率有不利影响。

三、转子设计转子是永磁同步电机的旋转部分，其设计直接影响电机的转速和转矩。

在设计转子时，需要考虑以下因素：1.转子的形状和材料：转子的形状可以是圆柱形、矩形形或扇形等，常用的材料有铝合金和铜合金等。

转子的形状和材料决定了转子的惯性和热容量，对电机的转速和转矩有重要影响。

2.转子的磁极数：转子的磁极数决定了电机的同步转速和输出功率，应根据具体应用需求进行选择。

3.转子的磁极形状和磁场分布：转子的磁极形状和磁场分布对电机的转矩和效率有重要影响，应根据具体应用需求进行优化设计。

四、控制策略控制策略是永磁同步电机的关键，其设计直接影响电机的性能和稳定性。

永磁同步电动机的优化设计蔡黎明;黄开胜;陈文敏;赖文海【摘要】采用Ansoft软件设计并优化了一款调速永磁同步电动机.通过基于磁路法的RMxprt模块确定电动机尺寸,得到电动机有限元仿真模型.针对该电动机齿槽转矩大的问题,通过Maxwell 2D进行动态仿真,求解出电动机适合的极弧系数、磁钢偏心距以及磁极偏移角度,再进行仿真分析气隙磁密、空载反电动势波形.仿真结果和样机测试结果证实了该电动机设计及优化的合理性,对调速永磁同步电动机的优化设计具有一定的参考意义.【期刊名称】《防爆电机》【年(卷),期】2015(050)001【总页数】4页(P1-4)【关键词】永磁同步电动机;齿槽转矩;磁路法;有限元【作者】蔡黎明;黄开胜;陈文敏;赖文海【作者单位】广东工业大学,广东广州510006;广东工业大学,广东广州510006;广东东莞电机有限公司,广东东莞511700;广东工业大学,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】TM303.50 引言近年来，随着永磁材料以及控制科学的不断发展，加上永磁同步电动机在效率指标和调速性能等方面表现出很大的优势和潜力，调速永磁同步电动机的研究也越来越热门。

本文针对48 槽8 极、1 000r/min 的调速永磁同步电动机齿槽转矩大、振动和噪声大等问题进行优化设计。

利用Ansoft 软件基于磁路法的RMxprt 模块建立电动机模型，然后再导入到Maxwell 2D 模块中进行动态仿真，求解出磁极合适的极弧系数和偏心距，在此基础之上求解出每个磁极的最佳偏移角度。

仿真结果得出电动机齿槽转矩明显减小。

样机测试结果表明电动机的振动和噪声明显削弱，通过削弱齿槽转矩可以使电动机得以优化。

1 齿槽转矩的产生机理及解析分析永磁电动机的齿槽转矩是电枢铁心的齿槽与转子永磁体相互作用而产生的磁阻转矩［1］。

由于电动机定子的齿槽与转子所贴的永磁体相互作用产生的转矩，这个转矩随空间位置作周期性变化，它表现为总是试图将转子定位在某些位置，这个转矩与定子电流无关［2］。

基于极弧系数与偏心距的永磁同步电动机优化设计方超;吴帮超;朱兴旺;黄光建【摘要】利用ANSYS软件优化了一款调速永磁同步电动机,联立RMxprt和Maxwell 2D模块,建立电动机的二维有限元模型,并进行了有限元仿真计算.研究了永磁体的极弧系数与偏心距对电动机的齿槽转矩、空载气隙磁密和气隙磁场的谐波畸变率的影响.在此基础上研究极弧系数与偏心距相结合的方法优化电动机的运行平稳性.仿真结果和样机测试结果验证了该方法的可行性,对调速永磁同步电动机的优化设计具有一定的参考意义.【期刊名称】《防爆电机》【年(卷),期】2016(051)004【总页数】5页(P9-12,17)【关键词】永磁同步电动机;齿槽转矩;气隙磁密;畸变率【作者】方超;吴帮超;朱兴旺;黄光建【作者单位】广东工业大学,广东广州510006;广东工业大学,广东广州510006;广东工业大学,广东广州510006;广东工业大学,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】TM341;TM351近年来，由于能源紧缺问题以及节能环保的意识加强，各国都在加速研制高效电机。

随着稀土永磁材料和控制科学的不断进步，永磁同步电动机在效率和调速性能等方面表现出极大的优势，调速永磁同步电动机的研究也越来越热。

调速永磁同步电动机转子上无起动绕组，利用变频器启动，并随着频率的改变而调节转速，又叫正弦波永磁同步电动机。

相对于方波驱动的永磁无刷电动机，其避免了电流换向时产生的较大转矩脉动，具有更理想的伺服驱动，因此逐步在家用空调、洗衣机、电冰箱、风扇中使用[1]。

文献[2]以优化气隙磁通密度为目标, 在解析法研究偏心磁极气隙磁通密度的基础上，分析了偏心距对气隙磁感应强度波形、电机性能指标的影响。

文献[3]在分析永磁电动机齿槽转矩产生机理的基础上,根据齿槽转矩解析表达式,研究了采用削角磁极对齿槽转矩的影响，同时通过有限元方法找出齿槽转矩幅值最小时对应的最佳削角。