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永磁无刷同步电机本体设计原理
永磁无刷同步电机（PMSM，permanent magnet synchronous motor）的基本设计原理是交流电机的工作原理，其定子运行是三项的相差的交流电，而转子则是永磁体。
这种电机的最大优势在于交流电能量由直流提供，可以对电机进行精确的控制，并且解决了电刷带来的寿命问题。
无刷电机主要由转子和定子两部分组成。
转子是由一系列永磁体或磁铁组成，这些永磁体或磁铁通过轴心连接在一起并固定在转轴上。
转子上的永磁体产生磁场，而这个磁场是恒定的，不随转子转动而改变。
定子是由一组线圈组成，这些线圈通常由铜线绕成，安装在无刷电机的外壳内。
当电流通过定子线圈时，它们产生的磁场与转子上的永磁体磁场相互作用，从而产生旋转力。
此外，无刷电机使用电子换向器取代了机械换向器，使得电机既具有直流电机良好的调速性能，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。
电子控制器是无刷电机的关键部分，负责监测和控制电流的流向和大小，从而控制电机的旋转速度和方向。
在电机运行时，转子会寻找与定子磁场对齐的位置。
当转子与定子磁通分隔90°时，产生的转距最大，而当磁通对齐时，转距为零。
通过不断地换向和控制电流的大小，可以使得电机持续、稳定地旋转。
总的来说，永磁无刷同步电机的设计原理是利用永磁体和线圈之间的相互作用产生旋转力，通过电子控制器控制电流的流向和大小，实现电机的精确控制。
三相永磁同步电机结构和特点三相永磁同步电机是一种采用永磁体作为励磁源的同步电机。
它由定子和转子两部分组成，其中定子绕组由三个互相位移120°的绕组组成，分别称为A相、B相和C相；转子上装有永磁体。
下面将详细介绍三相永磁同步电机的结构和特点。
三相永磁同步电机的结构:三相永磁同步电机的结构相对简单，由定子和转子两部分组成。
1. 定子：定子是固定不动的部分，由绕组和铁芯组成。
绕组由三个相互独立的绕组组成，分别连接到三相交流电源上。
绕组的排列方式可以是星形或者三角形。
绕组中通有三相电流，分别为A相、B 相和C相。
绕组所产生的磁场与转子上的永磁体相互作用，从而使电机运转。
2. 转子：转子是电机的旋转部分，它由永磁体和铁芯组成。
永磁体中的永磁材料通常采用稀土永磁材料，如钕铁硼（NdFeB）或钴铁硼（SmCo）。
永磁体的磁场与定子绕组中的磁场相互作用，产生电磁力，从而驱动转子旋转。
铁芯的作用是导磁，增强磁场的作用效果。
三相永磁同步电机的特点:三相永磁同步电机具有许多优点，使其在工业和家庭应用中得到广泛应用。
1. 高效率：三相永磁同步电机的效率较高，通常可以达到90%以上。
这是因为永磁体提供了恒定的磁场，减少了能量损耗。
2. 高功率密度：由于永磁体的存在，三相永磁同步电机具有较高的功率密度，可以在较小的体积内提供较大的功率输出。
3. 高起动扭矩：由于永磁体的强磁场作用，三相永磁同步电机具有较高的起动扭矩，可以快速启动和加速。
4. 较宽的调速范围：三相永磁同步电机具有宽广的调速范围，可根据不同的工作需求进行调速。
通过改变定子绕组的电流，可以实现不同转速的旋转。
5. 无需励磁：由于永磁体的存在，三相永磁同步电机无需外部励磁源，简化了电机的结构和控制系统。
6. 较小的体积和重量：相比其他类型的电机，三相永磁同步电机具有较小的体积和重量，更适合应用于空间有限的场合。
7. 较低的噪音和振动：由于转子是由永磁体组成，没有电机的旋转部件，因此三相永磁同步电机运行时噪音和振动较小。
「全面」永磁同步电机的原理、优势及其应用案例，这份干货请收好目前我国电动机保有量大、消耗电能大、设备老化且效率较低，已完全进入了更新换代的时期，而永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、效率高、功率因数高、起动力矩大、力能指标好、温升低等特点。
永磁同步电机基本原理＊电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。
＊在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可有两种方法：一种是在电机绕组内通入电流来产生磁场，如普通的直流电机、同步电机和异步电机等；另一种是由永磁体来产生磁场，即永磁同步电机。
＊从基本原理来讲：永磁同步电机与传统电励磁同步电机是一样的，其唯一区别在于，传统的电励磁同步电机是通过在励磁绕组中通入电流来产生磁场的，而永磁同步电机是通过永磁体来建立磁场的。
由此，引起了两者分析方法上的差异。
永磁同步电机的优势1、效率高、更加省电a、由于永磁同步电机的磁场是由永磁体产生的，从而避免了通过励磁电流来产生磁场导致的励磁损耗（铜耗）；b、永磁同步电机的外特性效率曲线相比异步电机来说，它在轻载时效率值要高很多，所以这是永磁同步电机在节能方面，相比异步电机最大的一个优势。
通常电机在驱动负载时，很少情况是在满功率运行，这是因为：一方面用户在电机选型时，一般是依据负载的极限工况来确定电机功率，而极限工况出现的机会是很少的，同时，为防止在异常工况时烧损电机，用户也会进一步给电机的功率留裕量；另一方面，设计者在设计电机时，为保证电机的可靠性，通常会在用户要求的功率基础上，进一步留一定的功率裕量，这样导致在实际运行的电机90%以上是工作在额定功率的70%以下，特别是在驱动风机或泵类负载，这样就导致电机通常工作在轻载区。
对异步电机来讲，其在轻载时效率很低，而永磁同步电机在轻载区仍能保持较高的效率，其效率要高于异步电机20%以上。
c、由于永磁同步电机功率因数高，这样相比异步电机而言其电机电流更小，相应地电机的定子铜耗更小，效率也更高。
3.6MW半直驱高压永磁同步发电机电磁有限元分析摘要：本文阐述了3.6MW半直驱高压永磁同步发电机的优点、电磁方案，并对电磁方案中参数进行空载、负载、短路进行有限元分析。
关键词：3.6MW 半直驱高压永磁同步发电机电磁有限元分析永磁电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高、电机形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。
而半直驱高压永磁同步发电机又是风力发电机的发展方向之一。
我公司成功开发了3.6MW半直驱高压永磁风力发电机。
该电机在设计结合高压电机和永磁电机设计的原则，既具备“高效、节能、降耗”的特点，又有着“科学、绿色、低碳”的环保优势，符合国家能源政策和环保政策的要求，同时该产品解决了无低电压穿越问题，更容易并网，是风力发电机未来发展的必然趋势和方向。
一、永磁同步发电机的基本原理、技术特点、适用场合（1）基本原理永磁同步风力发电的基本原理，就是利用风力带动风力机叶片旋转，拖动永磁同步发电机的转子旋转，实现发电。
永磁同步风力发电系统和笼型变速恒频风力发电系统类似，只是所采用的发电机为永磁式发电机，转子为永磁式结构，不需外部提供励磁电源，提高了效率。
它的变频恒速控制是在定子回路中实现的，把永磁同步发电机的变频的交流电通过变频器转变为电网同频的交流电，实现风力发电的并网，因此变频器的容量与系统的额定容量相同。
（2）技术特点在过去的几十年里，由于永磁材料性能和电力电子装置的改善，永磁同步发电机已变得越来越具吸引力了。
采用永磁同步发电机的风力发电系统具有以下特点：1）永磁同步发电机系统不需要励磁装置，具有重量轻、效率高、功率因数高、可靠性好等优点；2）变速运行范围宽，即可超同步运行也可以亚同步运行；3）转子无励磁绕组，磁极结构简单、变频器容量小，可以做成多极电机；4）同步转速降低，使风轮机和永磁发电机可直接耦合，省去了风力发电系统中的齿轮增速箱，减小了发电机的维护工作并降低噪声，使直驱永磁风力发电机系统。
20211期第56卷(218期) (EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE)基于Motor-CAD的增程式电动车发电机设计陈锤婷，桂佳林,雍玉芳(宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江宁波315336)摘要为电高效性，匹配高效增程器系统；过整车仿真确定增程器系统所需的功率扭矩，再分解到发电机，确定发电机性能。
并基于Motor-CAD软件搭建电机模型，改变磁钢V型夹角大小,分别为170°+150°和130°,分析各方案电机的空载反电、齿槽转矩、气隙磁密、效率Map等，并进行热设计，评估合适的发电机方案。
关键词器;V型夹角;发电机;Motor-CADDOI：10.3969/J.ISSN.1008-7281.2021.01.02中图分类号:TM314+1文献标识码:A文章编号：1008-7281(2021)01-0005-05Design of Range-Extender Electric Vehicle GeneratorBased on Motor-CADChen Yuting，G ui Jialin and Yong Yufang%Ningbo Geely Royal Engine Components Co.，Ltd.，Ningbo315336，China)Abstract In order to realize the high efficiency of the range-extender electric vehicle，the high-efficiency extender system iz matched.Firstly,the required powea and torque of the range extender system were determined through simulation of the whoie vehicie，and then they were decomposed te the generator te determine its performanct.Based on Motor-CAD software,the motor model was buiit by changing the V-shaped angie of magnetic steel,of which the deeree was170°,150°and130°,respectively.The no-load back EMF,cogging torque,air--ap magnetic density and eficiency Map of the motoie in vv O ous schemes were analyzed and the thermal desicns were carried out to evaluate the appropOate generator scheme.Key words Range extender;Vshaped angle;generatoe；Motor-CAD0引言为解决纯电动汽车的里程焦，增电％REEV)是一种折中的解决方案,REEV配由发动机和发电机组成的器，车辆运行过中，电池电量情况，适给与电池充电。
36MW高速无刷励磁同步电动机设计特点陈英【摘要】介绍了36 MW大容量高速无刷励磁同步电动机的设计特点,总结了该电机在电磁、结构设计时的基本思路和解决方法;叙述了异步励磁旋转整流系统的基本工作原理和组成内容;并对关键旋转部件作了较为详细的计算说明.【期刊名称】《上海大中型电机》【年(卷),期】2018(000)002【总页数】4页(P21-24)【关键词】无刷励磁;同步电动机;交流励磁机;实心磁极;磁极螺栓【作者】陈英【作者单位】上海电气集团上海电机厂有限公司,上海200240【正文语种】中文0 引言长期以来，30 MW以上的大容量高速同步电动机国内一直无法供货，基本依赖于进口产品。
随着国内工业的发展，特别是冶金工业的高炉风机、石化行业的气体压缩机以及航空航天领域的风动试验机组等需求量的增加，需要越来越多的大容量高速同步电动机与之配套。
为此，开发这类国产产品显得尤为重要与迫切。
2010年7月柳州钢铁股份有限公司AV80-16 4号高炉大修改造工程，就需与鼓风机配套用36 MW 4 P 10 kV无刷励磁同步电动机，最终，我公司取得了产品的研制。
1 规格和型式产品名称：TWS36 MW 4 P 10 kV无刷励磁同步电动机电机型号 TWS36 000-4电机容量/kW 36 000额定转速/(r·min-1) 1 500额定电压/kV 10额定电流/A 2 348功率因数cosφ 0.9(越前)极数 4额定频率/Hz 50相数 3定子接法 Y额定转矩/(kN·m) 229定子出线根数2×3效率设计值/% 98.38防护等级(本体) IP54冷却方式 IC81W安装型式 IM1005绝缘等级 F励磁机数据:额定容量/kW 81.7定子电压/V 169.71定子电流/A 183.85定子相数 3定子接法 Y定子频率/Hz 50电动机采用电压源型变频器变频起动，起动完毕(转速达到1 500 r/min)将其切入10 kV工频电网运行。
所配置的励磁系统必须满足主电机起动和运行的要求，电机可确保1 h内冷态起动两次，热态一次。
电动机为卧式箱形结构，传动端为法兰式轴伸，电机顶部装有空-水冷却器，采用密闭循环通风方式。
主传动端轴承为Φ335 mm端盖式球面止推滑动轴承，可以承受较小轴向推力，非传动端为Φ300 mm端盖式球面轴承。
电机的主、辅出线盒均位于电机定子的侧面；交流励磁机和旋转整流器位于非传动端的轴承外侧(见图1)。
图1 TWS 36 MW 4 P 10 kV无刷励磁同步电动机装配图2 电磁设计2.1 主电动机部分就36 MW容量，4 P的凸极实心同步电动机而言，电机已接近制造能力的上限，国外有能力制造的公司也不多，关键是其1 500 r/min的转速使转子承受着很大的机械应力。
尽管如此，电磁方案设计时仍将其能力定位至极限输出功率42 MW。
电磁方案的计算除满足本规格的性能参数外，还得考虑其扩展的空间，更需重点关注转子本体的结构，确定合适的主要尺寸。
为大幅度降低铁损定子冲片材料采用低损耗性能的50W310冷轧硅钢板。
由于定子电流高达2 350 A，为削弱集肤效应的影响，定子绕组设计除采用至多4路并联外，定子线圈由8根导线并绕制成。
因转子为凸极的实心磁极，设计时加大了定转子气隙，可降低转子极面脉振磁密、降低极靴表面的涡流损耗和发热，同时提高了电机的失步转矩；而径向尺寸的严格控制，可降低旋转部件所承受的机械应力，减小机械损耗和机械噪声。
由于采用变频起动，对堵转电流、堵转转矩和牵入转矩的性能指标可适当放松，电磁计算适当提高了线负荷As，并将热负荷控制在4 000以内，在满足B级温升的前提下，为容量的提升设计留有一定的裕度。
线负荷As的提高，也有利于提高单位转矩的材料利用率，降低了制造成本，减轻电机质量。
2.2 励磁系统部分励磁系统由三部分组成：交流励磁机、旋转整流器和励磁控制柜。
除控制柜外，交流励磁机和旋转整流器均装于电机本体。
电机采用变频起动(也即同步起动)的运行方式，电机在无滑环静止状态下，转子获得足够的励磁电能。
传统的同步励磁机只有在一定转速下才能提供能量，无法满足需求，故采用旋转变压器类型的异步励磁机。
我们通过多方案比较，最终确定了励磁机的电磁方案——转子为冲片铁心双绕组结构(见图2)。
由此，整流二极管数量由传统的6个增加到12个，相应的每个整流管的容量可减小一半而使其体积大为减小，从而减小了整流盘的直径，更适合高转速运行。
图2 无刷励磁系统原理图3 结构设计3.1 定子部分定子采用外压装的结构设计，机座由钢板焊接成型，线圈由云母导线绕制，采用F 级绝缘的结构，铁心经压装后下线。
绕组端部采取可靠的固定绑扎措施，经真空压力无溶剂(VPI)浸渍处理，使整个定子具有良好的绝缘性能和可靠的机械强度，最后套入机座与其焊成一体。
确保电机在变频起动中既能承受谐波的影响，也能承受切换并网时产生的冲击力矩。
3.2 转子部分大容量高转速同步电机，冲片转子根本满足不了其强度的要求，必须采用实心的结构方案。
传统的千瓦级4 P转子是将联体的极身与磁轭通过过盈配合热套于主轴之上，本电机因受径向尺寸的限制，这一结构不能满足工艺要求。
为此，在对转子关键部分进行了详细的强度、刚度计算(详见4机械计算部分)后，确定转轴主体采用极身、磁轭与转轴为一整体的锻件结构(见图3)，材料选用35CrMo合金钢，解决了制造中的工艺问题。
端盖式的轴承结构，缩短了转轴支点间的距离，提高了转子的刚度，解决了高转速长轴系带来的转子动力学问题，使一次临界转速达到额定转速的2.52倍，挠度也仅为气隙的0.345%。
极靴材料为15MnMoV合金钢，极靴与极身采用高强度合金钢螺栓进行连接，确保转子能承受足够机械应力，确保了电机能安全、可靠地运行。
图3 联体转轴励磁绕组的设计从有利于绕组的通风散热、降低转子温升和提高机械强度而展开。
绕组为带散热匝的磁极线圈串联而成，线圈匝间绝缘采用两层0.13 mm厚的上胶Nomex纸，线圈的上、下表面和对地绝缘均使用Nomex纸固化成型。
磁极线圈套入磁极铁心后，用浸胶涤纶毡和环氧玻璃布板将端部和其它所有缝隙塞满，待整个转子加热后使磁极线圈、极身和托板固化成为一体，提升了转子部分电气和机械的可靠性，同时也有利于绕组的散热，降低转子温升。
3.3 冷却风路的设计转子两侧装有一对轴流式风扇，形成冷却所需的通风气流。
由于本电机轴系较长，加之相邻磁极线圈的极间还安装了3个支架，使本已紧张的极间通风空间更趋紧张。
设计一改传统的结构形式，将磁极线圈设计成镂空结构(见图4)，相邻线圈底部通过支撑件下的弹簧及绝缘撑板将其托住，扩大了通风面积、减小了风阻，从而有利于绕组散热，对降低转子温升起了重要的作用。
励磁机则有单独的风机对其进行冷却，以减小主风量的损失，也确保了励磁系统的冷却效果。
图4 励磁绕组极间的镂空结构3.4 旋转整流器的设计旋转整流器由整流盘、旋转二极管、压敏电阻和连接铜排等构成。
整流盘体为钢结构，位于电机尾端；二极管和压敏电阻各自装于散热器上，用经绝缘处理的高强度螺栓对称固定于盘体两侧(见图5)。
所有元件均经机械测试，其离心加速度耐受能力为2 000 g(g为重力加速度9.8 m/s2)。
图5 旋转整流器4 机械计算结构方案的确定与机械计算相辅相成，交替进行，重点考虑转子部分的同时，对以下几部分做了较为详细的机械计算。
4.1 主轴轴伸的强度计算电机额定功率36 MW，过载倍数2.5，转速1 500 r/min；主轴材料采用锻钢35CrMo，轴伸尺寸Φ335 mm，设计验证其应力安全系数可达1.12倍。
4.2 轴的挠度和临界转速的计算因转轴采用极身、磁轭与转轴为一整体的锻件结构，其中心部分为均布载荷并将该处的截面惯性矩3 010 600 cm2折算成当量直径D=88.5 cm，按(DZ)21-63进行计算，结果如下：轴的挠度为 F=0.076 mm=0.345%δ临界转速为 Nk1=3 803 r/min=2.54 nNN′k1=3 776 r/min=2.52 nN2次临界转速的计算结果临界转速： Nk2=13 062 r/min=8.71 nN4.3 磁极螺栓的分布与计算理论分析和实践运行均表明，转子高速旋转时，极靴两端所受的离心力远高于磁极中部，因此尽可能减轻线圈和极靴的质量，合理分布磁极螺栓并对螺栓的强度计算显得尤为重要。
设计中对磁极线圈和极靴的四个角都进行了切角处理，加大了螺栓的分布密度，并增加了端部的分布数量。
强度计算结果如下：螺栓拉应力为σ=596.6 N/mm2极靴螺栓处剪切应力为τ=148.3 N/mm2螺栓头处剪切应力为τ=213.7 N/mm2螺栓材料为40Cr2MoV许用应力[σ]=750 N/mm2>596.6 N/mm2[τ]=360 N/mm2>213.7 N/mm2极靴材料为15MnMoV许用应力[τ]=160 N/mm2>148.3 N/mm25 主要性能试验数据该产品的主要性能试验数据见表1。
表1 电机主要性能试验数据名称技术要求试验值效率/%9898.11振动位移值/mm≤0.0370.031振动速度值/(mm·s-1)≤2.31.8振动加速度值/(m·s-2)≤3.61.9噪音(声功率级)/dB≤115106电动机定子温升/K≤8578.2电动机转子温升/K≤9050.5轴伸侧轴承温度/℃≤8077.4非轴伸侧轴承温度/℃≤8073.5绝缘电阻(定子/转子)/MΩ(≥10/≥2)(1 000/500)6 结论经各项课题研究、技术攻关、产品结构设计及试制，上电公司按国家标准及和技术协议对电机进行了型式试验，各项性能指标都满足了技术要求，最终实现了产品的成功制造。
该电机的研制成功标志着上电公司成功突破了大容量高速同步电动机的制造瓶颈，始终保持国内电机行业的领先地位，为高端产品走向国际市场打下了扎实的基础。
