内置式永磁同步电机结构与电磁耦合分析
内置式永磁同步电机不同转子拓扑结构对电机性能的影响分析
内置式永磁同步电机不同转子拓扑结构对电机性能的影响分析李吉程;王爱元;王成敏;殷世雄
【期刊名称】《电机与控制应用》
【年(卷),期】2024(51)2
【摘要】为了研究不同转子拓扑结构对8极48槽内置式永磁同步电机(IPMSM)的电磁性能和噪声性能的影响,分别建立了单层无隔磁桥、单层有隔磁桥、双层无隔磁桥以及双层有隔磁桥转子拓扑结构的内置式永磁同步电机的有限元模型。
除转子拓扑结构以外,四种电机的定子拓扑结构、永磁体使用量等其它条件完全相同。
首先,对电机电磁性能和噪声性能进行相关的理论分析。
其次,建立四种电机的有限元模型,对四种电机的凸极率、输出转矩、转矩脉动以及空载反电势谐波畸变率等电磁性能进行比较分析,并对四种电机进行模态分析。
最后,比较了四种电机的振动响应和噪声特性。
结果表明,双层有隔磁桥转子结构的内置式永磁同步电机电磁性能最好,并且其噪声削弱效果也最好。
【总页数】10页(P103-112)
【作者】李吉程;王爱元;王成敏;殷世雄
【作者单位】上海电机学院电气学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM341
【相关文献】
1.转子分段斜极对内置式永磁同步电机性能的影响
2.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
3.车用永磁同步电机的不同转子拓扑结构性能对比及振动噪声分析
4.不同转子拓扑对永磁同步电机性能的影响
5.内置式永磁同步电机不同转子拓扑结构的电磁性能及电磁振动噪声分析
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永磁同步电动机转子部分的结构分析与研究
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。
永磁同步电机的原理及结构
第一章永磁同步电机的原理及结构1.1永磁同步电机的基本工作原理永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。
在异步启动的研究阶段中，电动机的转速是从零开始逐渐增大的，造成上诉的主要原因是其在异步转矩、永磁发电制动转矩、矩起的磁阻转矩和单轴转由转子磁路不对称而引等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的。
在起动过程中，质的转矩，只有异步转矩是驱动性电动机就是以这转矩来得以加速的，其他的转矩大部分以制动性质为主。
在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，而出现转速的超调现象。
但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。
1.2永磁同步电机的结构永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。
一般来说，永磁同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似，主要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别。
和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。
由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电机通常会被分为三大类：内嵌式、面贴式以及插入式，如图1.1所示。
永磁同步电机的运行性能是最受关注的，影响其性能的因素有很多，但是最主要的则是永磁同步电机的结构。
就面贴式、插入式和嵌入式而言，各种结构都各有其各自的优点。
图1-1面贴式的永磁同步电机在工业上是应用最广泛的，其最主要的原因是其拥有很多其他形式电机无法比拟的优点，例如其制造方便，转动惯性比较小以及结构很简单等。
自起动永磁电机起动冲击电流和转矩的场路耦合分析
４ ０３ ２ ３ ０ ３； ．海 军 ７ ２厂 ， 海 ０ 上
２０３ ） ０ ４ ４
要 ：建立了 自起动永磁 同步 电机 的场 一 一运动耦合模型 ， 路 给出控制电路与 电磁场方 程耦合 的时步
有限元分析方法 ， 采用运动气隙边界法解决转子运 动问题 ， 与机械 运动方程相结合 ， 可对 电机的瞬态过程进行
流和 转矩 与异 步 电机 有 着 较 大 差别 。文 献 ［ —］ １３ 通 过研 究 发现 ， 自起 动 永 磁 电机 的起 动 电 流要 大 于相 同功率 等 级 的 异 步 电机 ， 且会 出 现 十几 倍 并 甚 至 几 十倍 的 冲击 电流 ， 设 备 和 电 机 本 身造 成 对 损害 ； 文献 ［ ］ 出不 同 的初 始 状 态 对 自起 动 永 ４指 磁 电机 的冲击 电流 和 冲击 转矩 有 着 较 大 影 响 ， 并
研究与设计 Ｅ Ａ 眦
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自起 动 永 磁 电机 起 动 冲 击 电 流 和 转 矩 的 场 路 耦 合 分 析
梁京辉 乔 鸣 忠 徐 凤 军 ， 李 耕 ’ ， ，
（ ．海军 工程 大学 电气与信 息 工程 学 院 ， 北 武汉 １ 湖
Ａ ｓｒ ｃ ： ｈ ｅ —ｉ ｕ — ｏｉ ｏ ｐ ｄ ｍ ｄ ｌ ｆ ｉｅｓ ｒ ｐ ｒ ｎ ｎ ｍ ｇ ｅ （ Ｍ）ｍ ｔｒ ｗ ｓｅｔ ｌ ｈ ｄ ｂ ｔａ ｔ Ｔ ｅ ｌ ｃｒ ｉ ｍ ｔ ｎ ｃｕ ｌ ｏ ｅ ｏ ｌ —ｔ ｔ ｅ ｉ ｆ ｄ ｃｔ ｏ ｅ ｎ ａ ｍａ ｅ ｔ ａ ｎ ｔ Ｐ ｏｏｓ ａ ｓ ｂｉ ｅ ， ａ ｓ
关 键 词 ：自起 动 永 磁 电 机 ；场 路 耦 合 ；冲击 电流 ；冲击 转 矩 中 图分 类 号 ： Ｍ ３ １ 文 献 标 志码 ： 文 章 编 号 ：６ ３６４ （０ １ １ －０ ６０ Ｔ ５ Ａ １７ －５ ０ ２ １ ）００ ２ － ５
永磁同步电机电磁振动分析与抑制
作者简介
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这是《永磁同步电机电磁振动分析与抑制》的读书笔记，暂无该书作者的介绍。
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阅读感受
同时，作者还指出了一些常用的抑制方法，例如优化结构设计、采用合适的滤波器等。这些方法 在实际应用中已被证明是有效的，对于从事相关研究的读者来说无疑是一笔宝贵的财富。
在阅读这本书的过程中，我深感作者对永磁同步电机电磁振动的见解独到，并且以实例为依托， 娓娓道来，使人易于理解。书中凝结了作者多年的研究成果和实践经验，具有很强的实用性。我 在阅读过程中也产生了许多感悟，对书中人物情节产生了共鸣，特别是对作者所强调的重视基础 理论和实际应用结合的观点深表赞同。
通过研究发现，永磁同步电机的电磁振动主要来源于电磁场与机械结构的耦合作用。电磁场的变 化会引起机械结构的振动，同时机械结构的振动也会影响电磁场的变化。我们还发现电磁振动的 频率和幅值受到多种因素的影响，如电机转速、电磁参数、机械结构等。
内容摘要
电磁振动对永磁同步电机的性能和稳定性有重要影响。过大的电磁振动会导致电机产生噪音、振 动和异常磨损等问题，严重影响电机的正常运行和使用寿命。因此，对电磁振动进行抑制是非常 必要的。我们设计的新型电磁振动抑制器，通过改变电磁参数和机械结构，有效地降低了电磁振 动对电机性能的影响，提高了电机的稳定性和可靠性。
目录分析
通过对《永磁同步电机电磁振动分析与抑制》这本书的目录分析，我们可以看到作者系统地阐述 了永磁同步电机电磁振动的产生机理、分析方法和抑制技术。重点章节展示了作者利用有限元方 法对电磁振动进行数值模拟和设计新型电磁振动抑制器的成果。难点章节则提供了对理论和实践 内容的深入讨论和理解辅助。全书旨在为相关领域的研究和实践提供有益的参考和指导，具有重 要的学术价值和应用前景。
永磁同步电机详细讲解
永磁同步电机详细讲解永磁同步电机是一种采用永磁体作为励磁源的电机，其特点是具有高效率、高功率因数和低损耗等优点。
本文将详细介绍永磁同步电机的工作原理、结构特点以及应用领域。
一、工作原理永磁同步电机的工作原理基于电磁感应定律和永磁体的磁场特性。
当电机通电时，电流通过定子线圈产生的磁场与永磁体的磁场相互作用，产生旋转力矩。
由于永磁体的磁场是恒定的，因此电机的转速与电源的频率成正比，即同步转速。
同时，永磁同步电机的转子上没有绕组，没有感应电流和铜损耗，因此具有较高的效率。
二、结构特点永磁同步电机的结构包括定子、转子和永磁体三部分。
定子由线圈和铁心组成，线圈通电产生磁场。
转子由永磁体和铁芯组成，永磁体产生恒定的磁场。
定子和转子之间通过磁场相互作用产生转矩。
与其他类型的电机相比，永磁同步电机具有较高的功率因数和较低的损耗。
这是因为永磁体的磁场不需要通过电流来产生，不会产生铜损耗。
此外，由于永磁同步电机没有电枢绕组，也没有感应电流和铜损耗。
因此，其效率较高，能够更好地发挥功率。
三、应用领域永磁同步电机在工业和交通领域有广泛的应用。
在工业领域，永磁同步电机可以用于驱动各种机械设备，如风机、水泵和压缩机等。
其高效率和节能特性使其成为工业生产中的理想选择。
在交通领域，永磁同步电机可用于电动汽车和混合动力汽车的驱动系统。
由于其高功率因数和高效率，可以提高车辆的续航里程和性能。
此外，永磁同步电机还可以用于高速列车、地铁和电动自行车等交通工具。
总结：永磁同步电机是一种采用永磁体作为励磁源的电机，具有高效率、高功率因数和低损耗等优点。
其工作原理基于电磁感应定律和永磁体的磁场特性。
永磁同步电机的结构特点包括定子、转子和永磁体三部分。
永磁同步电机在工业和交通领域有广泛的应用，可以用于驱动各种机械设备和交通工具，提高能源利用效率和减少污染排放。
永磁同步电机的发展将为节能环保和可持续发展做出贡献。
永磁同步电机的结构和工作原理
永磁同步电机的结构和工作原理
永磁同步电机是一种采用永磁体作为励磁源，利用交流电源提供与转子匹配的交变磁场，通过电磁感应作用产生转矩的同步电机。
其结构主要由转子、定子和永磁体组成。
1. 转子结构
永磁同步电机的转子一般是由永磁体和转子芯片组成，永磁体主要有NdFeB、SmCo等材质，收集电流的感应环或导电环以
及轴承等组件。
2. 定子结构
永磁同步电机的定子由一个或多个相线圈、铁芯和支承套管等组成。
相线圈是电机进行电磁转换的核心部件，如三相永磁同步电机由三个线圈组成。
3. 永磁体
永磁体是永磁同步电机的关键部件，产生强磁场并与转子匹配，从而实现高功率和高效率的工作。
工作原理：
当三相交流电源加到永磁同步电机的三相定子线圈中时，三相电流在定子线圈中产生交变磁场。
当转子转动时，其磁极旋转，受交变磁场的作用形成一个感应电动势并导致感应电流流过转子。
由于永磁体的磁场一直恒定，转子磁极不断旋转并产生变化的磁场，从而与定子线圈的交变磁场相互作用产生转矩，驱动转子旋转。
由于转子旋转速度与定子的交替电流频率一致，因此称其为永磁同步电机。
内置式永磁同步电机磁路饱和特性分析与补偿的研究
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内燃机与配件
0引言
相较于传统电力磁电机而言，
内置式永磁电机引入了
永磁体，整体电机磁场分布、性质都出现了一定的变化。且
磁场非线性、饱和度也有了一定程度的提升。在内置式永
磁同步电机发展过程中，其内部转子结构也在不断变化，
这种情况下，以往永磁同步电机分析方式就无法取得良好
的效果。因此采用多物理耦合仿真的方法对永磁同步电机
结构及不同转速下电磁参数进行适当分析非常必要。
1内置式永磁同步电机结构及工作原理
如图1所示，内置式永磁同步电机需要在转子位置进
行永磁体安装，除此之外，其他模块构成均与鼠笼异步电
动机构成方式相同。内置式永磁同步电机主要包括电枢绕
组、转子铁心、转轴、气隙、
机座及机壳等几个模块，其在定
子结构主要依据感应电动机模式，采用0.50mm硅钢片进
行叠合；而在转子铁心位置可利用整块钢进行实心处理；
在定子绕组模块大多为星形连接方式[1]。
2内置式永磁同步电机耦合仿真模型构建
依据上述内置式永磁同步电机结构参数，可利用
ANSOFT软件中Maxwell2D软件，进行同步启动永磁电动
机局部结构仿真，其中电子绕组分布为双层、
电机内部永
磁体为V型放置，内置充磁方向为径向。
3内置式永磁同步电机电磁耦合
为了确定不同隔磁桥宽度、位移变化对内置式永磁同
步电机结构、电磁的影响。本文从结构、
电磁两个方面进行
的分析，具体如下：
3.1结构有限元分析
在内置式永磁同步电机结构有限元分析过程中，主要
包括转子全参数化模型构建、不同转速下转子外圆周位移
分布仿真、转子应力及位移仿真三个模块。首先，转子全参
数化模型构建主要是在ANSOFT软件中，通过输入参数限
度，进行模型自动更新、计算及结果分析。在磁钢、
铁芯载
荷传递使用阶段，
主要采用面对面接触的模式，进行内置
式永磁同步电机参数输入。如表1所示。
其次，由于内置式永磁电机空载过程中，
其主要应力
源为离心力，因此在有限元仿真模型中，主要离心力F=
mrw2=（p*A*l*r*w2）N。其中r为质心离旋转轴线距离，w
为旋转角速度，m为质量系数，N为求解区域总单元数，
p为永磁电机材料密度，A、l分别为某个单元面积、
铁心
长度。
若隔磁桥厚度为10mm，电机转速为800-1100rpm，在
磁钢周边胶连作用近似为0的前提下，对转子外圆周节点
合位移随不同转速变化进行分析。通过对相关曲线的分
析，可明显得出随着转速的增加，
转子外圆周节点合位移
也在不断扩大[2]。
最后，为了确定不同工况下转子应力变化，
可假定隔
磁桥厚度为10mm，电机额定转速为1100rpm，若在磁钢周
边均进行磁钢地面胶的涂布，且转子铁心与磁钢连接紧
密，则所得到的电机最大转速为28.56MPa。隔磁桥磁钢与
铁心连接位置为最大转子位移位置，为0.284；若前提条件
不变，磁钢周边底面胶均失去胶粘效应，则得到的最大转
内置式永磁同步电机结构与电磁耦合分析
杨立超
淤曰王赫于曰于海蒂盂
（淤南阳雷德电驱有限公司，南阳473000；于卧龙电气南阳防爆集团股份有限公司，南阳473000；盂营口理工学院，营口115014）
摘要院内置式永磁同步电机具有效率高、能量密度高、结构简单、运行稳定等多种优良特点，其在混合动力汽车、航空航天、
空调驱
动等模块发挥了良好的作用。由于内置式永磁同步电机磁路饱和系数较高，且存在一定的交叉耦合情况，对电机参数计算造成了一定
的难题。因此本文通过多物理耦合仿真模型构建，
对内置式永磁同步电机结构进行了简单的分析，并就内置式永磁同步电机中不同转
速下参数变化进行了探究。
关键词院内置式永磁同步电机；
结构；电磁耦合
图2内置式永磁同步电机局部仿真
额定功率/kW额定电压/V额定电流/A额定转速/rpm气隙/mm定子内径/mm定子外径/mm转子内径转子外径磁钢厚度/mm顶点
定位/
mm
380112025011002410580180410108
表1内置式永磁同步电机主要参数渊局部冤
图1内置径向式永磁同步电机
·64·
InternalCombustionEngine&Parts
子应力仍然位于隔磁桥位置，为210MPa；最大转子位移在铁心圆周边缘位置为0.179。由以上可知，在不同的工况下，内置式永磁同步电机转子位置并不会出现损坏，其内部铁心也始终位于安全限度内。3.2电磁有限元分析在内置式永磁同步电机运行过程中，若其位于空载情况，则其产生的空载气息基波磁通主要来自与电枢绕组感应，而磁体反电势计算公式为En=4.44*f*N*K*准。其中准为空载气息基波磁通，准为空载时永磁体产生总磁通与空载时永磁体产生漏磁通的差。K为电机绕组系数，f为空载电流频率，N为电枢绕组每相串联匝数。一方面依据上述公式，在内置式永磁同步电机结构空载分析过程中，并不需要考虑永磁体励磁情况，因此在无电流励磁的情况下，假定额定转速为1100rpm，则可获得内置式永磁同步电机三相空载反电势运行趋势，而通过代入隔磁桥不同厚度系数，可以电磁场为入手点，得出具体的三相空载反电势数值。在具体空载试验进行过程中，为了进一步降低齿谐波对内置式永磁同步电机转子电磁耦合效果的影响，可对定子进行斜槽处理，综合考虑漏磁情况、主磁通情况及具体位置机械强度，提高最终电磁分析精度。另一方面由于永磁体产生气隙基波磁通受永磁体气隙磁密的影响，因此需要对空载气息磁密谐波进行进一步分析。由图3可知，通过将永磁同步电机电磁激励消除，可得到电磁空载气息磁密波形。在这个基础上，在Ansoft软件中FFT分析模块，可进行傅里叶变换分析，得出该内置式永磁同步电机气隙分布情况。通过对图3气隙磁密基波分量含量的评估，可得出后续谐波含量在整体谐波中占比较小，但是也不可忽略。依据上述情况，可采用转子优化设计进行适当减弱。3.3实验结果分析及验证在内置式永磁同步电机转子铁心机械强度一定的情况下，可逐步调整隔离桥尺寸，得出永磁材料实际隔离效
果及利用效率。本次验证试验主要设定隔离桥宽度为
10mm，其他数值均采用额定数值，进行内置式永磁电机反
电势运动仿真，可设计一台内置式永磁同步电机，
其容量
为38kW，额定电压及额定频率分布为360V、50Hz，额定转
速为1300，定子相数为3，在效率为0.92，功率因素为
0.96。该永磁电机具有自动启动能力。
在该样机空载仿真试验过程中，由于内置式永磁同步
电机绕组导线面积远小于整体面积，因此在具体验证试验
分析过程中可忽略集肤问题，即仅考虑电机启动阶段最大
反电势这一因素。在该内置式永磁同步电机电磁仿真验证
试验中，主要设定最大反电势为1.4289kV，标准反电势为
1.018kV；而实际测量控制反电势为1.4246kV，标准反电势
为1.016kV，
相较于实际测量空载反电势而言，整体误差
在1.5%以内。表明该内置式永磁同步电机仿真试验具有
一定可行性，其在最高转子时运行安全性较高[3]。
4总结
综上所述，内置式永磁同步电机主要为转子内部永磁
体安装模式。基于内置式永磁同步电机这一独特特点，在
其电磁结构分析过程中，
可从其电磁、结构两个方面，通过
隔磁桥的合理设置，对其转子结构强度、整体电机空载气
息磁密进行逐一分析。同时在得出电磁谐波分布之后，为
了验证整体结果的正确性，可进行真实永磁同步电机构
建。依据整体电磁仿真分析结果，
在实际永磁同步电机结
构设计过程中，可在降低隔磁桥宽度的基础上，适当提高
转子强度，从而保证永磁同步电机运行效率。
参考文献院
[1]王晓远，严长伟.电动汽车用内置式永磁同步电动机转子
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[2]陈起旭，徐俊，周阳，等.内置式永磁同步电机结构与电磁
耦合研究[J].防爆电机，2016，51（2）：1-5.
[3]胡光伟.高速内置式永磁同步电机结构强度分析与电磁校
核[D].重庆大学，2014，1（2）：2-3.
图3空载气息磁密谐波分析
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