浅谈永磁同步电机在电梯技术上的应用
周明
摘 要：近年来永磁电机在电动汽车、航天领域应用日益广泛，通过优化设计提高永磁电機的转动性能就显得更为重要，本文从优化永磁电动机的性能的目标出发，对降低齿槽转矩、进行了探索。
关键词：永磁电机；转矩；转动惯量；齿槽转矩
中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）21-0072-02
近年来，由于永磁电动机与传统的绕组电机相比具有体积小、重量轻、高效率、功率密度大等优势，在电动汽车、航天工业、机器人等领域的应用越来越广泛，如何通过优化电机的设计，提高电机的性能就显得尤为重要。本文首先从永磁电机的基础知识出发，介绍电机的基本类型、永磁体材料的性能指标等内容，随后就电机设计的热点问题，如电机的损耗、永磁体的布置、减少齿槽扭矩和优化电机的动态性能展开探索。
1 常见的电机类型
对于电机的类型而言，本文将分析几种电机的优缺点：包括直流电机、感应电机、开关磁阻电机，同时将对比永磁电机和非永磁电机（绕组电机）来突出永磁电机的优点。
（1）直流电机：最大的优势就是容易控制，这是因为直流电机的励磁和电枢电流都是线性的，因此，通过控制直流电机的励磁和电枢电流，就可以控制电机的扭矩和转速。（2）感应电机：可靠性最好，尤其是鼠笼型的感应电机，同时与其他类型的电机比起来，感应电机的造价较低；由于不需要电刷，感应电机几乎不需要维护；然而感应电机的控制确并非易事，同时电机的损耗较高、功率因数也不理想。（3）开关磁阻电机：结构简单，由于转子内没有绕组，所以可以适合在工况较高的温度下运行；同时其转矩-转速的特性也较其他电机更为理想；同时，开关磁阻电机的造价也较为低廉。但是由于需要额外的转子位置传感器来辅助换向，开关磁阻电机的控制较为复杂，电机的体积也随之增大，外加上噪音和振动较大，因此开关磁阻电机的应用也受到限制。（4）永磁无刷电机：应用了电力电子逆变器来替代传统的电刷，因此它克服了传统电机因电刷磨损而需要经常维护的问题，可靠性得到了很大的提高。由于功率密度大、电机效率高、体积较小、重量较轻等一系列优点，永磁无刷电机在电动汽车上应用的越来越广泛。然而由于使用了永磁体材料，永磁电机的造价较高；同时在高温等极端情况下，永磁体还面临着退磁等风险。
2 永磁材料的性能指标
永磁材料近些年来被广泛应用，除了在永磁电机上使用以外，还应用于智能手机、收音机、电视等。永磁体的性能可以从如下几个方面来反映：
（1）矫顽力：是指为使永磁体材料的磁场退化为0，而需要是加的反向磁场强度，换句话来说，矫顽力的大小代表着永磁体材料退磁的难易程度。（2）剩余磁通密度：又称为剩磁，是指永磁体在外加磁场消失后，所保留的磁场强度。（3）居里温度：是指磁性材料中自发磁化强度降到零时的温度。磁滞洄线代表了永磁体材料的的特点通过描述磁通密度和磁场强度的关系。
3 常见的永磁材料
在电机的设计中，高性能的永磁体材料例如铁磁、稀土永磁材料的应用最为广泛。铁磁材料最大的优点是造价较低，同时在低频工况下涡流的损失也可忽略不计。然而，铁磁材料的能量密度低，因此，它通常应用于对成本控制要求较高的领域。
（1）稀土永磁材料的性能较好，但造价同样较高。钐钴（SmCo5）最早于1970年被生产出来，这种稀土永磁材料最大的优点是能量密度高（4倍于铁磁材料）、能够在较高的温度下使用，缺点是造价昂贵。钕铁硼较钐钴有着更高的能量密度，同时造价相对较低，然而这种材料的居里温度较低，因此不适用于温度较高场合的应用。（2）软磁材料通常被应用于那些磁通密度随时间变换的领域，例如电磁起重机。当外加磁场时，软磁材料的磁通密度很容易改变，因此这种材料的磁滞回线较窄。由于软磁材料的电阻较小，当频繁改变磁通密度时，产生的涡流很大，因此它通常造成叠片结构，以增大电阻减少涡流。
4 永磁体的布置
在永磁电机的转子设计中，永磁体被设计布置在不同的位置以满足不同的应用需求，本文简述了两种永磁体的布置方式，如图1，图2所示。
第一种方式结构简单，永磁体被用碳纤维或玻璃纤维固定在转子的表面，因此，这种结构制造起来较为方便，但是在大转矩和高速运转的工况下，永磁体有脱落的风险，因此这种结构在上述情况下应用受限较多。同时，由于需要将永磁体加工成带弧度的形状，这也造成了电机制造成本的增加（带弧度的永磁体比平整的永磁体更难加工，因此成本也更高昂）。第二种布置方式永磁体被嵌入在转子内部，因此永磁体可以被很好的保护从而以避免退磁，另外一个好处是由于同时产生了磁阻转矩，这种布置方式的扭矩密度更大。同时这种布置方式可以使用平整的永磁体，因而降低了制造成本。但是由于永磁体被嵌入转子内部，这种结构产生的漏磁通较高。
5 优化电极和槽的匹配
在永磁电机的设计中，选择合适的电极和槽的数量对于电机的性能来说至关重要，它能够减少齿槽转矩、降低谐波，减少噪声和振动。在永磁电机运行过程中，由于磁场的存在，永磁体总是倾向于和电机的齿对齐，这将产生转矩的波动，我们称之为齿槽转矩。齿槽转矩对电机转矩的输出造成了干扰，同时产生了噪声和振动。在永磁电机的研究中，减小齿槽转矩是一个重要的的课题。一种常用的方式是在制造时将永磁体和电机的齿都倾斜一定的角度，但这样将造成制造成本的增加，同时产生了新的扭矩扰动-换向转矩；另外一种方式是合理的匹配电机的极数和槽数。研究表明这种方式将大大降低齿槽转矩。
6 降低电机的损耗
永磁电机的损耗可以分为三类：铜耗、铁耗、机械损耗。铜耗是由定子绕组线圈的电阻产生，它也是电机主要的损耗之一；因此，电机功率负载的增加也主要受制于铜耗；铁耗是由定子中的涡流产生，通常通过采用叠片结构的定子可以有效的降低铁耗。对高转速的永磁电机来说，永磁体中由定子产生的涡流可能导致永磁体温度的升高，进而引发退磁的风险，因此设法降低此类现象的发生是一个必要的问题；一种有效的方式是将永磁体分段，由此可以使定子的电流更加趋向于正弦曲线，降低谐波进而降低涡流。
7 优化电机转矩-转动惯量比
转动惯量通常代表着改变电机转子角速度的困难程度。在例如电动汽车应用等许多日常实践中，转子的转动惯量越小，电机的动态性能就越高。电机的性能系数（PR），反映了电机转矩和转动惯性的关系，也被称为“转矩-惯性比”，可以用如下公式来定义：
PR=（Torque（mean）-11000*inertia）
PR：电机的性能系数；Torque（mean）：电机的平均扭矩；Inertia：电机的转动惯性。
通过上述公式可以看出，要提高电机的性能，就要尽可能优化电机的性能系数，即提高扭矩，减小转动惯量。
由于转矩的大小取决于电枢电流，我们通常采用增加电枢电流来增加转矩。降低转子转动惯量的方式有很多，其中一种方法是通过降低转子的直径（直径越大，转动惯量越大），或者减小转子的质量；我们可以通过将转子内部做成镂空式来达到上述目的，如图3所示。
8 结语
永磁电机较传统的绕组电机有着高可靠性、高效率和高功率等优点，但是由于使用了昂贵的稀土材料它的造价也较传统的电机高昂，永磁体内嵌式永磁电机较永磁体表面布置式永磁电机更适合于高转速的工况，同时其制造成本也更加经济；通过合理的选择电机和槽能够有效的降低齿槽转矩、谐波和噪声；通过优化转矩-转动惯量系数，电机的动态性能能够得到进一步的提升。endprint
