机电一体化永磁同步电机的设计_邢融.pdf

设 计 与 研 究97机电一体化永磁同步电机的设计邢融（上海航天智能装备有限公司，上海 200000）摘要：随着社会的发展，我国机电一体化技术取得了很大的进步，特别是机电一体化永磁同步电机的设计，对于我国机械工程的发展具有积极的意义。因此，要充分了解现有机电一体化永磁同步电机的构造与工作原理，并分析其应用现状，以推动我国机械行业的持续稳定发展。关键词：机电一体化；永磁同步电机；机械工程Design of Electromechanical Integrated Permanent Magnet Synchronous MotorXING Rong(Shanghai Aerospace Intelligent Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 200000)Abstract:With the development of society,the electromechanical integration technology has made great progress in our country,especially the design of electromechanical integration permanent magnet synchronous motor has positive significance for the development of mechanical engineering.Therefore,we should fully understand the structure and working principle of the existing electromechanical integration permanent magnet synchronous motor,and analyze its application status,so as to promote the continuous and stable development of Chinese machinery industry.Keywords:electromechanical integration;permanent magnet synchronous motor;mechanical engineering随着我国新兴技术的不断发展，各学科之间的交互成为当今科技发展的一个新方向。目前，我国的机电一体化技术已经较为成熟，在各行各业的应用中得到认可，尤其是在现有信息技术的支持下，更是加快了机电一体化技术的创新，使其在现有机械工程中得以推广。机电一体化永磁同步电机充分将机械、液压以及电子技术等进行融合，在很大程度上提高了现有机械的动力性能及设备运行时的安全性和可靠性，延长了机械的使用寿命，极大促进了我国机械工程的发展。因此，对机电一体化永磁同步电机进行设计至关 重要。1机电一体化技术介绍机电一体化技术是综合应用了机械、计算机、光学和电子力学等学科的一种新技术，通过发挥各学科的专业优势，合理设置机电一体化技术，可以实现高质量、耗能少、价值高等功能。该技术又被称为机械电子学，是一种新兴的综合科学，通过综合使用信息技术、精密机械技术和微电子技术解决现存的实际问题1。例如：在机电一体化技术中应用微电子技术可以有效实现对设备机械的控制；对于相关软件，机电一体化可以融合机械技术与电子技术形成新的系统。我国科技的进步促使机电一体化技术朝着新的方向发展，如高智能、微型化等。机电一体化技术不仅可以大大提高工程机械的工作效率和设备各方面的工作性能，还提升了工人的操作舒适度，因此应不断加大对机电一体化技术的研究。2永磁同步电机的相关介绍2.1工作原理永磁同步电机是利用永磁体产生磁场的一种小功率同步电动机，当内部的定子通过电流后，便可以产生相应的磁场。由于永磁体的磁极方向不确定，当电机内部的转子发生转动时，转子和定子会旋转到磁极和转速相等的状态，称为永磁同步电机的启动阶段。此外，永磁同步电机的异步启动阶段对电机的工作也极为重要。电机的转速从 0 开始逐渐变化，但由于转子的磁路不对称，会造成磁阻转矩和单轴转矩等现象，最终导致电机的转速变化振荡上升。永磁同步电机启动时，内部产生的异步转矩是电机加速的主要原因，其他转矩则会牵制电机的制动2。在电动机加速的过程中，永磁同步电机会受到永磁体脉振动的影响，使电机的转速出现问题，因此要充分认识它的工作原理，尽量避免这种现象发生。2.2永磁同步电机的构造2.2.1气隙磁通密度在设计永磁同步电机时，需要根据异步电机的情况进行确定，除了明确永磁转子和定子的工作原理外，还要掌握一些特殊技巧。气隙磁通密度会受到定子铁芯的限制，定子决定了最大磁通量。尤其是在达到峰值时，其磁通密度还会受到齿轮的影响。对于一般的永磁同步电机，效率越高的电机磁通密度越小，而电DOI:10.16107/ki.mmte.2023.0159现代制造技术与装备982023 年第 3 期总第 316 期机的最大扭矩密度较高时，电机的磁通密度也较高。电机的气隙磁通密度值一般为 0.7 1.1 T。此数值表示的是总磁通密度，也就是定子和转子磁通之和。现有电机设计时，一般追求较大的磁阻转矩，这就意味着电机内部定子的数值也应较大3。从现有的电机参数可以得出，对于运行速度较低的电机而言，高电感会影响电机的运行功率。2.2.2永磁材料磁铁对电机设备来说非常重要，它的存在可以有效改善电机的运行效果。目前，多数学者在研究材料时更加关注稀土金属和过渡金属，因为利用这些材料可以获得较高磁性的永磁体。需要注意的是，不同的处理方式可以使磁铁具备不同的磁性。钕铁硼和钐钴是我国现有工程中常用的永磁材料，其相关性能参数如表 1 所示。目前，钕铁硼磁体已经得到了非常广泛的应用，由于成本较低，性能极佳，是学者们进行永磁材料性能研究的首选材料。表 1永磁材料的性能参数特性钕铁硼钐钴剩磁/T1.000 1.3000.820 1.160矫顽力/（Am-1）（0.875 1.990）106（0.493 1.590）106渗透性1.0501.050剩磁温度系数/（%-1）-0.120-0.030矫顽力温度系数/（%K-1）-0.650 -0.550-0.300 -0.150居里温度/（）320.000800.000抗弯强度/（Nmm-2）250.000150.000电阻率/（m）（110.000 170.000）10-686.00010-6最大磁能积/（MGOe）32.000 53.00018.000 33.000由表 1 可以得出，在应用永磁体时主要考虑的材料特性包括剩磁（用于测量永磁体的强度磁场）和矫顽力等。钕铁硼磁体的剩磁性能较高，且矫顽力和磁能积也较高，在高温下可以保持良好的磁性，因此在现有高温作业中发挥着重要作用。2.3永磁同步电机设计永磁同步电机的设计需要考虑很多因素的影响。首先，永磁转子的构造对永磁同步电机的感应极为重要，设计电机时不应改变定子及其绕组的形状和尺寸。其次，设计时要充分考虑永磁电机的速度、极数及其内外直径等。最后，要考虑与永磁同步电机使用相关的反电动势、磁通和定子电阻等。正是由于永磁同步电机内部结构的紧凑性及其对高扭矩密度的要求，才使它在当前工业生产中具有广泛应用。尤其是对于性能驱动较高的系统，如潜艇推进系统等，应用永磁同步电机能够有效完善其系统配置。此外，永磁同步电机的设计还应考虑后期的维护工作等，必要时可以选择对其进行励磁，以有效降低转子的损耗4。2.4电感与电感器电感是永磁同步电机在使用过程中涉及的一个参数，主要是指磁链与产生磁通电流的比。电感器是从电机内部的电感中抽取的一个模拟电路，主要作用是储存磁场中的能量。电感器主要由铁磁芯及缠绕在上面的线圈组成。电感值主要与导体结构和磁通量相关。在电机运行过程中，查找电感的步骤主要有以下 4 步：一是假设导体内部有电流通过；二是利用安培环路定律确定磁感应强度足够对称；三是计算电路中所有的磁通量总和；四是将求得的总磁通量乘以相应的回路数得到磁链，进一步获取与永磁同步电机设计相关的参数。3工程机电一体化技术的应用3.1在工程机械节能降耗方面的应用我国的传统机械由于技术落后，导致能量利用率不高。例如，传统的液压挖掘机工作时的燃煤利用率只有 30%，其余燃料均被浪费，意味着我国现有的机械工程需要朝着更加节能、高效的方向发展。通过使用机电一体化技术，利用节能控制器来控制挖掘机的燃料使用，可以使燃料的利用率达到 98%，不仅实现了能源的节约，也充分体现了该技术的优点。此外，利用电子控制器来操控挖掘机，不仅可以减少机械的磨损程度，而且对于我国工业机械的发展具有一定的推动作用，也符合当前社会发展的需要。3.2在自动化及半自动化作业全过程中的应用机电一体化技术实现了自动化及半自动化作业，设 计 与 研 究99不仅可以提高生产效率，而且能够减轻工人的工作强度，还有效避免工人因操作不熟练而导致的操作精度不符合要求的情况。例如，某公司设计的挖掘机可以控制挖掘轨迹，只需要在电脑中设置好行驶路线，挖掘机便可以通过挥动铲刀和斗杆进行活动。这一功能的实现离不开机电一体化技术，同时机器操作系统发出相应的传感信号，以确定行驶路线。3.3在控制柴油机方面的应用在信息技术不断进步的当下，我国的电子技术不断完善和创新。对于发动机耗油量高的问题，通过研发电子节能液压泵来满足柴油机使用过程中的低耗能要求。此外，机电一体化技术的应用还可以实现柴油机工作时自动变速的功能，根据工作负荷调节柴油机的油门，使得喷油时间达到最佳的排放标准，为我国工业机械中应用该技术提供一定的依据5。3.4在机械操作方面的应用对于机械工程操作而言，通过应用机电一体化技术可以完成大量的重复性工作，大大减轻了工人的劳动强度。人们可以进行更多有技术水平的工作，对我国向高科技方向发展具有一定的积极意义。3.5在工程作业精确度方面的应用电子控制系统可以使机械设备工作时的精准度更高。例如，在道路施工过程中，可以利用电子控制开展自动找平工作，大大提高了工程的施工质量。此外，工程中应用自动供料系统可以自动调节施工中混凝土和沥青材料的供料，提高路面的铺摊效果。可见，电子控制系统的应用可以有效提高施工的精准度，符合当代工程施工的需求。3.6在电子监控方面的应用通过电子监控系统进行机械工作的监控和故障分析至关重要。工程机械的工作装置主要包括传动系统、发动机及液压系统等，任意环节出现问题都会导致工程机械的运行问题，从而影响工作进度。因此，要充分利用现有机电一体化技术监控机械的工作过程，当出现故障时可及时提示并进行维修。同时，通过电子监控可以明确出现问题的具体环节，简化现有机械设备的检修工作，这对提高机械设备的检修效率具有重要意义。4工程机电一体化技术的发展前景4.1传感器技术目前，传感器技术已经较为成熟，也有了很多应用实例。例如：在车辆的发动机上安装传感器可以控制机油的压力；冷却水温度传感器可以实现对发动机运行状态的控制；沥青铺摊机利用传感器可以实现铺摊均匀、满足路面厚度及坡度要求。虽然传感器已经在我国有了初步的应用，但是其在精度和稳定性方面仍有较大的改善空间。随着我国信息采集技术的不断进步，传感器也将朝着多功能的方向发展，促进了机电一体化技术的进步。4.2计算机信息处理技术使用计算机技术识别信息主体是未来的主要发展方向。现有的很多智能软件和技术都离不开计算机编程，通过该技术不仅可以处理信息主体，还可以识别、储存相关信息。因此，要想使机电一体化工程有着更加深入的发展和技术上的创新，离不开计算机信息技术的处理应用。4.3微电子技术工程机械实现现代化最主要的方式是将微电子技术作为核心技术，在相关理论的指导下不断完善智能化设计并进行仿真应用，进而投入工程实践。因此，机电一体化技术的发展必须以电子控制理论作为指导，与微电子技术充分融合。5结语机电一体化永磁同步电机的设计是我国机械工业发展的主要推动力，可以使我国的机械行业更具市场竞争力。在信息技术不断发展的背景下