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永磁同步电机设计与特性分析

摘要：随着技术的成熟以及生产材料的丰富，永磁同步电机的设计与生产取得

了长足的进步。在轨道交通、医疗机械以及能源领域都发挥着重要的作用，这种

设计方法不仅简化了以往的工艺流程，而且还能够极大的节能降耗。基于此，笔

者在文章中论述了永磁同步电机的特点与结构，并提出了设计环节需要着重关注

的要点。

关键词：永磁同步电机；结构特点；设计方法

引言

近几年国内能源问题日益紧张，而我国作为世界上最大的能源消费国，对节

能设备及技术的研究一直都给予了较高的重视。永磁同步电机在设计过程中传动

系统更加小巧，在节约了能耗的同时还至少提升了15％以上的效率。不仅如此，

该电机在其它元器件的设计中也做了相应的优化，使设备的稳定性也得到了显著

的改善。因此，在现阶段对永磁同步电机的特性以及设计方法进行探讨，对节能

设备的普及推广有着重要的意义。

一、永磁同步电机的特点

（一）功率因数较高

在以往的生产中，大多数企业使用感应电机来做功，不仅稳定性得不到保障

而且还存在很多无功损耗。比如在感应电机中为了给转子添加一个磁场，就必须

向其中导入励磁电流。这种做法虽然能够提高电力系统的稳定性，但也无疑会造

成能源的浪费。相比之下，永磁同步电机在设计中则不需要励磁电流。因此，在

投产使用后设备的功率因数比以往更好，主要就是解决了高电阻造成的损耗。此

外，在永磁电机中散热系统的设计也相对简单，风扇转动所消耗的能源也得到了

有效的控制。根据行业调查结果显示，使用永磁同步电机所提高的功率因数能够

超出其他类型产品一成。尤其是在轻载运行状态下，更是能够满足企业长周期使

用的需求，为系统运行节约了不少的成本。

（二）启动力矩较大

在电机运转过程中，力矩的大小直接决定了其性能表现。根据物理力学原理

可知，当力矩越大时能够用更少的力做功；相反，若力矩较小在运转过程中就容

易出现事倍功半的效果。在以往的电机设计中，技术人员往往更加注重做功能力

而非效率，这就导致“大马拉小车”的现象十分普遍。针对这一问题，永磁同步电

机在设计中则进行了优化，有效增大的启动力矩。在运行过程中一方面能够使设

备性能得到释放，以最小的能耗来实现做功；另一方面在硬件成本上也削减了不

少开支，并且减轻了后期运行维护的压力。

（三）温升范围较小

由于在永磁电机的设计过程中对定子和转子做了特殊处理，因此这两个零部

件损耗减少。这样一来就使得设备运作功率密度大幅度提高，能够达到同等体型

设备的1.5倍左右。这就意味着要满足一定功率的生产需求，永磁电机设备只需

要传统设备三分之二的大小。除此之外，永磁同步电机在运行中温升变化范围也

较小。一般来说，设备通电运行的状态下会逐渐被电流热升温，从而对元器件造

成不同程度的影响。这个升温范围越大，则说明设备电力系统越不稳定，元器件

所受到的损害也就越严重。而永磁同步电机设计中转子和定子都没有产生电流损

耗，也就使得温升主要受到其它元件的分量影响。在这种运行状态下，电机设备

的工况温度基本保持在较为稳定的区间内，运行的稳定性得到了保障。

二、永磁同步电机的结构

（一）电机的基本结构形式

永磁同步电机主要是依靠磁场来进行能量转换，因此在设备中电磁装置是非

常关键的元件。而要实现转换磁场，目前业界也主要由两种处理手段。其一，利

用电机绕组来产生磁场。这种设计方法需要在绕组内导入电流，从而形成一个电

磁场。不过在实际操作中较为复杂，对设备以及线缆的要求较为严格，因此在实

际中应用并不多见。其二，制造一个气隙磁场。这就需要借助于永磁体来实现，

并且将气隙间隙控制在较小的范围内，从而实现更大的力矩参与做功。在定子部

分使用稳定性更好的硅钢，，其余结构与传统设备并没有明显差别。而转子部分

则新增了永磁体和导磁轭，当轴承转动时永磁体也将随之运转。

（二）电机的运行原理分析

当永磁电机接通电源后，定子部分绕组就会随即产生一个旋转磁场。这个磁

场与转子上固定的永磁体互相影响，来增强磁场的作用效果，从而使轴承部分能

够以更少的力运转。在电磁转矩逐渐增大的过程中，相继突破磁钢与阻尼的障碍，

轴承部分就能够持续稳定的运转。这种运行模式不仅消除了转子的惯性，而且还

能够得到使运转速度得到进一步的提高。一旦当永磁体也开始同步运转时，整个

机械系统就能够稳定的做功。不难发现，永磁同步电机十分依赖于永磁体的作用，

从而使整个设备达到更突出的性能表现。

三、永磁同步电机的设