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摘 要：电机作为最为常用的机电能量转换装置，在工农业、航天航空以及公用设施等各个领域都有广泛的应用，对经济与社会的发展具有重要作用。我国电机每年的耗电量在工业用电总量与全国用电总量中都占有较大比重，且随着工业化程度的不断提高，比例还在不断增大。笔者就针对大型同步电机的结构进行了优化分析，以提高大型同步电机的工作效率，创造更大的经济效益与社会效益。
关键词：大型同步电机；永磁电机；结构设计
大型同步电机多指永磁同步电机，其损耗和发热多是源于励磁绕组，如果可以除去励磁绕组，那么就可以在简化电机结构的同时提高电机的效率，节约能源。永磁同步电机的结构相对简单，能效高，在额定负载与轻载时都可以保持较高的功率因数，因此，大型同步电机在许多领域都有广泛的应用。在永磁同步电机中励磁部分是具有高磁能积的永磁体，在进行电机结构设计时需要综合考虑其形状、防治位置等，同时还需要考虑电磁场分布、结构强度、温升控制以及机械寿命等，确保同步电机结构符合要求。
1.电机结构设计优化顺序
所谓的电机结构设计优化指的是以满足电机运行需求为前提，尽可能地降低电机的设计成本。以大型同步电机中的永磁同步电机为例，在永磁同步电机中永磁材料的价格相对较高，因此，在设计时应尽可能地减小永磁体的尺寸，降低电机的成本。除此之外，电机在运行过程中还会产生振动和噪音，这些因素在设计时都要充分考虑，以延长电机的使用寿命，使电机饥饿哦股优化向着智能化方向发展。
对于永磁同步电机在设计时需要遵循四步，首先是根据电机性能指标与额定数据确定电机的尺寸与磁路结构类型，而后进行电机定转子绕组类型的设计，选取材料，进行电磁性能计算，最后对结构参数进行进一步的优化调整[1]。
目前很多大型同步电机在进行结构设计时都采用永磁材料代替感应电机的励磁绕组，使电机结构得到了简化，但是由于永磁体的形状与位置不同，永磁电机的磁路也就变得更加的复杂，如果沿用等效磁路法很容易产生偏差，随着近几年计算机技术的快速发展，在进行电机结构设计时更多地以电磁场有限元数值计算方法为基础求解电磁场逆问题，这种方式使结构参数更加的準确，但同时由于在求解电磁场逆问题时需要大量的迭代计算，这样无形中便增加了结构设计的计算量，使电机的结构设计耗费大量的资源与时间，将逆问题分解为一系列正问题，并结构一定的结构设计优化方法，可以有效降低结构设计的资源与时间消耗，因此，对电机进行结构设计优化是极为必要的[1]。
2.对大型同步电机结构设计优化的研究
2.1永磁材料的选取
大型同步电机中永磁同步电机占有较大比重，在进行永磁电机结构设计时首先需要考虑永磁材料。永磁材料的质量直接关系到电机的性能，对于高速电机的永磁体既需要具有较高的剩磁密度以及磁能积，也需要具备较高的工作温度与热稳定性，由于高速电机需要在高速下运行，高频附加损耗较大，如果内装式转子散热条件不达标，那么就会引起转子过热，导致永磁体不可逆退磁。此外还需要尽可能减小永磁电机的体积，以提高电机的工作效率[1]。
2.2永磁体结构形式
除了永磁材料的选取，永磁体结构形式的设计也是永磁同步电机结构设计的重要部分，不同的永磁体结构形式，最后制造出的同步电机在运行性能、控制系统等方面都会有所不同。因此，在进行同步电机结构设计时需要以达到电机的运行要求为目标，以电机转速为依据，选择合理的转子磁路结构，设计合理的永磁体结构形式。目前，永磁同步电机转子磁路结构可以根据永磁体的位置划分为三种：表面式、内置式、爪极式[2]。
永磁体位于转子铁芯表面的转子磁路结构为表面式，永磁体为瓦片型，这种结构形式简化了实际的制造工艺，成本较低，广泛应用于多种永磁同步电机中，其中矩形波永磁同步电机采用表面式转子磁路结构最多。由于永磁体为于转子铁芯表面，表面无法安装起动绕组，这样一来表面式转子磁路结构的电机就不具有异步起动能力，在异步起动永磁同步电机的结构设计中无法采用表面式转子磁路结构。
永磁体位于转子内部的转子磁路结构为内置式，在该结构中永磁体外表面与定子铁芯内圆间留有极靴，可以放置铸铝笼或铜条笼，起到阻尼与起动的作用，提高永磁体的稳定性，因此，内置式转子磁路结构可以用于异步起动能力或动态性能高的异步起动永磁同步电动机中。根据永磁体磁化方向与转子选择方向可以将内置式转子磁路结构划分为径向式、切向式和混合式三类。径向式内置结构具有漏磁系数小、极弧系数易于控制、转子机械强度高等优势，在内置式结构中应用最为广泛[1]。切向式结构的漏磁系数较大，在采用该结构作为转子磁路结构时需要采取隔磁措施，因此，切向式结构制造工艺较为复杂，成本也叫径向式更高，但切向式可以将相邻的磁极并联已获得更大的每极磁通，这样一来，在径向式结构无法提供足够的每极磁通时，可以以切向式结构代替。混合式结构综合了径向式与切向式的优点，但是制造工艺复杂，成本高都限制了其应用。
与表面式、内置式转子磁路结构不同，爪极式转子磁路结构是由两个带爪的法兰盘和一个圆环形的永磁体构成的，结构简单，制造工艺简单，成本低，但是以爪极式转子磁路结构制造的永磁同步电机的性能相对较低，也不具有异步起动的能力，因此，在大型同步电机结构设计中应用较少。
2.3永磁同步电机转子结构设计
永磁体可以承受较大的压力，但是大的拉应力永磁体是无法承受的，因此，永磁体在布置时需要尽可能地避免因高速旋转承受较大离心力而造成的破坏。永磁同步电机转子结构设计时还需要考虑转子冲片的强度，永磁体在布置时应在转子冲片的边缘留有一定的裕度，避免因电机高速旋转产生过大的离心力而导致转子冲片被破坏，但这里需要强调的是在进行永磁同步电机转子结构设计时不能随意地降低漏磁系数，如果为了避免高速旋转产生的离心力破坏而随意降低漏磁系数，会导致永磁体无法靠近转子中心，影响电机的运行参数。在进行永磁同步电机转子结构设计时可以将每一极下的四个永磁体串联，这样可以节省永磁材料，利用较少的永磁材料获得较高的磁动势，节约永磁同步电机的设计成本[2]。
3.结语
随着社会与科技的不断进步，电机作为重要的机电能量转换装置，在多个领域都得到了广泛的应用，大型同步电机中应用最为广泛的便是永磁同步电机，然而就当前永磁同步电机的应用情况来看，永磁同步电机的能耗较大，需要对其结构进行进一步的优化设计。大型同步电机在额定负载与轻载时都可以保持较高的功率因数，在许多领域都有应用。对大型同步电机的结构设计优化需要以满足电机运行要求为前提，尽可能地简化电机结构，降低电机运行的耗能，提高电机效率，节约电机的运行耗能。
参考文献：
[1]李国丽，司伟，王群京，周睿，方光辉，姜锟. 基于C++的永磁同步电机的设计[J]. 日用电器，2014，10：45
[2]薛超，郑东平. 大型同步电机通风系统的计算和分析[J]. 上海大中型电机，2010，04：23-27.
关键词：大型同步电机；永磁电机；结构设计
大型同步电机多指永磁同步电机，其损耗和发热多是源于励磁绕组，如果可以除去励磁绕组，那么就可以在简化电机结构的同时提高电机的效率，节约能源。永磁同步电机的结构相对简单，能效高，在额定负载与轻载时都可以保持较高的功率因数，因此，大型同步电机在许多领域都有广泛的应用。在永磁同步电机中励磁部分是具有高磁能积的永磁体，在进行电机结构设计时需要综合考虑其形状、防治位置等，同时还需要考虑电磁场分布、结构强度、温升控制以及机械寿命等，确保同步电机结构符合要求。
1.电机结构设计优化顺序
所谓的电机结构设计优化指的是以满足电机运行需求为前提，尽可能地降低电机的设计成本。以大型同步电机中的永磁同步电机为例，在永磁同步电机中永磁材料的价格相对较高，因此，在设计时应尽可能地减小永磁体的尺寸，降低电机的成本。除此之外，电机在运行过程中还会产生振动和噪音，这些因素在设计时都要充分考虑，以延长电机的使用寿命，使电机饥饿哦股优化向着智能化方向发展。
对于永磁同步电机在设计时需要遵循四步，首先是根据电机性能指标与额定数据确定电机的尺寸与磁路结构类型，而后进行电机定转子绕组类型的设计，选取材料，进行电磁性能计算，最后对结构参数进行进一步的优化调整[1]。
目前很多大型同步电机在进行结构设计时都采用永磁材料代替感应电机的励磁绕组，使电机结构得到了简化，但是由于永磁体的形状与位置不同，永磁电机的磁路也就变得更加的复杂，如果沿用等效磁路法很容易产生偏差，随着近几年计算机技术的快速发展，在进行电机结构设计时更多地以电磁场有限元数值计算方法为基础求解电磁场逆问题，这种方式使结构参数更加的準确，但同时由于在求解电磁场逆问题时需要大量的迭代计算，这样无形中便增加了结构设计的计算量，使电机的结构设计耗费大量的资源与时间，将逆问题分解为一系列正问题，并结构一定的结构设计优化方法，可以有效降低结构设计的资源与时间消耗，因此，对电机进行结构设计优化是极为必要的[1]。
2.对大型同步电机结构设计优化的研究
2.1永磁材料的选取
大型同步电机中永磁同步电机占有较大比重，在进行永磁电机结构设计时首先需要考虑永磁材料。永磁材料的质量直接关系到电机的性能，对于高速电机的永磁体既需要具有较高的剩磁密度以及磁能积，也需要具备较高的工作温度与热稳定性，由于高速电机需要在高速下运行，高频附加损耗较大，如果内装式转子散热条件不达标，那么就会引起转子过热，导致永磁体不可逆退磁。此外还需要尽可能减小永磁电机的体积，以提高电机的工作效率[1]。
2.2永磁体结构形式
除了永磁材料的选取，永磁体结构形式的设计也是永磁同步电机结构设计的重要部分，不同的永磁体结构形式，最后制造出的同步电机在运行性能、控制系统等方面都会有所不同。因此，在进行同步电机结构设计时需要以达到电机的运行要求为目标，以电机转速为依据，选择合理的转子磁路结构，设计合理的永磁体结构形式。目前，永磁同步电机转子磁路结构可以根据永磁体的位置划分为三种：表面式、内置式、爪极式[2]。
永磁体位于转子铁芯表面的转子磁路结构为表面式，永磁体为瓦片型，这种结构形式简化了实际的制造工艺，成本较低，广泛应用于多种永磁同步电机中，其中矩形波永磁同步电机采用表面式转子磁路结构最多。由于永磁体为于转子铁芯表面，表面无法安装起动绕组，这样一来表面式转子磁路结构的电机就不具有异步起动能力，在异步起动永磁同步电机的结构设计中无法采用表面式转子磁路结构。
永磁体位于转子内部的转子磁路结构为内置式，在该结构中永磁体外表面与定子铁芯内圆间留有极靴，可以放置铸铝笼或铜条笼，起到阻尼与起动的作用，提高永磁体的稳定性，因此，内置式转子磁路结构可以用于异步起动能力或动态性能高的异步起动永磁同步电动机中。根据永磁体磁化方向与转子选择方向可以将内置式转子磁路结构划分为径向式、切向式和混合式三类。径向式内置结构具有漏磁系数小、极弧系数易于控制、转子机械强度高等优势，在内置式结构中应用最为广泛[1]。切向式结构的漏磁系数较大，在采用该结构作为转子磁路结构时需要采取隔磁措施，因此，切向式结构制造工艺较为复杂，成本也叫径向式更高，但切向式可以将相邻的磁极并联已获得更大的每极磁通，这样一来，在径向式结构无法提供足够的每极磁通时，可以以切向式结构代替。混合式结构综合了径向式与切向式的优点，但是制造工艺复杂，成本高都限制了其应用。
与表面式、内置式转子磁路结构不同，爪极式转子磁路结构是由两个带爪的法兰盘和一个圆环形的永磁体构成的，结构简单，制造工艺简单，成本低，但是以爪极式转子磁路结构制造的永磁同步电机的性能相对较低，也不具有异步起动的能力，因此，在大型同步电机结构设计中应用较少。
2.3永磁同步电机转子结构设计
永磁体可以承受较大的压力，但是大的拉应力永磁体是无法承受的，因此，永磁体在布置时需要尽可能地避免因高速旋转承受较大离心力而造成的破坏。永磁同步电机转子结构设计时还需要考虑转子冲片的强度，永磁体在布置时应在转子冲片的边缘留有一定的裕度，避免因电机高速旋转产生过大的离心力而导致转子冲片被破坏，但这里需要强调的是在进行永磁同步电机转子结构设计时不能随意地降低漏磁系数，如果为了避免高速旋转产生的离心力破坏而随意降低漏磁系数，会导致永磁体无法靠近转子中心，影响电机的运行参数。在进行永磁同步电机转子结构设计时可以将每一极下的四个永磁体串联，这样可以节省永磁材料，利用较少的永磁材料获得较高的磁动势，节约永磁同步电机的设计成本[2]。
3.结语
随着社会与科技的不断进步，电机作为重要的机电能量转换装置，在多个领域都得到了广泛的应用，大型同步电机中应用最为广泛的便是永磁同步电机，然而就当前永磁同步电机的应用情况来看，永磁同步电机的能耗较大，需要对其结构进行进一步的优化设计。大型同步电机在额定负载与轻载时都可以保持较高的功率因数，在许多领域都有应用。对大型同步电机的结构设计优化需要以满足电机运行要求为前提，尽可能地简化电机结构，降低电机运行的耗能，提高电机效率，节约电机的运行耗能。
参考文献：
[1]李国丽，司伟，王群京，周睿，方光辉，姜锟. 基于C++的永磁同步电机的设计[J]. 日用电器，2014，10：45
[2]薛超，郑东平. 大型同步电机通风系统的计算和分析[J]. 上海大中型电机，2010，04：23-27.