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摘要：永磁同步电机具有高效、节能、结构简单等优点在伺服驱动系统中得以广泛应用，且日益受到人们的关注和重视，加强对永磁同步电机的研究分析，对贯彻节能减排战略和促进绿色经济的发展具有重要意义。基于此，本文主要对永磁同步牵引电机设计与仿真平台进行研究，以为相关从业人员提供有价值的参考。
关键词：永磁同步牵引电机；设计分析；仿真平台
1引言
在社会经济和生产技术快速发展的形势下，我国铁路建设已进入高速化的发展阶段，高速电力机车对牵引系统的要求越来越高，而牵引电机作为机车系统的重要组成部分，其应具备良好的启动特性和调速性能。而用永磁同步电机所具备的功率因数高、体积小、重量轻等特点符合机车牵引系统的要求，已成为当前机车牵引系统的首要选择，其也代表了新世纪电机发展的主要方向。
2永磁同步牵引电机设计分析
永磁同步电机的设计即是在保证产品基本技术性能指标的基础上，实现产品经济效益的最大化。电机设计是一个需要不断验证和调整的过程，根据电机的工作环境和性能要求，永磁同步牵引电机的设计重点包括以下几个方面：
2.1定子槽数和槽形
定子槽数多可扩大线圈和铁心的导热面积，提高其散热能力，但这在一定程度上会增加线圈和定子装配的成本和工作量；定子槽数少不利于电机散热，且由于电机轴部漏磁的增加，降低了磁的利用率，因此，定子槽数的确定应坚持保证电机电气性能好、制造工作简单的原则；槽形应根据线圈的电压等级和绝缘等级进行确定。
2.2转子的设计
①永磁体的设计。永磁电机的励磁磁场是由永磁体产生的，其设计直接影响着电机的运行性能和控制方法，因此，在设计过程中需满足一下几点要求：能产生满足工作基本需要的磁场；具有较强的耐腐蚀性；随着温度和环境所产生的变化是在允许范围内的；经济性良好；②转子铁心的设计。主要设计形式包括表面式和凸极式两种转子结构，如图1和图2所示：
表面式转子結构中部镂空，可通过减轻转子的重量来提高电机负载能力，同时转轴上设置的卡槽可有效提高转子的机械强度；凸极式转子结构主要为径向式结构，这种结构的漏磁可能性较小，且转轴上无需安装隔磁装置，转子冲片的机械强度较高。另外，当两种结构的电机内磁场分布处于饱和状态时，凸极式转子结构的磁场和磁力线分布情况较为合理，表面式转子结构的磁密较高，部分区域的磁力线分布过于密集，针对这种情况，可适当减少永磁体的磁化方向强度，或是对转子镂空部分的面积进行调整。
2.3齿槽转矩设计
电机作为一种机电能量转换设备，在社会生产生活中起着不可替代的作用，但由于永磁电机的初级铁心结构和永磁体之间的相互作用，导致齿槽转矩产生较大的推力波动，进而对整个系统的运行性能造成影响。齿槽转矩的产生是由于电枢铁心的磁导率可视为无穷大，永磁材料的磁导率与空气基本一致，则电机内存储的能量基本可视为电机气隙与永磁体内的能量之和，永磁体内的能量在电机处于运行状态时基本是保持不变的。相关研究表明，齿槽转矩与电机本体结构是密切相关的，可采用开辅助槽、极槽数配合等方法来削弱永磁电机的齿槽转矩。
2.4主要的电磁参数设计
永磁体在运行过程中会使得电机的本体结构、磁场分布等发生较大的变化，在电机功率等级和工艺水平不断提高的背景下，对电机电磁参数的计算精度要求越来越高，这种情况下，可借助计算机仿真技术对电机内的电磁场进行分析，在得到一些场量后对相关参数进行计算，可有效提高永磁电机的研发效率和计算精度。
3永磁同步牵引电机仿真平台的研究
在对永磁同步牵引相关设计内容进行名曲而后，需利用Mat-lab进行建模仿真，这时一种高级技术计算语言，其具备图形处理和仿真、矩阵数值计算等功能，而Simulink是Mat-lab中一种功能强大的模块化仿真工具，用户仅需通过简单的鼠标操作和编辑模块图即可构造出复杂的系统，利用该工具对系统进行仿真和分析，可使用户立即看到仿真结果，以采取措施对其进行修改，有利于提高系统的开发效率，。
考虑到电机的实际工作环境，建立电机仿真平台可利用各种控制方法对电机的动态性能参数进行了解，利用建模软件直接建立电机的本体模型，再搭建其启动特性的电路仿真系统，可充分了解电机结构的微小不同，以对电机控制系统的运行性能进行高精度分析，使得所建立的系统仿真平台更接近真实的系统，同时也可保证结果的精准度。
3.1基于Flux和Simulink的联合仿真平台
具体实现过程为：在Flux中建立永磁同步电机模型，对各个材料属性与参数进行明确，在仿真出空载与稳态性能后，若仿真结果合理则表明模型建立正确，即可仿真电机的启动过程。在利用相关计算方法控制所需的参数后，可利用Simulink搭建控制电路，其可与Flux直接联合仿真，进行电路与机械方面的协同运算，仿真结果精度更高。
3.2基于Maxwell和Simplorer的联合仿真平台
Simplorer是一个高性能的机电系统设计工具，具有较强的建模功能和多模块协同仿真技术，可提高系统的可靠性和稳定性。其与Maxwell一样，具有丰富的模型库，包含完整的电力电子器件模型、变压器模型、机械元件模型、控制算法等，提供了一套完整的的仿真解决方案。
4结语
综上所述，永磁同步电机在车辆牵引系统中的应用，可减少牵引系统的重量和体积，提高系统的传动效率，同时利用Simulink软件对永磁电机的控制系统进行建模与仿真，永磁同步电机仿真分析平台的建立，进一步推动了永磁同步电机朝着一体化、专用化、高性能的方向发展。
参考文献：
[1]何亚屏，文宇良，许峻峰，等.基于多模式SVPWM算法的永磁同步牵引电机弱磁控制策略[J].电工技术学报，2012，27（3）：92-99.
[2]赵凯辉，陈特放，张昌凡，等.永磁同步牵引电机无速度传感器转矩精确控制[J].电子测量与仪器学报，2015，29（1）：38-47.
[3]沈辉，张希.电动汽车牵引电机新型控制系统的设计研究[J].电气传动，2015，45（3）：3-6.
关键词：永磁同步牵引电机；设计分析；仿真平台
1引言
在社会经济和生产技术快速发展的形势下，我国铁路建设已进入高速化的发展阶段，高速电力机车对牵引系统的要求越来越高，而牵引电机作为机车系统的重要组成部分，其应具备良好的启动特性和调速性能。而用永磁同步电机所具备的功率因数高、体积小、重量轻等特点符合机车牵引系统的要求，已成为当前机车牵引系统的首要选择，其也代表了新世纪电机发展的主要方向。
2永磁同步牵引电机设计分析
永磁同步电机的设计即是在保证产品基本技术性能指标的基础上，实现产品经济效益的最大化。电机设计是一个需要不断验证和调整的过程，根据电机的工作环境和性能要求，永磁同步牵引电机的设计重点包括以下几个方面：
2.1定子槽数和槽形
定子槽数多可扩大线圈和铁心的导热面积，提高其散热能力，但这在一定程度上会增加线圈和定子装配的成本和工作量；定子槽数少不利于电机散热，且由于电机轴部漏磁的增加，降低了磁的利用率，因此，定子槽数的确定应坚持保证电机电气性能好、制造工作简单的原则；槽形应根据线圈的电压等级和绝缘等级进行确定。
2.2转子的设计
①永磁体的设计。永磁电机的励磁磁场是由永磁体产生的，其设计直接影响着电机的运行性能和控制方法，因此，在设计过程中需满足一下几点要求：能产生满足工作基本需要的磁场；具有较强的耐腐蚀性；随着温度和环境所产生的变化是在允许范围内的；经济性良好；②转子铁心的设计。主要设计形式包括表面式和凸极式两种转子结构，如图1和图2所示：
表面式转子結构中部镂空，可通过减轻转子的重量来提高电机负载能力，同时转轴上设置的卡槽可有效提高转子的机械强度；凸极式转子结构主要为径向式结构，这种结构的漏磁可能性较小，且转轴上无需安装隔磁装置，转子冲片的机械强度较高。另外，当两种结构的电机内磁场分布处于饱和状态时，凸极式转子结构的磁场和磁力线分布情况较为合理，表面式转子结构的磁密较高，部分区域的磁力线分布过于密集，针对这种情况，可适当减少永磁体的磁化方向强度，或是对转子镂空部分的面积进行调整。
2.3齿槽转矩设计
电机作为一种机电能量转换设备，在社会生产生活中起着不可替代的作用，但由于永磁电机的初级铁心结构和永磁体之间的相互作用，导致齿槽转矩产生较大的推力波动，进而对整个系统的运行性能造成影响。齿槽转矩的产生是由于电枢铁心的磁导率可视为无穷大，永磁材料的磁导率与空气基本一致，则电机内存储的能量基本可视为电机气隙与永磁体内的能量之和，永磁体内的能量在电机处于运行状态时基本是保持不变的。相关研究表明，齿槽转矩与电机本体结构是密切相关的，可采用开辅助槽、极槽数配合等方法来削弱永磁电机的齿槽转矩。
2.4主要的电磁参数设计
永磁体在运行过程中会使得电机的本体结构、磁场分布等发生较大的变化，在电机功率等级和工艺水平不断提高的背景下，对电机电磁参数的计算精度要求越来越高，这种情况下，可借助计算机仿真技术对电机内的电磁场进行分析，在得到一些场量后对相关参数进行计算，可有效提高永磁电机的研发效率和计算精度。
3永磁同步牵引电机仿真平台的研究
在对永磁同步牵引相关设计内容进行名曲而后，需利用Mat-lab进行建模仿真，这时一种高级技术计算语言，其具备图形处理和仿真、矩阵数值计算等功能，而Simulink是Mat-lab中一种功能强大的模块化仿真工具，用户仅需通过简单的鼠标操作和编辑模块图即可构造出复杂的系统，利用该工具对系统进行仿真和分析，可使用户立即看到仿真结果，以采取措施对其进行修改，有利于提高系统的开发效率，。
考虑到电机的实际工作环境，建立电机仿真平台可利用各种控制方法对电机的动态性能参数进行了解，利用建模软件直接建立电机的本体模型，再搭建其启动特性的电路仿真系统，可充分了解电机结构的微小不同，以对电机控制系统的运行性能进行高精度分析，使得所建立的系统仿真平台更接近真实的系统，同时也可保证结果的精准度。
3.1基于Flux和Simulink的联合仿真平台
具体实现过程为：在Flux中建立永磁同步电机模型，对各个材料属性与参数进行明确，在仿真出空载与稳态性能后，若仿真结果合理则表明模型建立正确，即可仿真电机的启动过程。在利用相关计算方法控制所需的参数后，可利用Simulink搭建控制电路，其可与Flux直接联合仿真，进行电路与机械方面的协同运算，仿真结果精度更高。
3.2基于Maxwell和Simplorer的联合仿真平台
Simplorer是一个高性能的机电系统设计工具，具有较强的建模功能和多模块协同仿真技术，可提高系统的可靠性和稳定性。其与Maxwell一样，具有丰富的模型库，包含完整的电力电子器件模型、变压器模型、机械元件模型、控制算法等，提供了一套完整的的仿真解决方案。
4结语
综上所述，永磁同步电机在车辆牵引系统中的应用，可减少牵引系统的重量和体积，提高系统的传动效率，同时利用Simulink软件对永磁电机的控制系统进行建模与仿真，永磁同步电机仿真分析平台的建立，进一步推动了永磁同步电机朝着一体化、专用化、高性能的方向发展。
参考文献：
[1]何亚屏，文宇良，许峻峰，等.基于多模式SVPWM算法的永磁同步牵引电机弱磁控制策略[J].电工技术学报，2012，27（3）：92-99.
[2]赵凯辉，陈特放，张昌凡，等.永磁同步牵引电机无速度传感器转矩精确控制[J].电子测量与仪器学报，2015，29（1）：38-47.
[3]沈辉，张希.电动汽车牵引电机新型控制系统的设计研究[J].电气传动，2015，45（3）：3-6.