《西莫电机技术》第9期之论坛精华：电机设计常见问题解答（一）

引言

1.提问：交流电机的气隙有国际标准要求吗?一般取值范围是多少？

答：国际标准没有，行业标准是有的。可以查看YE2、YE3的电磁设计单。

2.提问：怎么输入不同频率的BH曲线？

答：一般电机频率都不高，我们都是输入直流磁化曲线。

3.提问：各位大神们，永磁同步电机在爬坡转态时，电机处于最大扭矩，我们在仿真时，电机可能处于逆变器的最大电流，我们三相绕组中的电流源设置中A相电流源为(2*pi*f*t+thet)，我想问这个A相中频率f怎么设定，难道跟额定转速的频率一样吗？

答：低速恒转矩，高速恒功率。你把转折速度输入进去仿真，只要各项指标合理，那低于转折速度时电机性能也不会有问题。

4.提问：定子是分数槽集中绕组，转子是鼠笼的，有这种调频电机吗? 请问各位高手，能否指点一下，谢谢。有客户提出这一想法，能否实行，准备定子采用18槽，16极，转子采用多少槽。

答：异步机这样设计不合理，转矩脉动太大，功率因数也低。

5.提问:内置式同步电机的极弧系数怎么计算？是永磁体的长度除以每极的弧长吗？

答：这种内置式的极弧系数，可以用角度来衡量，每极永磁体占的圆周角与每极圆周角之比。

6.提问：突然想到这个问题，因为遇到考上了在职的人说，他们在单位都是不算这么细致的（不过是三相异步机），貌似用的是路算的方法。我想问的是永磁同步电机在实际生产中多用路算还是场算呢？

答：除非有现成且经过验证的可靠路算程序，否则都是场算。异步机设计相对比较成熟，上科所程序和都是基于路算法，精度比较高，可以满足工程需要。

7.提问： 如何去计算IPM电机的同步转矩和磁阻转矩. 仿真给出的结果是合成转矩，如何去将同步转矩和磁阻转矩分开计算呢?

答：软件无法分离，可自己手动将二者分离。

8.提问：永磁同步电机反电势选择, 大家好，关于永磁电机弱磁控制中，如额定800转最高3000转的永磁同步电机反电势设计为额定电压的多少为好呢？直流电源电压为540V，反电势是控制在200多V还是控制在500V左右呢，如果控制在500v左右，弱磁能达到那么高的转速吗？

答：直流母线电源电压为540V，对应交流侧有效值大约330V左右，反电动势有效值建议取为310V左右。

9.提问：想问一下，永磁电机转子上的和Rib各是啥意思？

答：是隔磁桥厚度，rib是磁肋宽度。

10.提问：实际中内置式永磁电机的漏磁系数会有多大啊，仿真出来1.3是不是有点大了？

答：稍微有点偏大，一般1.2左右。

11.提问：表贴式永磁同步电机内功率因数角正负的问题. 计算出表贴式永磁同步电机内功率因数角为-35度，合理吗？

答1：你这个算例中最大反电势有459V，则反电势有效值大概有330V左右，而你给的施加电压只有278V，太小了，起码是反电势/（0.92--0.96）才是施加电压。

答2：反电动势一般设计成小于U，如果大于U，那么电机成本高，并且运行于容性功率因数状态。

答3：当内功率因数角为负数时，表示定子电流滞后反电势35度，此时的定子直轴电枢电流起增磁作用，使得反电势增大。同时，你的RM路算程序中已经体现了确实反电势过大，所以内功率因数角取-35度是不合理的。

12.提问：求助关于永磁同步电机中的线负荷. 刚开始接触电机设计，先拿永磁同步电机来练手，现在有个问题敢请各路大神指教。在陈世坤的《电机设计》中，在电机设计阶段，选取感应电机的线负荷，书上说一般是采用制造和运行经验说积累的数据来选取的。并且还有线负荷与额定功率的相关曲线。那么我的问题来了，在永磁电机的设计中，如何确定（选取）合适的线负荷，或者说如果也是根据经验数据，那么有没有类似于感应电机这种线负荷与额定功率相关的曲线呢？

答：永磁同步电机的线负荷和电密都可以比同功率、同冷却方式、同使用环境的异步电机取得高一些，具体可以高多少，这个就体现水平了。

13.提问：大家讨论一下关于变频电机在设计中的问题吧？向高手请教：在频率不同的情况下，硅钢片的B-H曲线是不同的，那么在电机电磁设计的过程中磁密应怎样选择呢？

答1：先选则一个额定点，按照这个额定点进行设计.额定点一般选为恒转矩和恒功率的转折点。

答2：电机设计当中，频率不同，需要考虑以下问题。 1.如果你用的是我国工频下的设计数据(指铁心硅钢片)，那么，在远低于50Hz的情况下，比如5Hz，这样你的B就可以取的高一些,一般可以到1.7~1.8T，因为频率低铁耗比较低。

2.如果你用的是我国工频下的设计数据(指铁心硅钢片)，那么，在远高于50Hz的情况下，比如100Hz，这样你的B就可以取的低一些，一般可以到1.4~1.5T,因为频率高铁耗比较高。

14.提问：永磁电机磁密：问题一:公式上，齿部和轭部磁密都是按永磁体的Br计算的，为什么不用考虑绕组通电所产生的磁密的？

问题二:外转子的转子壳壁厚究竟需要避免磁密过大的问题吗？看到过的壁厚薄厚都有，不知道是基于什么样的考虑的？

答：1、永磁电机磁路是按照空载设计的，负载只需校核一下就可以了。

2、肯定要考虑轭部磁密大小的，至于有的薄有的厚，还要看电机极数多少，多极电机轭部薄，反之则厚。

提问：不大明白为什么可以只考虑永磁体不用考虑绕组的磁场。

答：严格来说是要考虑的，但由于空载磁场关于d轴对称，而负载时磁场不对称，考虑起来比较麻烦，所以只考虑空载了，如果空载时磁路设计合理，负载时也不会有问题。

15.提问：定子轭磁密一般设计到多少，求取值范围？

答：轭部磁密取值多少合理，取决于很多因素。

1、异步电机还是同步电机？同步电机相当于他励，因此可以适当取高些

2、电机设计目标是高效率还是低成本？前者轭部磁密尽量低，后者可以适当高些

16.提问：假如电机的某一处空载的时候，硅钢片的磁密达到2.0T，虽然饱和，可是这点不再主磁路上，那这样的设计可以吗？

答：局部某点达到2.0T，或者更高是很正常的，定转子齿尖的位置就是磁路过饱和点，很容易达到。

17.提问：你好，我一直没有想明白为什么热负荷定义为：“定子线圈直线部分的铜损耗全部通过定子内圆表面散发出去.”不是经过机壳散出去的吗？这样不是应该定义为定子外径单位长度上的铜损吗？

答：电机定子的热是先由定子绕组传导给定子铁芯，然后定子铁芯再传导给机座。

热源是定子绕组，并且定子绕组所在的直径刚好是定子内圆直径，即电枢直径。

18.提问：永磁电机热负荷选择. 比如想设计一款160kw永磁电机、转速3000.

请问热负荷如何选择？标准Y2异步电机为Y2-315-2的热负荷为673。但现在设计永磁电机肯定需要降机座号设计，目前打算设计在Y280机座号8极，此时热负荷该如何选择？

另外三圆如何确定？

答：热负荷可以比异步电机稍微高点，取到800应该没有问题。至于三圆尺寸，外圆就按你的机座号确定，内圆可以和异步机一样，中圆就取决于电磁设计了，一般要仿真才能确定。

19.提问：一般永磁同步电动机反电势波形畸变率控制在多少以内算合理的？没搞过电机控制，不知到弄到多少可以，另外，这个波形太差了会对电机和控制有什么影响呢？

答：对反电势谐波含量没有明确要求。但是反电势谐波含量大了会导致转矩脉动，对转矩脉动是有要求的。功角肯定要加，这个角度反映电机的过载能力。额定功角越大，电机过载能力越弱。

20.提问：永磁无刷直流电机，在各个输入电压下，在2D中计算的 loss铜损和用理论公式即相电流的平方乘以相电阻再乘以3的结果，差距非常大，这是为何？？

有了解的人能帮我解释或则探讨一下吗？

答： loss是采用电流源仿真得到的铜耗。由于铜耗与槽满率和线规有关，显然你模型考虑不了这两个因素，因此得到的 loss是不具有参考意义的。直接用rm得到的铜耗还比较准一些。

21.提问：内径500多的永磁同步机，川电0.35厚的片子，磁密在18000-20000可以吗？磁密的允许量和电机的功率有关系吗？是否小电机的磁密可以稍微大一些？

答：永磁电机要看哪里的磁密了，靠近磁钢的磁桥或者定子齿尖的磁密大于2T很正常。如果是齿身或轭部平均磁密大于1.5T就高了。

22.提问：公司做了一台径向内置永磁直流无刷电机的样机，在测功机上测机械特性曲线，转矩达到一个值后电流波形、电流换向出现问题。测过整机电感，比表贴式的要大。把转子外径减小后测机械特性曲线，还是同样的问题。

1.不知道如何改进，降低电感要改哪些参数？

2.有没有办法把电感对电流换向的影响仿真出来？

答：磁钢磁导率接近于空气，一般取1.05。这也是表贴式电机比内嵌式电机电感小的原因。降低气隙磁密，可以降低饱和程度，电感更大！

可以看看这篇——永磁无刷直流电机电感分析及优化设计

电感中存在续流的影响，电感值越大续流能力越强，那么当外加反向的电压时可能出现绕组一直还在正向续流的，所以会导致换向失败的。电力电子技术对这个都有解释的。

23.提问：驱动器调高PWM频率能改善永磁同步电机发热吗？永磁同步电机发热有哪些改善方式呢?

答：提高PWM频率可以限制减少绕组电流的波动，这肯定是有好处的，但对发热问题能有多大的改善我并不清楚。

PWM频率我认为应当有一个最合适的值，过低肯定不行，过高的话，驱动器那边肯定会产生更大的损耗，由于开关管开启和关闭的速度是有限且固定的，当开关时间占了整个开启时间的一大部分后，驱动器这一侧的效率会非常低。

答：pwm载波频率高了，电机温升会有好处，变频器温升可就大了。

提问：现在PWM工作都是在10K之上。能不能从电机本身的设计上改善温升呢？有哪些措施呢？

答：电机要想设计得温升低，就得优化电机方案，比如换高牌号硅钢片，减小匝数、加大线径等。总之，降低电密，线负荷，磁密才能将温升降低。

24.提问：电机气隙磁动势基波对应的空间初始相位角和绕组中电流的相位有什么关系？电机转矩绕组产生的气隙磁动势基波对应的空间初始相位角和转矩绕组中通入电流的相位有什么关系？

答：你说的转矩绕组应该就是三相对称电枢绕组吧？你说的两个角度，一个是空间角度，一个是时间角度，严格来讲不是一个范畴内的概念，但在同步电机时空相矢量图中又给统一起来了。如果空间初始角度取为某相（如A相）绕组轴线，并且时轴和相轴重合，那么这个问题就有答案了，为0°，依据是当某相电流达到最大的时候，合成磁动势轴线恰好与该相绕组轴向重合。

25.提问：请问大家转子磁钢外圆用无纬带缠呢还是用缸套呢？有其他方法吗？大批量的之后粘好磁钢的转子怎么存放呢？放的太密会吸到一块的，太希还太浪费地方。

答：螺栓，不锈钢套，无纬带，碳纤维，钛合金主要就是这些

26.提问：现在风力发电领域采用大功率永磁发电机的越来越多，众所周知大功率永磁发电机的转子是永磁电机设计的关键，针对高速永磁电机、中速永磁电机及低速直驱永磁电机，其转子结构和磁钢的固定方式都有哪些？转子是否需要散热？其散热的方式和结构是怎样的？

答：1.粘上——金风2.压住——永磁曳引机常用3.装盒——挂极式，湘电4.燕尾——河南瑞发，华创5.打孔——电动机常用6.蒙皮——在磁钢上覆盖不锈钢板7.内置——书上有，不多说了。大概就这几种办法了，有的是衍生出的方法。

27.提问： 分析ipm过载时端电压的求解, 在分析ipm时，设置电流源，其中thet角度是功角扫描时对应最大转矩的那个角度。结果输出的端电压超过380v（变频器额定电压400V级），请问输出的端电压可信不可信？如果可信，那么这个电机输出不到对应的最大过载，如果不可信，则端电压如何求解？

没有说清楚吗，简单点说，就是算得电压(激励为电流源)你认为靠不靠谱?

我这边的分析结果(施加电流源)，只看端电压(线电压,即()-())，查看其波形的话，最大峰值/1.414 是大于400v(约420v，变频器400v级)，但是对上述的波形进行FFT分析，则基波的有效值为380。

故,我提出以上疑问，在此电流源的时刻下，该电机能否达到2D分析的转矩。(就是说此时端电压到底怎么看，有没有超过变频器的输出电压能力)

我觉得2d是没有考虑漏抗和电阻产生的电压，而只是考虑了e0和交直轴电枢反应，故电流源激励的情况下，算的电压是比实际小的。

答：电流源时感应电压的确比实际供电电压小，差在电阻和端部漏抗压降，不过这个数值比较小，2-3%左右。因此，你这个电机是没有那么大的负载输出能力的，当然前提是你其他仿真设置正确。

28.提问：鼠笼异步机的转子为什么没有绝缘？

答：因为鼠笼的笼条上，感应电压和压降是平衡的，笼条上任意两点间是等电位的，所以不需要绝缘。

29.提问：三相异步电动机带恒定的转矩运行时，提高电压电流会如何变化？降低电压电流又会如何变化？为什么？

答：提高电压-转矩增大-转速增加-转矩恢复到原值-有功电流减小---磁密增大-铁损增加-无功电流增大--功率因数减小，总电流如何变化，要看有功和无功电流的比例，大体上重载的，总电流减小，轻载的，总电流有可能增加。

30.提问：机械摩擦损耗和风磨损耗如何计算？

答：有些数据是根据经验得到的，比如做过很多电机的实验，会有一定的经验数据在里面，其次是看一些标准，在nema标准里有提到占比，可以查一下。

31.提问：RM模型自动生成的2D模型中，电压激励的角度和转矩角角度相等，而功率因数角算出来是大于转矩角的。在给定激励的时候，到底是用RM 里的哪个角度呢？

答：看你是电压源还是电流源了，两个用的角度不同，电压源的角度是功率角，电流源用的是内功率因数角。

32.提问：峰值转矩和峰值功率有没有运行时间的限制，峰值转矩和功率对于温升有没有考核条件？

答1：肯定跟温度有关，而且关系很大，尤其是对于永磁电机，转子温度高了磁通变小性能下降很明显，所以完整的标定需注明转子温度，但一般转子温度只能估计，所以只能按冷却条件标定，比如峰值功率** kW@(* L/min,**℃, 30s)。一般持续时间按30计，现在还没有规范的标准，所以很多标定都不全，也不统一。额定功率（有的也叫持续功率）是可以长时间运行的，峰值功率肯定是不能长时间运行的，因为在达到热平衡之前温度就会超限，功率也会往下掉。

答2：峰值转矩和峰值功率都有时间限制，一般30s，有些产品写的是10s。还有，对应不同的电压时，这个时间是不一样的，因为电流不一样，所以温升不一样，所以时间长短就不一样

33.提问：异步电机鼠笼转子为什么没有绝缘

答：因为鼠笼的笼条上，感应电压和压降是平衡的，笼条上任意两点间是等电位的，所以不需要绝缘。

34.提问:求助各位大神，怎么样能够测转子温度啊？目前有没有比较成熟的方法？

答：绕线转子——测电阻，铜线的温度系数基本上是-0.04/K。

永磁转子——测反电势，磁钢Br的温度系数基本上是-0.1%/K，反电势基本跟Br一致。

35.提问:正弦波充磁用如何设置?

答：定义磁环的材料时，定义R 为cos（p*phi） Phi 为-sin（p*phi）或sin（p*phi）就是了，另，磁环连辐射充磁工艺都非常有难度，充的好的不多，且还有尺寸限制。

36.提问:建立电机的仿真模型后，需要给激励源设置set Y 吗？还是默认三相绕组Y接？

答：对于2d 电压激励，Y接的，当然要设置！否者电流中会存在一个不是真实存在的3次谐波，对你的损耗等都有影响！对于3d，y接的，没法设置这个，只能用外电路的连接拓扑实现了。

37.提问:探讨一下，普通铁氧体永磁磁铁在什么情况下可能退磁？我能想到的是：低温下运行，有开-停-开-停。运行模式，运行环境温度高于居里点温度。还有哪些情况呢？

答：不同磁钢退磁特性不同，稀土永磁是正温度系数，高温退磁，铁氧体是负温度系数，低温退磁。

38.提问:转子铁芯开孔，有什么优点？这样会否使转子的轭部变少？电机性能变坏？

答：一般电机开孔，主要基于三个目的： 1 减重 2 散热 3 优化波形

你这台电机，减重和散热的可能性很大，至于电机性能变坏这个事，你要这么看，当电机设计的工程中，我就考虑了开孔对电机性能的影响，在开孔的情况下，就能满足电机的性能，自然也就所无谓变坏的说法了，若是一台已经设计完成的电机，由于某种原因，再在上面开了一些孔，那样性能就有可能变化。一般转子开孔是非常常见的 1 由于转子频率的原因，开孔对电机性能的影响下2转子一般散热比定子差，要开些孔散热（对于轴向通风结构）3转子是旋转件，为了减少离心力，也有因此原因开孔。