《西莫電機技術》第9期之論壇精華：電機設計常見問題解答（一）

引言

1.提問：交流電機的氣隙有國際标準要求嗎?一般取值範圍是多少？

答：國際标準沒有，行業标準是有的。可以查看YE2、YE3的電磁設計單。

2.提問：怎麼輸入不同頻率的BH曲線？

答：一般電機頻率都不高，我們都是輸入直流磁化曲線。

3.提問：各位大神們，永磁同步電機在爬坡轉态時，電機處于最大扭矩，我們在仿真時，電機可能處于逆變器的最大電流，我們三相繞組中的電流源設置中A相電流源為(2*pi*f*t+thet)，我想問這個A相中頻率f怎麼設定，難道跟額定轉速的頻率一樣嗎？

答：低速恒轉矩，高速恒功率。你把轉折速度輸入進去仿真，隻要各項指标合理，那低于轉折速度時電機性能也不會有問題。

4.提問：定子是分數槽集中繞組，轉子是鼠籠的，有這種調頻電機嗎? 請問各位高手，能否指點一下，謝謝。有客戶提出這一想法，能否實行，準備定子采用18槽，16極，轉子采用多少槽。

答：異步機這樣設計不合理，轉矩脈動太大，功率因數也低。

5.提問:内置式同步電機的極弧系數怎麼計算？是永磁體的長度除以每極的弧長嗎？

答：這種内置式的極弧系數，可以用角度來衡量，每極永磁體占的圓周角與每極圓周角之比。

6.提問：突然想到這個問題，因為遇到考上了在職的人說，他們在單位都是不算這麼細緻的（不過是三相異步機），貌似用的是路算的方法。我想問的是永磁同步電機在實際生産中多用路算還是場算呢？

答：除非有現成且經過驗證的可靠路算程序，否則都是場算。異步機設計相對比較成熟，上科所程序和都是基于路算法，精度比較高，可以滿足工程需要。

7.提問： 如何去計算IPM電機的同步轉矩和磁阻轉矩. 仿真給出的結果是合成轉矩，如何去将同步轉矩和磁阻轉矩分開計算呢?

答：軟件無法分離，可自己手動将二者分離。

8.提問：永磁同步電機反電勢選擇, 大家好，關于永磁電機弱磁控制中，如額定800轉最高3000轉的永磁同步電機反電勢設計為額定電壓的多少為好呢？直流電源電壓為540V，反電勢是控制在200多V還是控制在500V左右呢，如果控制在500v左右，弱磁能達到那麼高的轉速嗎？

答：直流母線電源電壓為540V，對應交流側有效值大約330V左右，反電動勢有效值建議取為310V左右。

9.提問：想問一下，永磁電機轉子上的和Rib各是啥意思？

答：是隔磁橋厚度，rib是磁肋寬度。

10.提問：實際中内置式永磁電機的漏磁系數會有多大啊，仿真出來1.3是不是有點大了？

答：稍微有點偏大，一般1.2左右。

11.提問：表貼式永磁同步電機内功率因數角正負的問題. 計算出表貼式永磁同步電機内功率因數角為-35度，合理嗎？

答1：你這個算例中最大反電勢有459V，則反電勢有效值大概有330V左右，而你給的施加電壓隻有278V，太小了，起碼是反電勢/（0.92--0.96）才是施加電壓。

答2：反電動勢一般設計成小于U，如果大于U，那麼電機成本高，并且運行于容性功率因數狀态。

答3：當内功率因數角為負數時，表示定子電流滞後反電勢35度，此時的定子直軸電樞電流起增磁作用，使得反電勢增大。同時，你的RM路算程序中已經體現了确實反電勢過大，所以内功率因數角取-35度是不合理的。

12.提問：求助關于永磁同步電機中的線負荷. 剛開始接觸電機設計，先拿永磁同步電機來練手，現在有個問題敢請各路大神指教。在陳世坤的《電機設計》中，在電機設計階段，選取感應電機的線負荷，書上說一般是采用制造和運行經驗說積累的數據來選取的。并且還有線負荷與額定功率的相關曲線。那麼我的問題來了，在永磁電機的設計中，如何确定（選取）合适的線負荷，或者說如果也是根據經驗數據，那麼有沒有類似于感應電機這種線負荷與額定功率相關的曲線呢？

答：永磁同步電機的線負荷和電密都可以比同功率、同冷卻方式、同使用環境的異步電機取得高一些，具體可以高多少，這個就體現水平了。

13.提問：大家讨論一下關于變頻電機在設計中的問題吧？向高手請教：在頻率不同的情況下，矽鋼片的B-H曲線是不同的，那麼在電機電磁設計的過程中磁密應怎樣選擇呢？

答1：先選則一個額定點，按照這個額定點進行設計.額定點一般選為恒轉矩和恒功率的轉折點。

答2：電機設計當中，頻率不同，需要考慮以下問題。 1.如果你用的是我國工頻下的設計數據(指鐵心矽鋼片)，那麼，在遠低于50Hz的情況下，比如5Hz，這樣你的B就可以取的高一些,一般可以到1.7~1.8T，因為頻率低鐵耗比較低。

2.如果你用的是我國工頻下的設計數據(指鐵心矽鋼片)，那麼，在遠高于50Hz的情況下，比如100Hz，這樣你的B就可以取的低一些，一般可以到1.4~1.5T,因為頻率高鐵耗比較高。

14.提問：永磁電機磁密：問題一:公式上，齒部和轭部磁密都是按永磁體的Br計算的，為什麼不用考慮繞組通電所産生的磁密的？

問題二:外轉子的轉子殼壁厚究竟需要避免磁密過大的問題嗎？看到過的壁厚薄厚都有，不知道是基于什麼樣的考慮的？

答：1、永磁電機磁路是按照空載設計的，負載隻需校核一下就可以了。

2、肯定要考慮轭部磁密大小的，至于有的薄有的厚，還要看電機極數多少，多極電機轭部薄，反之則厚。

提問：不大明白為什麼可以隻考慮永磁體不用考慮繞組的磁場。

答：嚴格來說是要考慮的，但由于空載磁場關于d軸對稱，而負載時磁場不對稱，考慮起來比較麻煩，所以隻考慮空載了，如果空載時磁路設計合理，負載時也不會有問題。

15.提問：定子轭磁密一般設計到多少，求取值範圍？

答：轭部磁密取值多少合理，取決于很多因素。

1、異步電機還是同步電機？同步電機相當于他勵，因此可以适當取高些

2、電機設計目标是高效率還是低成本？前者轭部磁密盡量低，後者可以适當高些

16.提問：假如電機的某一處空載的時候，矽鋼片的磁密達到2.0T，雖然飽和，可是這點不再主磁路上，那這樣的設計可以嗎？

答：局部某點達到2.0T，或者更高是很正常的，定轉子齒尖的位置就是磁路過飽和點，很容易達到。

17.提問：你好，我一直沒有想明白為什麼熱負荷定義為：“定子線圈直線部分的銅損耗全部通過定子内圓表面散發出去.”不是經過機殼散出去的嗎？這樣不是應該定義為定子外徑單位長度上的銅損嗎？

答：電機定子的熱是先由定子繞組傳導給定子鐵芯，然後定子鐵芯再傳導給機座。

熱源是定子繞組，并且定子繞組所在的直徑剛好是定子内圓直徑，即電樞直徑。

18.提問：永磁電機熱負荷選擇. 比如想設計一款160kw永磁電機、轉速3000.

請問熱負荷如何選擇？标準Y2異步電機為Y2-315-2的熱負荷為673。但現在設計永磁電機肯定需要降機座号設計，目前打算設計在Y280機座号8極，此時熱負荷該如何選擇？

另外三圓如何确定？

答：熱負荷可以比異步電機稍微高點，取到800應該沒有問題。至于三圓尺寸，外圓就按你的機座号确定，内圓可以和異步機一樣，中圓就取決于電磁設計了，一般要仿真才能确定。

19.提問：一般永磁同步電動機反電勢波形畸變率控制在多少以内算合理的？沒搞過電機控制，不知到弄到多少可以，另外，這個波形太差了會對電機和控制有什麼影響呢？

答：對反電勢諧波含量沒有明确要求。但是反電勢諧波含量大了會導緻轉矩脈動，對轉矩脈動是有要求的。功角肯定要加，這個角度反映電機的過載能力。額定功角越大，電機過載能力越弱。

20.提問：永磁無刷直流電機，在各個輸入電壓下，在2D中計算的 loss銅損和用理論公式即相電流的平方乘以相電阻再乘以3的結果，差距非常大，這是為何？？

有了解的人能幫我解釋或則探讨一下嗎？

答： loss是采用電流源仿真得到的銅耗。由于銅耗與槽滿率和線規有關，顯然你模型考慮不了這兩個因素，因此得到的 loss是不具有參考意義的。直接用rm得到的銅耗還比較準一些。

21.提問：内徑500多的永磁同步機，川電0.35厚的片子，磁密在18000-20000可以嗎？磁密的允許量和電機的功率有關系嗎？是否小電機的磁密可以稍微大一些？

答：永磁電機要看哪裡的磁密了，靠近磁鋼的磁橋或者定子齒尖的磁密大于2T很正常。如果是齒身或轭部平均磁密大于1.5T就高了。

22.提問：公司做了一台徑向内置永磁直流無刷電機的樣機，在測功機上測機械特性曲線，轉矩達到一個值後電流波形、電流換向出現問題。測過整機電感，比表貼式的要大。把轉子外徑減小後測機械特性曲線，還是同樣的問題。

1.不知道如何改進，降低電感要改哪些參數？

2.有沒有辦法把電感對電流換向的影響仿真出來？

答：磁鋼磁導率接近于空氣，一般取1.05。這也是表貼式電機比内嵌式電機電感小的原因。降低氣隙磁密，可以降低飽和程度，電感更大！

可以看看這篇——永磁無刷直流電機電感分析及優化設計

電感中存在續流的影響，電感值越大續流能力越強，那麼當外加反向的電壓時可能出現繞組一直還在正向續流的，所以會導緻換向失敗的。電力電子技術對這個都有解釋的。

23.提問：驅動器調高PWM頻率能改善永磁同步電機發熱嗎？永磁同步電機發熱有哪些改善方式呢?

答：提高PWM頻率可以限制減少繞組電流的波動，這肯定是有好處的，但對發熱問題能有多大的改善我并不清楚。

PWM頻率我認為應當有一個最合适的值，過低肯定不行，過高的話，驅動器那邊肯定會産生更大的損耗，由于開關管開啟和關閉的速度是有限且固定的，當開關時間占了整個開啟時間的一大部分後，驅動器這一側的效率會非常低。

答：pwm載波頻率高了，電機溫升會有好處，變頻器溫升可就大了。

提問：現在PWM工作都是在10K之上。能不能從電機本身的設計上改善溫升呢？有哪些措施呢？

答：電機要想設計得溫升低，就得優化電機方案，比如換高牌号矽鋼片，減小匝數、加大線徑等。總之，降低電密，線負荷，磁密才能将溫升降低。

24.提問：電機氣隙磁動勢基波對應的空間初始相位角和繞組中電流的相位有什麼關系？電機轉矩繞組産生的氣隙磁動勢基波對應的空間初始相位角和轉矩繞組中通入電流的相位有什麼關系？

答：你說的轉矩繞組應該就是三相對稱電樞繞組吧？你說的兩個角度，一個是空間角度，一個是時間角度，嚴格來講不是一個範疇内的概念，但在同步電機時空相矢量圖中又給統一起來了。如果空間初始角度取為某相（如A相）繞組軸線，并且時軸和相軸重合，那麼這個問題就有答案了，為0°，依據是當某相電流達到最大的時候，合成磁動勢軸線恰好與該相繞組軸向重合。

25.提問：請問大家轉子磁鋼外圓用無緯帶纏呢還是用缸套呢？有其他方法嗎？大批量的之後粘好磁鋼的轉子怎麼存放呢？放的太密會吸到一塊的，太希還太浪費地方。

答：螺栓，不鏽鋼套，無緯帶，碳纖維，钛合金主要就是這些

26.提問：現在風力發電領域采用大功率永磁發電機的越來越多，衆所周知大功率永磁發電機的轉子是永磁電機設計的關鍵，針對高速永磁電機、中速永磁電機及低速直驅永磁電機，其轉子結構和磁鋼的固定方式都有哪些？轉子是否需要散熱？其散熱的方式和結構是怎樣的？

答：1.粘上——金風2.壓住——永磁曳引機常用3.裝盒——挂極式，湘電4.燕尾——河南瑞發，華創5.打孔——電動機常用6.蒙皮——在磁鋼上覆蓋不鏽鋼闆7.内置——書上有，不多說了。大概就這幾種辦法了，有的是衍生出的方法。

27.提問： 分析ipm過載時端電壓的求解, 在分析ipm時，設置電流源，其中thet角度是功角掃描時對應最大轉矩的那個角度。結果輸出的端電壓超過380v（變頻器額定電壓400V級），請問輸出的端電壓可信不可信？如果可信，那麼這個電機輸出不到對應的最大過載，如果不可信，則端電壓如何求解？

沒有說清楚嗎，簡單點說，就是算得電壓(激勵為電流源)你認為靠不靠譜?

我這邊的分析結果(施加電流源)，隻看端電壓(線電壓,即()-())，查看其波形的話，最大峰值/1.414 是大于400v(約420v，變頻器400v級)，但是對上述的波形進行FFT分析，則基波的有效值為380。

故,我提出以上疑問，在此電流源的時刻下，該電機能否達到2D分析的轉矩。(就是說此時端電壓到底怎麼看，有沒有超過變頻器的輸出電壓能力)

我覺得2d是沒有考慮漏抗和電阻産生的電壓，而隻是考慮了e0和交直軸電樞反應，故電流源激勵的情況下，算的電壓是比實際小的。

答：電流源時感應電壓的确比實際供電電壓小，差在電阻和端部漏抗壓降，不過這個數值比較小，2-3%左右。因此，你這個電機是沒有那麼大的負載輸出能力的，當然前提是你其他仿真設置正确。

28.提問：鼠籠異步機的轉子為什麼沒有絕緣？

答：因為鼠籠的籠條上，感應電壓和壓降是平衡的，籠條上任意兩點間是等電位的，所以不需要絕緣。

29.提問：三相異步電動機帶恒定的轉矩運行時，提高電壓電流會如何變化？降低電壓電流又會如何變化？為什麼？

答：提高電壓-轉矩增大-轉速增加-轉矩恢複到原值-有功電流減小---磁密增大-鐵損增加-無功電流增大--功率因數減小，總電流如何變化，要看有功和無功電流的比例，大體上重載的，總電流減小，輕載的，總電流有可能增加。

30.提問：機械摩擦損耗和風磨損耗如何計算？

答：有些數據是根據經驗得到的，比如做過很多電機的實驗，會有一定的經驗數據在裡面，其次是看一些标準，在nema标準裡有提到占比，可以查一下。

31.提問：RM模型自動生成的2D模型中，電壓激勵的角度和轉矩角角度相等，而功率因數角算出來是大于轉矩角的。在給定激勵的時候，到底是用RM 裡的哪個角度呢？

答：看你是電壓源還是電流源了，兩個用的角度不同，電壓源的角度是功率角，電流源用的是内功率因數角。

32.提問：峰值轉矩和峰值功率有沒有運行時間的限制，峰值轉矩和功率對于溫升有沒有考核條件？

答1：肯定跟溫度有關，而且關系很大，尤其是對于永磁電機，轉子溫度高了磁通變小性能下降很明顯，所以完整的标定需注明轉子溫度，但一般轉子溫度隻能估計，所以隻能按冷卻條件标定，比如峰值功率** kW@(* L/min,**℃, 30s)。一般持續時間按30計，現在還沒有規範的标準，所以很多标定都不全，也不統一。額定功率（有的也叫持續功率）是可以長時間運行的，峰值功率肯定是不能長時間運行的，因為在達到熱平衡之前溫度就會超限，功率也會往下掉。

答2：峰值轉矩和峰值功率都有時間限制，一般30s，有些産品寫的是10s。還有，對應不同的電壓時，這個時間是不一樣的，因為電流不一樣，所以溫升不一樣，所以時間長短就不一樣

33.提問：異步電機鼠籠轉子為什麼沒有絕緣

答：因為鼠籠的籠條上，感應電壓和壓降是平衡的，籠條上任意兩點間是等電位的，所以不需要絕緣。

34.提問:求助各位大神，怎麼樣能夠測轉子溫度啊？目前有沒有比較成熟的方法？

答：繞線轉子——測電阻，銅線的溫度系數基本上是-0.04/K。

永磁轉子——測反電勢，磁鋼Br的溫度系數基本上是-0.1%/K，反電勢基本跟Br一緻。

35.提問:正弦波充磁用如何設置?

答：定義磁環的材料時，定義R 為cos（p*phi） Phi 為-sin（p*phi）或sin（p*phi）就是了，另，磁環連輻射充磁工藝都非常有難度，充的好的不多，且還有尺寸限制。

36.提問:建立電機的仿真模型後，需要給激勵源設置set Y 嗎？還是默認三相繞組Y接？

答：對于2d 電壓激勵，Y接的，當然要設置！否者電流中會存在一個不是真實存在的3次諧波，對你的損耗等都有影響！對于3d，y接的，沒法設置這個，隻能用外電路的連接拓撲實現了。

37.提問:探讨一下，普通鐵氧體永磁磁鐵在什麼情況下可能退磁？我能想到的是：低溫下運行，有開-停-開-停。運行模式，運行環境溫度高于居裡點溫度。還有哪些情況呢？

答：不同磁鋼退磁特性不同，稀土永磁是正溫度系數，高溫退磁，鐵氧體是負溫度系數，低溫退磁。

38.提問:轉子鐵芯開孔，有什麼優點？這樣會否使轉子的轭部變少？電機性能變壞？

答：一般電機開孔，主要基于三個目的： 1 減重 2 散熱 3 優化波形

你這台電機，減重和散熱的可能性很大，至于電機性能變壞這個事，你要這麼看，當電機設計的工程中，我就考慮了開孔對電機性能的影響，在開孔的情況下，就能滿足電機的性能，自然也就所無謂變壞的說法了，若是一台已經設計完成的電機，由于某種原因，再在上面開了一些孔，那樣性能就有可能變化。一般轉子開孔是非常常見的 1 由于轉子頻率的原因，開孔對電機性能的影響下2轉子一般散熱比定子差，要開些孔散熱（對于軸向通風結構）3轉子是旋轉件，為了減少離心力，也有因此原因開孔。