关于制造受限感应电动机转换为永磁同步电机（PMSM）以用于直驱农业通风系统的实验研究 作者：Ritthichai Ratchapan、Wanwinit Wijittemee、Surasak Noituptim、Theerapol Muankhaw、Sawek Pratummet 和 Boonyang Plangklang

《Applied System Innovation》：Experimental Investigation of Manufacturing Constrained Induction Motor to PMSM Conversion for Direct-Drive Agricultural Ventilation Systems Ritthichai Ratchapan, Wanwinit Wijittemee, Surasak Noituptim, Theerapol Muankhaw, Sawek Pratummet and Boonyang Plangklang

　　摘要：大直径轴流式通风扇在畜禽舍中广泛使用，用于调节空气流动、温度和空气质量。然而，驱动这些风扇的传统感应电动机通常以固定速度运行，在低速高扭矩条件下由于滑差引起的转子铜损而效率下降。本研究提出了一种将商用感应电动机平台转换为直驱表面永磁同步电动机（PMSM）的实验性方法。该方法没有开发全新的电机设计，而是重新采用了现有的定子叠片、外壳结构和绕组生产工艺，同时重新设计了转子电磁结构以嵌入表面安装的永磁体。通过基于动态测量系统的实验测试，评估了商用感应电动机和转换后的PMSM原型的性能。结果显示，商用感应电动机在高扭矩下由于滑差增加而效率显著下降，而PMSM消除了滑差依赖的转子铜损，在典型的650-750转/分钟通风运行范围内效率保持在88%以上。本研究还利用风扇亲和定律将气流需求与转速联系起来，强调了转速与输入功率之间的立方关系，并展示了变速PMSM驱动器的节能潜力。因此，所提出的转换框架为提高农业通风系统的能源效率提供了实际途径，同时保持了与现有电机制造基础设施的兼容性。

1. 引言
大直径轴流式通风扇在畜禽舍中普遍采用，以在不同生长阶段维持适当的气流、热舒适度和空气质量。畜牧养殖中的通风需求随鸟类年龄、饲养密度和环境条件而有显著差异。幼鸟通常需要较低的气流速率来维持稳定的温度条件，而成年鸟则需要较大的通风能力来去除多余的热量、湿气和氨气积聚。因此，现代畜牧通风系统需要根据需求调节气流，而不是固定速度运行。在典型的农业应用中，通常使用直径约为50英寸（约1.27米）的通风扇，因为它们能够在相对较低的转速下提供较大的气流量。然而，较大的扇子直径在低转速下需要较高的扭矩，这对传统电机驱动提出了挑战。许多现有系统使用直接从电网以固定频率运行的多极感应电动机。如图1a所示，商用通风系统通常由三相交流电源驱动直接连接到大型轴流扇的感应电动机组成。尽管感应电动机在工业应用中非常稳健且广泛使用，但其固定速度运行限制了其在不同农场条件下的通风需求匹配能力。相比之下，逆变器供电的永磁同步电动机（PMSM）能够实现灵活的速度控制和更高的扭矩密度，使其适用于需根据需求调节通风的应用。如图1b所示，所提出的系统用逆变器控制的直驱PMSM替换了商用感应电动机，允许在农业通风系统所需的运行范围内连续调节速度。这种根据需求调节的能力对于大型轴流扇尤为重要，因为气流和功耗强烈依赖于转速。气流与风扇转速之间的物理关系可以通过风扇亲和定律来解释。对于在相似空气动力学条件下运行的几何相似风扇，气流速率与转速成正比，而输入功率与转速的立方成正比。图2展示了根据风扇亲和定律的转速、气流和输入功率之间的标准化关系。这种立方关系表明，小幅降低转速可以显著减少功耗。因此，根据通风需求调节电机速度的能力可以大幅提高农业通风系统的整体能源效率。

尽管变速运行具有优势，但基于感应电动机的商用通风系统在低速高扭矩条件下仍存在几个根本限制。当感应电动机在增加的机械负载下运行时，转子速度相对于同步速度会降低，导致滑差增加。这种滑差会产生产生扭矩的转子电流，但同时也会引入转子铜损。转子铜损的幅度随滑差成比例增加，在重负载条件下导致效率大幅下降。图3概念性地展示了感应电动机中的滑差依赖性损耗机制。在高扭矩条件下，滑差水平可能超过20%，导致在农业通风最相关的运行区域内转子显著发热和能源效率降低。永磁同步电动机提供了一种根本不同的扭矩产生机制，消除了滑差依赖的转子铜损。在PMSM中，扭矩通过定子电流[6,7,8]与永磁通量的相互作用产生，允许无转子电流感应的同步运行。因此，PMSM天然避免了转子铜损[9,10]，并且与感应电动机相比，在更宽的运行范围内保持更高的效率。这些特性使得PMSM成为在相对低速下需要高扭矩的直驱风扇应用的理想选择。然而，PMSM在现有农业通风系统中的实际应用往往受到制造限制的影响。许多农业电机平台已经为感应电动机设计了成熟的生产线，包括定子叠片尺寸、外壳结构、绕组设备和组装流程。开发全新的电机平台可能会引入大量的工具成本和生产风险。因此，工业电机发展的一个重要挑战是如何在保持现有制造基础设施的同时，将现有的感应电动机平台升级为PMSM技术[11,12]。本研究通过提出一种制造受限的转换框架来解决这一挑战，将商用感应电动机平台转换为直驱表面PMSM。该方法没有开发全新的电机平台，而是重新利用了原始的定子外径、外壳结构和绕组生产工艺，同时重新设计了转子以嵌入表面安装的永磁体[13]。通过保持与现有制造过程的兼容性，转换策略最小化了工具改造，同时实现了高效的直驱运行。

为了验证所提出的方法，对商用感应电动机和转换后的PMSM原型进行了全面的实验测试。通过对商用感应电动机进行多点负载测试，确定了滑差依赖的效率下降。在650-750转/分钟的实用通风运行范围内，对提出的PMSM原型进行了多速效率测试。实验结果表明，与商用感应电动机系统相比，PMSM显著扩展了高效运行范围，并实现了灵活的需求跟随速度控制。本研究的主要贡献如下：
- 实验性地识别了驱动大直径轴流扇的商用感应电动机中的滑差主导损耗机制。
- 开发了一种制造受限的感应电机到表面PMSM的转换方法。
- 比较分析了感应电机和永磁电机扭矩产生机制之间的电磁损耗重新分布[14,15]。
- 在实际通风运行条件下，对需根据需求调节的直驱PMSM进行了多速效率验证。
- 从系统层面分析了通风需求、风扇亲和定律和电气效率改进之间的联系。

与关注无约束电磁优化的传统电机设计研究[16,17,18,19]不同，本研究强调了一种保持现有工业基础设施的制造受限转换框架。这种方法实现了实际应用，并显著提高了效率，从而弥合了理论电机设计与现实工业应用之间的差距。

2. 材料与方法
2.1. 文献背景和理论基础
为大直径通风扇设计高效电动驱动装置在农业和工业应用中越来越受到关注。畜禽舍、牲畜设施和温室通风系统需要持续调节气流，以维持适当的热舒适度、湿度控制和空气质量。如图4所示，这些应用中的通风扇通常由在低速高扭矩区域运行的电动机驱动[20,21,22]。因此，电机拓扑和驱动配置的选择对系统效率和运行灵活性有显著影响。

2.1.1. 用于通风和风扇应用的直驱PMSM
永磁同步电动机（PMSM）在需要高扭矩密度和宽运行范围高效的应用中越来越受欢迎。与传统的感应电动机相比，PMSM通过定子电流与永磁体产生的磁场之间的相互作用产生扭矩。这种机制消除了对转子电流感应的需求，从而消除了与滑差相关的转子铜损。多项研究探讨了PMSM在风扇和通风系统中的应用，因为它们具有更高的效率和可控性。直驱PMSM解决方案消除了齿轮箱或皮带驱动等机械传动部件，从而减少了机械损耗和维护需求。此外，当与基于逆变器的控制结合使用时，PMSM可以在宽速度范围内高效运行，特别是在通风需求随环境条件变化的应用中特别有益。对于用于农业通风的大直径轴流扇，直驱PMSM提供了几个优势。首先，PMSM的高扭矩密度使得电机轴和风扇之间可以直接耦合，无需中间传动机构。其次，逆变器供电的PMSM允许连续调节速度，使风扇可以根据通风需求在不同气流水平下运行。尽管有这些优势，但由于现有安装通常基于标准化的感应电动机平台及其成熟的制造流程，PMSM解决方案在许多农业设施中的实际应用仍然受到限制。

2.1.2. 低速高扭矩运行下的感应电动机损耗
感应电动机由于其坚固性、简洁性和成本效益而在工业应用中仍然广泛使用。然而，它们在低速高扭矩运行条件下的性能[23,24,25]本质上受到滑差依赖性损耗机制的限制。感应电动机的同步速度由供电频率和极数根据公式(1)确定：
$$
N_s = \frac{60f}{P}
$$
其中$N_s$是以每分钟转数表示的同步速度，$f$是电频率，$P$是极数。在负载条件下，转子转速略低于同步速度。这两个速度之间的差值定义为滑差，根据公式(2)表示：
$$
\slip = \frac{N_s - N_r}{P}
$$
其中$N_r$是转子转速。滑差对于感应电动机中的扭矩产生是必要的，但它也会在转子导体中引入额外的电气损耗。相比之下，对于**制造受限条件**下的效率改进关注较少，在这些条件下，必须保持定子几何形状、外壳和制造基础设施。这一限制在工业改造场景中尤为重要，因为更换整个电机系统在经济上不可行。因此，仍然存在一种发展方法的需求，这些方法能够：
(i) 减少滑差依赖的损耗；
(ii) 在低速高扭矩条件下高效运行；
(iii) 保持与现有制造基础设施的兼容性。本研究提出了从感应电动机到PMSM的制造受限转换，通过消除滑差依赖的损耗机制来提高效率，同时保持原始的定子平台。

2.1.3. 风扇亲和定律和通风需求
通风系统的运行特性不仅受电机性能的影响，还受风扇空气动力特性的影响。对于在相似流动状态下运行的几何相似风扇，风扇亲和定律描述了转速、气流速率、压力升压和功耗之间的关系：
$$
\begin{align*}
V &= k_1N_s^3 \\
P &= k_2N_s^2 \\
\ delta P &= k_3(N_s^2 - N_r^2) \\
\end{align*}
$$
其中$V$表示气流速率，$P$表示压力升压，$\ delta P$表示输入功率，$N_s$表示转速。功耗与转速之间的立方关系表明，风扇转速的微小变化会导致功耗的显著变化。这一原理构成了基于变速控制的节能通风策略的基础。

2.1.4. 制造受限转换和研究空白
尽管PMSM的性能优势得到了广泛认可，但它们在现有农业通风系统中的广泛应用往往受到制造考虑的限制。许多农业电动机是在成熟的感应电动机平台上生产的，其中定子叠片[24,25]、外壳结构和绕组过程是为大规模生产优化的。引入全新的电机设计可能需要对工具、生产设备和组装程序进行重大改变。因此，最近的研究探索了在保持关键制造基础设施的同时升级现有电机平台的改造和转换方法。然而，大多数关于PMSM设计的现有研究主要集中在电磁优化上，而没有考虑基准制造平台所施加的限制。同样，许多关于风扇驱动系统的研究探讨了变速操作，但没有明确探讨将现有的感应电机平台转换为永磁同步电机（PMSM）结构的问题。从上述文献中可以识别出三个研究空白：首先，很少有研究在现实的制造约束下探讨将现有感应电机平台转换为PMSM设计；其次，以往关于通风风扇应用的研究很少提供与商用感应电机系统的实验性基准比较；第三，大多数电机设计研究主要关注电磁优化，而没有明确将电机性能与通风需求（受风扇亲和定律控制）联系起来。为了解决这些空白，本研究探讨了在制造约束下将现有感应电机平台转换为适用于大直径农业通风风扇的直驱表面PMSM的设计。通过结合感应电机的实验性基准测量数据和所提出的PMSM原型的效率映射，本研究提供了在实际通风应用中效率提升和损耗重新分布的全面分析。

2.2. 电机平台与转换方法论
本节描述了将基准感应电机平台转换为适用于大直径农业通风风扇的直驱表面PMSM的设计框架。与传统的从全新电磁结构开始的PMSM设计方法不同，所提出的方法受到现有制造基础设施的约束。因此，设计过程侧重于重用原始的感应电机平台，同时仅修改少数关键部件。转换策略包括三个主要阶段：识别现有电机平台、定义制造约束条件以及重新设计电磁结构以实现PMSM的操作。

2.2.1. 商用感应电机平台
本研究使用的基准系统是一种多极三相感应电机平台，通常用于农业通风应用中。这些电机通常驱动大直径的轴流风扇，运行速度相对较低。现有电机平台包括两种主要配置：6极感应电机和8极感应电机。这两种配置共享一个为工业生产设计的共同机械平台，该平台包括标准化的定子叠片、外壳结构和绕组制造工艺[16,21]。表1总结了基准感应电机和转换后PMSM原型的关键设计参数。现有平台的最重要特征包括统一的定子外径、共同的电机外壳和机械接口以及现有的绕组生产工艺。由于定子、外壳和制造工艺保持不变，基准感应电机平台为在工业生产约束下开发PMSM解决方案提供了实际基础。

2.2.2. 制造约束
所提设计的一个关键创新在于其基于制造约束的转换框架。不同于设计全新的电机结构，PMSM是在商用感应电机平台施加的严格约束下开发的。为了保持与现有农业通风系统的机械兼容性，保留了原始电机外壳。图5展示了从商用感应电机平台重用的电机外壳结构。原始商用感应电机平台的定子叠片几何形状也被保留下来，关键的定子参数（包括外径、内径、槽结构和叠片长度）均未改变。图6展示了重用定子结构的尺寸：定子外径为160毫米，内径为100毫米，叠片长度为95毫米，定子包含36个槽。

2.2.3. 转子转换和基于逆变器的直驱
将基准感应电机平台转换为PMSM原型的过程遵循系统化的程序。在所提出的转换框架中，原始感应电机的转子被重新设计以实现同步运行，同时保持与现有定子几何形状的兼容性。商用感应电机的原始转子采用传统的鼠笼式结构，通过转子条中的电流产生电磁转矩[14,19,23]。为了实现同步转矩，鼠笼式转子被替换为表面永磁转子结构，如图7所示。由于PMSM的操作需要与感应电机不同的电磁特性，因此在保持原始定子槽结构的情况下修改了定子绕组参数，调整了绕组匝数、线径和相位连接方式。通过将这些设计修改限制在这些要素上，转换策略使得大部分机械组件和制造工艺得以重用。

2.2.4. 原型制造
最终，基于现有的感应电机平台，结合重新设计的永磁转子和修改后的定子绕组参数，制造出了PMSM原型[16,21]。在制造过程中，为了保持与现有通风风扇系统的兼容性，保留了原始电机外壳、定子叠片[24,25]和机械安装接口。图9展示了转换后PMSM的原型制造过程：(a) 定子绕组实现；(b) 组装好的PMSM原型。

2.3. 基于物理的设计考虑
2.3.1. 极数和槽结构
极数和定子槽结构显著影响转矩产生和反电动势（back EMF）特性[20,21]。转换后的PMSM采用了6极36槽的配置，以实现大轴流风扇所需的运行速度范围。

2.3.2. 绕组布局
转换后的PMSM定子绕组采用了分布式三相绕组布局，与原始定子叠片和现有制造工艺完全兼容。这种布局基于6极36槽的配置，每相每极的槽数（q）为2，确保了三相系统的平衡并减少了气隙磁场中的谐波含量。图10展示了每个相的详细绕组分布情况：定子槽对称排列，三相绕组在空间上相隔120电角度，以实现平衡的电磁运行。

2.3.3. 永磁体尺寸
表面永磁体的尺寸和位置经过精心选择，以确保在保持与现有定子几何形状兼容的同时提供足够的气隙磁通量[20,21]。所选永磁体的尺寸为宽41毫米、弧长97毫米、厚度2毫米，如图11所示。

2.3.4. 气隙几何
气隙长度和转子直径必须仔细选择，以在电磁性能和机械公差之间保持适当平衡。根据重用定子结构的机械公差和直驱风扇操作所需的电磁耦合要求，气隙长度定为0.5毫米，如图12所示。

2.3.5. 反电动势设计目标与转矩密度
转换后PMSM的反电动势（back EMF）常数被设计为与逆变器驱动的电压能力兼容，同时支持农业通风系统的目标运行速度范围。根据设计目标，原型PMSM在额定速度条件下的线间反电动势约为308 Vrms。这个值证实了所选永磁体尺寸和绕组配置在转矩能力和逆变器电压裕度之间提供了适当的平衡。由于电机需要直接驱动大轴流风扇，因此其转矩密度要求高于许多标准工业电机应用。因此，PMSM设计的目标是在大约650 rpm至750 rpm的转速范围内提供足够的转矩。

2.4. 实验设置与测量程序
电机性能测试使用了专为电动机特性分析设计的基于测功机的测量系统。该系统允许在测量电机效率所需电气和机械量时对电机进行受控加载。测量系统的主要组件包括功率测量仪器、测功机测试机、用于PMSM测试的逆变器驱动控制器以及Magtrol数据采集软件（M-Test 7电机测试软件）。图13展示了本研究中使用的完整实验设置，包括功率测量仪器和控制系统、安装在测功机测试台上的PMSM原型、Magtrol接口以及反电动势测量装置。

2.4.1. 商用感应电机基准测试
商用感应电机作为评估PMSM转换所实现性能提升的基准参考。感应电机在固定频率条件下运行，不使用基于逆变器的速度控制。通过测功机施加机械负载，获取整个运行范围内的转矩-速度性能数据。测试过程中测量了线电压、相电流、输入电功率、转速和机械转矩。电机的效率计算公式如下：

2.4.2. PMSM原型实验测试
转换后的PMSM原型使用了类似的测功机测试装置进行评估。然而，与感应电机不同，PMSM配备了基于逆变器的驱动系统，可实现变速运行。在PMSM测试过程中，逆变器控制器调节电机速度至预定义的运行点，对应于大约650–750 rpm的预期通风运行范围。在每个运行点，测功机施加机械负载，同时记录电气和机械参数。

2.4.3. 反电动势测量
为了验证PMSM原型的电磁特性，在保持定子绕组开路的情况下通过机械驱动转子进行反电动势测量。使用示波器测量了感应电压波形。如图14所示，测得的反电动势波形接近正弦波形，表明分布式绕组配置产生了平滑的气隙磁通量分布，具有较低的谐波失真。图14展示了从示波器获得的测量的反电动势（back EMF）波形。该波形接近正弦波形状，表明具有良好的电磁对称性和较低的谐波失真。这些特性对于永磁同步电机（PMSM）的运行至关重要，因为它们有助于减少扭矩波动、降低谐波损耗，并在逆变器驱动条件下提高稳定性。观察到的行为与第2.3.2节中描述的绕组设计一致。

2.5. 考虑驱动条件的公平比较框架
在本研究中，由于商用感应电机（IM）和转换后的永磁同步电机（PMSM）在运行条件上的根本差异，必须谨慎解读它们之间的性能比较。IM在固定频率的电网直接连接下运行，而PMSM则由逆变器驱动，实现变速控制。因此，这两种系统并不是在相同的控制条件下进行评估的。为了解决这一限制，本文中的比较被定义为系统级性能评估，而不仅仅是纯电机间的电磁比较。这种区分非常重要，因为在实际的农业通风应用中，电机性能无法与驱动系统和运行策略分离。在实际安装中，PMSM通常与基于逆变器的驱动器一起使用，以实现需求跟随运行，而感应电机通常在固定频率条件下运行。

逆变器馈给的PMSM提供了一个关键优势，它能够在大约650–750 rpm的所需运行范围内连续调节速度。根据风机的效率定律，气流与旋转速度成正比，输入功率与速度的立方成正比。因此，能够根据通风需求调整电机速度可以在部分负载条件下显著降低能耗。相比之下，固定速度的感应电机无法适应不同的气流需求，经常在次优条件下运行，导致滑差增加和转子铜损耗增大。还需要注意的是，在本研究中，PMSM系统的效率计算中没有明确包括逆变器损耗。在实际应用中，逆变器的效率通常在95%到98%之间，这会略微降低净系统效率。然而，即使考虑到逆变器损耗，由于消除了与滑差相关的转子铜损耗和基于需求的速度控制能力，PMSM系统仍然预计能保持显著的效率优势。

此外，比较是在等同的功能要求下进行的，而不是在相同的电气条件下进行。两种电机系统都是基于它们提供所需扭矩并在大直径轴流风机的实际速度范围内运行的能力进行评估的。这种方法确保了比较反映了现实的应用场景，而不仅仅是理想化的实验室条件。通过以这种方式明确定义比较框架，本研究确保了报告的效率提升是在真实世界农业通风系统的正确背景下进行解释的。该框架还与工业实践保持一致，在工业实践中，电机-驱动器集成对整个系统性能起着关键作用。

两种电机系统的运行条件和性能目标总结在表2中。该表作为在实际通风要求下进行系统级比较的参考，而不是在相同的电气运行条件下。表2. 商用感应电机和所提出的PMSM在实际通风条件下的运行性能总结。感应电机中观察到的相对较高的滑差与实际通风运行条件下的高扭矩需求有关。

3. 结果
从基于动态测功机的测试系统获得的实验结果用于评估转换后的PMSM原型的性能，并将其与商用感应电机平台进行比较。比较重点关注在不同负载和扭矩条件下与直接驱动通风系统相关的效率行为、损耗特性和输入功率消耗。所有测量都是在25%到100%的负载范围内进行的。

3.1. 测量性能
表3和表4总结了在不同的负载条件下基线感应电机和转换后PMSM原型的测量性能数据。测量包括负载、电机电流、输入功率、扭矩、速度、输出功率和效率，负载水平范围从25%到100%。

3.2. 综合效率图和比较性能分析
为了提供全面的电机性能评估，使用综合可视化方法展示了所提出的PMSM和基线感应电机（IM）的效率特性，如图15所示。该图整合了（a）PMSM的连续效率图和（b）作为负载和扭矩函数的PMSM与IM之间的离散效率比较。PMSM的效率图是根据从动态测功机测试系统获得的实验测量点构建的。这些数据点对应于实际通风运行范围内的不同扭矩和速度组合，通过基于网格的方法进行插值以生成连续的效率分布。如图16a所示的结果图表明，PMSM在广泛的运行区域内保持高效率，特别是在650–750 rpm的速度范围和大约10–24 Nm的扭矩范围内。在这个区域内，效率始终超过88%，并在某些情况下达到90%以上的峰值。相比之下，由于感应电机的固定频率运行，无法构建完整的效率图，这限制了电机的速度范围，因此使用从表3和表4的测量数据直接得出的离散数据进行IM性能评估。

比较揭示了两种电机类型在效率行为上的明显差异。PMSM在整个负载范围内始终保持较高效率，在中高负载条件下效率接近90%。相比之下，感应电机在较高负载水平下效率显著下降。这种下降主要是由于滑差增加，导致转子电流增大，从而增加了转子铜损耗。效率-扭矩关系进一步突显了这种差异。随着扭矩的增加，感应电机的效率显著下降，特别是在与直接驱动通风系统相关的高扭矩区域。相反，PMSM在相同的扭矩范围内保持稳定的高效率。这种行为可以通过扭矩产生机制的根本差异来解释。在感应电机中，产生扭矩需要滑差，这不可避免地引入了与负载成比例的转子铜损耗。而在PMSM中，扭矩是通过定子电流和永磁通量的相互作用产生的，消除了与滑差相关的损耗，使得在高扭矩条件下运行更加高效。

重要的是要了解这些结果是在第2.5节中定义的系统级比较框架内进行解释的。PMSM通过基于逆变器的变速控制运行，能够根据通风需求调整速度，而感应电机则以固定频率运行。这种差异使PMSM能够在更宽的运行条件范围内保持高效率运行。根据风机的效率定律，调节速度的能力特别是在部分负载条件下显著降低了输入功率，进一步提高了系统级效率。总体而言，综合可视化表明PMSM不仅提高了峰值效率，还显著扩展了高效率运行区域。这一特性对于农业通风系统特别有利，因为这些系统的运行条件是连续变化的，需求跟随控制对于节能运行至关重要。

PMSM相比感应电机具有更宽的高效率运行区域，特别是在高扭矩条件下，由于滑差导致的转子铜损耗，感应电机的效率会下降。这种比较与第2.5节中定义的系统级评估框架一致。为了提高性能比较的清晰度，PMSM的效率图与感应电机和PMSM作为负载和扭矩函数的离散效率比较一起展示。由于感应电机在固定频率条件下运行，因此无法像逆变器驱动的PMSM那样构建完整的扭矩-速度效率图。因此，使用实验测量的离散运行点来展示感应电机的性能，为比较提供了平衡的基础。

3.3. 效率与负载
图17显示了电机效率随负载水平的变化。在整个负载范围内，PMSM原型始终表现出比感应电机更高的效率。在中等负载水平（50–75%）下，PMSM的效率接近90%，而感应电机则保持在80%左右。在较高负载条件下，效率差异变得更加显著，因为感应电机的效率由于滑差增加和相关转子铜损耗而下降。

3.4. 电机损耗与负载
图18展示了电机总损耗作为负载函数的变化。结果显示，随着负载的增加，感应电机的损耗显著增加，尤其是在较高负载水平下。这种行为主要是由于转子铜损耗增加，这在高扭矩需求下更为明显。相比之下，PMSM原型在整个负载范围内的总损耗显著较低。

3.5. PMSM相对于IM的效率提升
图19显示了PMSM在不同负载条件下相对于感应电机的效率提升。对于6极配置，部分负载下的效率提升相对适中，但在满负载下由于感应电机的高效率下降而显著增加。对于8极配置，整个负载范围内的效率提升保持较高。

3.6. PMSM相对于IM的输入功率节省
图20展示了用PMSM原型替换感应电机所实现的电输入功率节省。在较高负载水平下，这种差异尤为明显，因为感应电机的转子铜损耗由于滑差增加而显著增加。相比之下，PMSM由于磁场由永磁体产生而不是感应电流产生，因此保持了较低的电功率消耗。

3.7. 效率与扭矩
图21显示了电机效率与输出扭矩之间的关系。永磁同步电机（PMSM）在广泛的扭矩范围内保持高效率，而感应电机的效率随着扭矩的增加而显著下降。这一特性对于直驱风扇应用特别有益，因为在相对较低的转速下需要高扭矩。实验结果清楚地展示了传统感应电机与改造后的PMSM在性能特性上的区别，尤其是在与大型农业通风系统相关的操作条件下。最显著的区别体现在不同负载和扭矩条件下的效率表现上。对于感应电机来说，当负载水平较高时，效率会显著降低。这种行为与感应电机的固有工作原理有关，即产生扭矩需要同步速度和转子速度之间的差异。随着机械负载的增加，这种速度差异会增大，导致转子电流增加和相应的损耗增加，从而在高压区域效率下降，这对直驱风扇应用尤为重要。相比之下，PMSM在整个工作范围内都能保持稳定的高效率。这是由于其同步工作原理，即扭矩是通过定子电流与永磁体的磁场相互作用产生的。因此，PMSM避免了与感应转子电流相关的损耗机制，在不同负载条件下表现出更稳定的效率特性。另一个重要的观察结果是PMSM的高效率工作区域得到了扩展。效率图和对比图表显示，PMSM能够在650-750转/分钟的实际速度范围内，在广泛的扭矩值下保持高效率。这一工作区域与农业通风系统的典型要求非常吻合，因为这些系统需要在相对较低的转速下提供高扭矩。

从应用角度来看，在更广泛的条件范围内高效运行具有显著优势。通风需求会根据环境条件和牲畜需求不断变化。PMSM结合逆变器控制可以相应地调整其运行速度。根据风扇的 affinity 定律，降低转速可以不成比例地减少输入功率，从而提高整个系统的效率。这种效果在固定速度的感应电机系统中无法充分利用。还应该注意的是，两种电机类型的比较反映了实际的操作配置，而不是相同的控制条件。感应电机在固定频率的电源下运行，而PMSM使用基于逆变器的速度控制。因此，观察到的性能差异代表了实际通风应用中的真实系统级行为，如第2.5节所讨论的。

总体而言，结果表明PMSM不仅达到了更高的峰值效率，而且在更宽的工作范围内提供了更优的性能。这一特性对于提高需求驱动通风系统的能源效率至关重要。

这项工作的贡献不仅体现在性能比较上，还引入了一个设计框架，该框架明确地将制造约束纳入了电机开发过程中。这一视角对于弥合理论电机优化与实际工业实施之间的差距至关重要。本研究的关键贡献不仅在于PMSM转换所带来的性能提升，还在于开发了一个考虑制造约束的设计框架，从而实现了理论电机优化与实际工业实施之间的衔接。这些约束定义了设计的性能边界，特别是在磁负载、槽利用和可实现扭矩密度方面。在传统的PMSM设计研究中，电机通常是通过从头开始的方法开发的，可以选择定子几何形状、材料和制造工艺。相比之下，本研究基于现有的商用感应电机平台，保留了关键部件，如定子层压、外壳结构和绕组制造工艺。这种限制显著限制了设计空间，需要采取不同的工程策略。在这种条件下，性能提升不能仅依赖传统的电磁优化。相反，设计必须着重于有选择地修改关键元素，同时保持与现有生产基础设施的兼容性。在这项工作中，对转子结构进行重新设计，使得在原始定子配置的约束下实现了扭矩生成机制的根本转变。从设计角度来看，这种方法表明，通过重新分配损耗机制而不是单纯最大化电磁性能，可以实现效率提升。从基于感应的扭矩生成向永磁体激励的转变消除了对转子感应电流的依赖，从而降低了损耗对负载变化的敏感性。在需要在高扭矩条件下持续运行的应用中，这种效果尤为重要。这项工作的创新之处在于整合了三个关键方面：（1）基于现有工业平台的考虑制造约束的电机重新设计，（2）在实际操作条件下对性能提升的实验验证，以及（3）系统级效率行为与应用需求的关联解释。这种组合使本研究区别于之前那些仅仅关注无约束电机优化或不考虑电机转换的应用级分析的研究。

从工业角度来看，所提出的框架为在不显著改变工具或制造工艺的情况下升级现有电机系统提供了实际路径。这降低了实施复杂性，并支持在农业通风等成本和可靠性至关重要的领域的更快应用。总之，这项研究强调了将制造约束纳入电机设计的重要性，并证明了通过与实际生产环境相一致的结构改造可以实现显著的效率提升。与之前报道的改造方法相比，本研究独特地结合了考虑制造约束的重新设计、实验验证的性能映射和系统级性能分析。为了进一步证明所提出的PMSM系统的实际适用性，使用安装在农业通风环境中的直驱轴流风扇进行了现场验证，如图22所示。图22展示了PMSM驱动的通风系统的现场验证设置，其中包括直驱轴流风扇、电机组合和集成在通风外壳中的结构支持，在实际安装条件下运行。该系统在接近零静压条件下使用基于逆变器的驱动器进行操作，这作为系统行为的基准参考。在实际运行场景中，静压通常根据环境和通风需求在0.10到0.25英寸水柱之间变化。尽管现场条件与实验室控制的性能测试不完全相同，但系统在实际安装条件下表现出稳定可靠的运行。观察到的行为与之前讨论的系统级性能特性一致，特别是PMSM在低速、高扭矩条件下的高效运行能力。这种现场验证支持了所提出的考虑制造约束的转换方法的工业可行性，并确认了其在实际通风系统中的适用性。

本研究提出了一种考虑制造约束的转换方法，用于将商用感应电机平台转换为适用于大型农业通风系统的直驱永磁同步电机。该方法保留了现有的定子几何形状、电机外壳和制造基础设施，同时重新设计了转子结构和定子绕组配置以实现同步运行。使用基于测功机的测试系统进行的实验验证表明，改造后的PMSM在整个工作负载范围内始终比传统感应电机具有更高的效率。在较高负载条件下，这种效率优势更为明显，因为感应电机在这种情况下会经历更大的滑差和相应的转子铜损。损耗分析进一步确认，由于消除了与滑差相关的转子铜损，PMSM的损耗显著降低。因此，PMSM原型显示出显著的效率提升、较低的输入功率需求和更宽的高效率工作范围。总体而言，结果证实了所提出的考虑制造约束的转换框架为将传统感应电机平台升级到PMSM技术提供了实用路径，同时最小化了制造中断。所提出的方法为提高工业通风系统和其他低速、高扭矩应用的能源效率提供了有前景的解决方案。