永磁同步电机的设计与电磁分析 耿艳华.doc

编号：（ ）字 号本科生毕业设计（论文）题目： 永磁同步电机的设计与电磁分析 姓名： 耿艳华 学号： 21116258 班级： 电气工程与自动化11级1班 二 一 五 年 六 月中 国 矿 业 大 学本科生毕业论文姓 名： 耿艳华 学 号： 21116258 学 院： 应用技术学院 专 业： 电气工程与自动化 论文题目： 永磁同步电机的设计与电磁分析 专 题： 指导教师： 邓先明 职 称： 教授 2015年 6月 徐州中国矿业大学毕业论文任务书学院 应用技术学院 专业年级 电气2011级 学生姓名 耿艳华 任务下达日期： 2015 年 3 月 15 日毕业论文日期： 2015 年 3 月 16 日 至 2015 年 6 月 1 日毕业论文题目： 永磁同步电机的设计与电磁分析毕业论文专题题目：毕业论文主要内容和要求：1 永磁同步电机的工作原理和基本结构；2 自启动永磁同步电机的一般设计方法；3 设计一台 永磁同步电机，参数： （1）、容量：40KW；（2）、额定电压380V，额定频率50Hz；（3）、额定转速1500；（4）、定子相数3；（5）、效率0.95；（6）功率因数0.95.；（7）能够自启动。4 利用有限元方法，计算验证设计结果。5 完成与毕业设计内容有关的英文翻译（近三年的文献），不少于3000汉字；6 完成毕业设计论文。院长签字： 指导教师签字： 中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基 本正 确有 一般 性错 误有 原则 性 错 误没 有回 答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要自起动永磁同步电机拥有鼠笼，能够实现自启动。它无需无功励磁电流，功率因数高，减少了定子电流和定子电阻损耗，并且在稳定运行时没有转子损耗。因此它具有高效率、高功率因数等的技术特点，符合高性能电机的技术指标。是未来高效率、节能型传动系统的发展方向，具有广泛的应用前景。本文主要是通过利用传统的异步电机设计方法并结合了永磁同步电机的特点，设计了一台40Kw的转子导体内置式的永磁同步电机，详细的设计了其机械结构、计算了其电气性能。同时还利用数值计算软件对其进行了性能分析。给出了所设计电机的功角特性和起动特性，计算结果证明了本文所设计的电机其性能完全满足预期的要求。本文利用电磁场数值计算软件 Ansoft，对电机进行了建模及仿真，获得了电机的电磁场分布、启动转矩和转速以及电机稳态运行时的损耗。计算了电机的空载反电动势波形、交直轴电抗参数特性以及电机的功角特性。通过将每极的转子磁极采用集中分布的方法，提高了气隙磁密中的基波含量，明显得抑制了其中的高次谐波。关键词：自启动永磁同步电机 ；电磁特性；有限元法AbstractStart permanent magnet synchronous motor has a squirrel cage, can be realized from the start. It does not require reactive excitation current, power factor, reducing the stator current and stator resistance loss, and no rotor losses in stable operation. So it has high efficiency, high power factor and other technical characteristics, in line with high-performance motor technical indicators, is the future direction of high efficiency, energy-saving drive system has broad application prospects. In this paper, through the use of a conventional induction motor design methods and combines the characteristics of a permanent magnet synchronous motor, designed a rotor conductor built-in 40kW permanent magnet synchronous motor, the detailed design of the mechanical structure, calculate its electrical properties . Also take advantage of its numerical software performance analysis. The design of the motor gives power angle characteristic and starting characteristics, the results prove that the designed motor performance to fully meet the expected demand.In this paper, electromagnetic field numerical calculation software Ansoft, the motor is modeled and simulated, We got the electromagnetic field distribution inside the motor, and we also got the steady state torque and starting torque. The No-load back-EMF waveform, quadrature/direct axis reactance parameter characteristic and power-angle characteristic are calculated. The results prove that the SPMSM completely meet the expected requirements. By adopting the method of centralized distribution of the rotor pole, The results show that this method not only can accurately detect the rotor position, but also can identify the rotor polarity.Keywords：Since the start permanent magnet synchronous motor; electromagnetic characteristic; finite element methods目 录第一章 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2永磁同步电机的国内外研现状21.2.1永磁材料的发展21.2.2永磁电机的研究现状31.2.3自启动永磁同步电动机研究现状31.3 本课题研究的内容3第二章 永磁同步电机的工作原理52.1永磁同步电机的基本结构52.1.1总体结构52.1.2定子结构52.1.3转子结构62.1.4自启动永磁同步电动机的转子磁路结构72.2永磁同步电动机的工作原理102.3永磁同步电动机的特点10第三章永磁同步电机的电磁设计113.1基本思路和设计方法113.1.1电机主要尺寸的确定113.1.2定转子的设计113.1.3永磁体的设计123.1.4设计方法123.2永磁同步电机的电磁设计123.2.1额定参数和技术要求123.2.2永磁同步电机的主要尺寸133.2.3永磁同步电机的永磁体计算143.2.4永磁同步电机的定转子冲片设计153.2.5永磁同步电机的绕组计算173.2.6永磁同步电机的磁路计算193.2.7永磁同步电机的参数计算223.2.8永磁同步电机的工作特性计算263.2.9永磁同步电机的启动特性计算303.3 本章小结33第四章永磁同步电机的有限元分析344.1Ansoft 简介344.2Ansoft软件的特点344.3电磁场基本理论344.4永磁同步电机的有限元分析344.4.1电磁场求解的有限元方法344.4.2 永磁同步电机的有限元仿真模型354.4.3永磁同步电机的磁场分布364.3.4永磁同步电机启动特性分析384.3.5永磁同步电机的功角转矩特性394.3.6永磁同步电机损耗分析404.3.7永磁同步电机结果分析41第五章 结论43参考文献44翻译部分45英文原文45中文译文53致 谢60第 62 页 中国矿业大学2015届本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 课题研究的背景和意义由于现代工业技术和人类生活所需的能源消耗随着现代科学技术和先进文明的进步不断地日趋增长，使全球进入了能源危机的严峻形势，尤其是近期一系列能源安全事故和能源安全问题的发生进一步说明了这一问题。进入20世纪90年代，由于现代工业的发展对于能源消耗的大量需求所带来的环境污染使人们的生活品质不断降低，从而形成了影响世界经济可持续发展的问题环境问题。大量的以能源消耗为代价的经济发展是不可取的，对能源的限制使用也是不现实的。解决这一问题的方法之一就是要不断提高能源的利用率。随着新能源时代的到来。电能具有经济、便捷、可持续、安全、清洁和高效率等特点。为解决能源问题，我国提出了“电能替代”的新理念，电能将是终端能源消费最重要的一部分。在全球面临能源危机的严峻形势下，世界各个国家也积极的寻找新的解决办法并颁布了相应的新能源法案与计划。下一代电机的效率相对于现有的电机技术标准需要超过90%，由表1-1可看出我国的Y系列、Y2系列、Y2E系列的电动机效率的效率标准仍低于国外同类系列产品的平均效率1。 表1-1 国产感应电动机与国外同类系列产品的平均效率对比系列YY2Y2-E西门子ABB欧盟Eff2欧盟Eff1美国EPACT美国NEMAPermium美国NEMA E美国IEEE 841-2000效率（%）87.386.387.986.587.386.489.190.391.792.291.1我国的能源形势在不断日趋增长，耗电量占世界的10%，其中包括每年有2.5个三峡的发电量由于效率低而被浪费掉。80%以上的各类电机产品运行效率都比国外的先进水平低了3%5%。由此可看出，我国的电机运行效率具有很大的提升空间，也具有很大的节能潜力。从国际能源机构2006年7月的调研数据中可以得出，采取变频调速的方式来改变电机的效率大概可以节约7左右的电能。电机是以气隙磁场为媒介进行机电能量的转换的装置,提高电机的效率一方面可以节省电能，减少消耗资源和排放污染，推进环保节能产业的发展；另一方面也可以提高我国在世界电机行业的竞争力。目前可实现电机节能的方法有三种：（1）采用新的控制方法，如:变频器控制；（2）采用高效节能电机代替原有电机，如：Y系列、Y2系列和Y2-E系列电机；（3）重新优化电机的设计。异步电动机具有运行可靠、结构简单、制造方便、便于维修和保养等一系列优点，但是它的运行效率和功率因数低，从电网中吸收了大量滞后的无功功率等缺点。相比较感应电动机，永磁同步电机具有结构简单、有限宽的运行范围，可在其25%120%中有效额定负载范围内具有高功率因数和高效率2，转子中有永磁体励磁，将电刷省去，具有高可靠性，损耗小，可满足下一代电机的运行要求。而自启动永磁同步电动机则是无需启动设备便能自行启动的永磁同步电动机。与感应电机运行性能相比，自启动永磁同步电机具有较高的功率因数和较高的运行效率，可在某些负载变化较大的场合，用永磁同步电机取代原有的电机。因此合理的设计永磁同步电机的结构，可是电机的功率因数接近1。我国的稀土资源储量丰富，稀土永磁的产量已居世界首位，矿种和稀土元素也较为齐全，并且在国内售价也较低（约200-300元/kg）3，稀土永磁材料产量的1/3左右用来制造各种永磁电机5，这极利于我国永磁电机的发展。因此，充分发挥利用我国稀土资源丰富和永磁电机自身高性能的优势，大力研究和推广稀土永磁同步电机，可实现降耗，提高经济效益和保障经济安全具有重要的意义。1.2永磁同步电机的国内外研现状1.2.1永磁材料的发展永磁材料的发展是与电机使用永磁材料的发展其性能的不断提高密不可分的，根据国外资料的统计，大约有35%的永磁体应用于电机中4。永磁材料是重要的功能材料，将其充磁至饱和，去掉外磁场作用，其仍能保留磁性，因此又称为硬磁材料。永磁材料的矫顽力一般在8KA/m以上5。早在两千多年前，我国就有记载关于磁的书籍。宋朝时我国就发明了众所周知的指南针。由于技术的限制，并且永磁材料磁铁矿的饱和磁化强度低，使其长期以来未受到重视。到了十九世纪末期，人们才开始深入研究永磁材料， 其发展可大致分为以下四个阶段。（1）基于碳钢的永磁体1910年以前，永磁材料主要以含碳量很低（1.5%）的高碳钢为主，后来人们在钢中加入了碳、钨、铬元素改善了钢的磁性能。其中钨钢的磁能积最大可达到0.34MGOe。1917年制成的Fe-Co永磁合金的磁能积最大可达1.8MGOe。（2）铝镍钴永磁1931年，日本科学家先后发明和研制了Fe-Ni-Al永磁。1938年，英国在此基础上加入Co经热处理后诞生了Fe-Ni-Al-Co永磁体。1956年，荷兰人科赫研制出是矫顽力显著提高的含钛元素的Fe-Ni-Al-Co-Ti合金永磁体。1960年先后出现的定向结晶的AlNiCo5磁体和含钛的AlNiCo8合金永磁体，使其磁特性较有了巨大飞跃。（3）铁氧体永磁1913年，Hausknrcht发现了通过退火处理的氧化铁和氧化钡的混合物具有很高的磁特性。1938年，日本成功研制了标志着铁氧体永磁正式诞生的永磁材料是使用粉末氧化物制成的。1963年，诞生了具有高矫顽力的锶铁氧体永磁，其最大磁能积可达5MGOe。（4）稀土永磁自20世纪60年代，稀土永磁材料问世，先后经历了三个阶段，即：第一代（1:5型SmCo5）、第二代（2:7型Sm2Co17）和第三代（NdFeB）1。1959年，美国学者K.J.Strant研制出了标志着第一代稀土永磁材料诞生的最大磁能积为5MGOe的SmCo5粉末粘结永磁材料。1970年，出现了液相烧结法制造的SmCo5永磁体，使得永磁制造工艺逐步走向成熟与完善。1977年，日本研制出磁能积高达30MGOe的Sm2Co17永磁体，成为第二代稀土永磁材料。1983年，由日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司同时研制开发成功的磁能积最大为36MGOe的NdFeB永磁材料。这一新型材料的出现标志着第三代稀土永磁材料的诞生。由于这种新型材料不含战略物资钴，而且材料中的钕价格也远低于钴，引起了人们的广泛关注。尤其是引起稀土永磁材料储量占世界储量80%以上的中国材料界的关注。随着永磁体技术的进步，出现了磁能积为54MGOe的钕铁硼永磁体。1.2.2永磁电机的研究现状世界上第一台永磁电机是1831年发明的，但是由于当时采用的天然磁铁磁性能太差，电机的磁能积不足而很快被电励磁电机所取代。20世纪中期，各种微型及小功率永磁电机随着铝镍钴永磁材料的出现和铁氧体永磁材料性能的提高而出现在市场上。由于技术有限这一时期永磁电机的发展受到了限制。1978年，法国CEM公司先后推出了ISOSYN系列0.55-18.5kW钐钴永磁同步电动机，效率比一般感应电动机高2%-8%，功率因数也提高0.05-0.15，起动转矩倍数为1.6-2.2，英国、前苏联、美国等也相继推出类似系列产品，但功率普遍做得不大。由于钐钴材料价格昂贵而且含有战略物资钴，使得各国只能研究一些要求高性能而不计成本的高科技领域。1983年，异步起动永磁同步电动机的概念首次由英国著名学者提出。19881989年，为了给209型AIO潜艇提高性能高的推进电机，西门子公司开发研制出6相、1.1KW、230r/min的永磁同步电动机。20世纪80年代末，沈阳工业大学研制开发的3KW、2000r/min稀土永磁电机为我国的永磁电机的实用奠定了基础。随着钕铁硼永磁的出现，各种高效永磁同步电机相继被研制开发。1990年，西北工业大学研制开发了0.8KW纺织专用同步电动机。2004年，沈阳工业大学研制出了900KW高性能化纤两极永磁同步电动机。目前，国内单机容量最大的永磁电动机是沈阳工业大学唐任远院士主持研制的1120KW稀土永磁同步电动机6。1.2.3自启动永磁同步电动机研究现状 自启动永磁同步电动机是一种目前最为广泛应用的具有自行启动的能力的永磁同步电机。20世纪80年代后期，国内外大量的学者从事这方面的研究工作。尤其是随着科学技术、电机制造业的不断发展，自启动永磁同步电动机以钕铁硼永磁材料为磁极代替了同步电机的励磁绕组和励磁磁极，不仅节省了材料，而且减少了励磁损耗，与感应电动机相比，既有较高的效率，又有较高的功率因数，在小功率到中功率的场合，具有代替鼠笼异步电机的趋势。目前，自启动永磁同步电机正朝着系列化、大功率化等方向发展。近年来科研人员在电机结构设计、参数计算、性能分析特别是动态分析和计算机辅助设计以及优化设计等方面进行了大量的研究，并取得了一定的成果6 。虽然自启动永磁同步电动机具有高效率、高功率因数等优点，但是还有很多的问题有待解决：转子结构及磁路的复杂，即转子鼠笼导条与永磁体的并存，增加了电机转子设计的难度；启动过程中，启动转矩复杂并且比异步电机的低，启动较为困难；结构和磁路的复杂性，让电机电抗参数测量和计算起来比较困难等。1.3 本课题研究的内容本课题主要是设计一台40KW的自启动永磁同步电机。本文首先分析了自启动永磁同步电机的工作原理和结构，然后确定了一个40Kw自启动永磁同步电机的设计方案，并利用电磁计算法和有限元分析进行确认方案。本论文内容如下：（1） 第一章 绪论，分析了课题的研究背景和意义以及自启动永磁同步电动机的研究现状。（2） 第二章 永磁同步电动机的工作原理。（3） 第三章 永磁同步电动机的电磁设计，用等效磁路法完成40Kw永磁同步电机的设计，并进行了初步验证。（4） 第四章永磁同步电动机的有限元分析，利用设计参数，使用有限元软件建立2-D模型分析验证结果。（5） 第五章 结论 总结和概括论文所做的研究工作，展望自启动永磁同步电动机的发展前景。第二章 永磁同步电机的工作原理2.1永磁同步电机的基本结构2.1.1总体结构自启动永磁同步电动机除了转子上安装永磁体以外，其他的构成与鼠笼异步电动机的构成是一样的，它还包括机座、机壳、端盖、定子铁心及电枢绕组、气隙、转子铁心及鼠笼导条和转轴等。其中定子结构与感应电动机相同，通常采用0.5mm厚的硅钢片叠压而成以减少电机运行过程中产生的铁耗。转子铁心可用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，也可由整块钢加工成实心的。定子绕组常采用星形接法以减少电动机杂散损耗。虽然气隙长度对永磁同步电动机的无功功率的影响没有鼠笼异步电动机那么的灵敏，但是在电机交、直轴电抗上影响很大，而且气隙长度的大小对电机的装配工艺和杂散损耗上有着很大的影响。所以自启动永磁同步电动机的气隙长度要比同容量的电动机的气隙长度大的多7。整体结构如图2.1所示。1定子铁心；2定子槽；3转子槽；4转子铁心；5永磁体；6轴图2.1永磁同步电动机结构示意图2.1.2定子结构自启动永磁同步电动机的定子结构与感应电动机的定子结构一样。为了减小电机运行过程产生的铁耗，定子铁心通常由0.5mm厚的硅钢片叠压而成。定子槽采用半闭口槽，槽内嵌有三相对称绕组 ，如图2.2所示。梨形槽的使用较为广泛，它的槽面积利用率高，冲模的寿命也长，并且槽绝缘的弯曲程度也较小，不容易损伤。为了减小杂散损耗，定子绕组通常采用双层短矩和Y接法。(a)梨形槽 (b)梯形槽图2.2永磁同步电动机的定子槽形2.1.3转子结构根据转子启动笼的有无，可以将转子结构分为实心永磁转子和鼠笼型永磁转子。实心永磁转子的铁心是由整块钢加工而成的。而且这种结构是不需要启动绕组的，它是靠旋转磁场在转子铁心中感应到的涡流而产生了起动转矩。最常见的转子结构是鼠笼型永磁转子，转子的铁心则是由0.5mm厚的硅钢片叠压而成的，而且转子槽通常采用半闭口槽，转子结构如图2.3所示。图（b）广泛应用于小型异步启动永磁同步电动机中，结构简单，模具制造方便；图（a）中所示的槽形，槽底为圆形，隔磁效果很差，通常采用图（d）来保证隔磁效果，但是它的加工复杂，相较于平底槽，他在性能上没有优势，因此应用的也比较少。为了增强集肤效应，提高电机的启动转矩，可以使用图(c)所示的凸形槽和图(d)所示的刀形槽，相较于同容量的感应电动机的电流集肤效应，由于永磁同步电动机的转子内放置永磁体，并且转子槽一般不是很深，电流集肤效应也没有那么明显。图（e）和图（f）的闭口槽可以简化冲模的制造，减少杂散损耗，但是他的转子漏抗比较大，对电机的起动性能具有一定的影响，因此也比较少用4 5。需要指出的是，当选用内置径向式转子磁路结构并且转子槽的尺寸也较小的时候，可以采用具有隔磁磁桥形状的平底槽，以保证隔磁效果，减少漏磁系数。当选用的转子槽的尺寸足够大时，也可以使用圆形槽。在感应电动机中通常使用转子斜槽，由于受到永磁体放置位置的限制，在永磁同步电动机中，常使用可减少电动机的杂散损耗和附加转矩的定子斜槽。转子笼型绕组通常有两种，即：钢导条焊接式和铸铝式。钢导条焊接式是在转子槽中插入了钢导条，并将转子铁心两端放置的铜端环和导条焊接在一起；铸铝式则是使用了离心铸铝或压力铸铝制造工艺，将导条与端环一次铸出。永磁同步电动机常使用铸铝式是因为相对焊接法来说，铸铝式制造工艺简单，成本也低。 (a) 梨形槽 (b) 梯形槽 (c) 凸形槽 (d) 刀形槽 (e) 闭口梯形槽 (f)闭口梨形槽图2.3永磁同步电动机的转子槽形2.1.4自启动永磁同步电动机的转子磁路结构永磁体安置在转子上，根据永磁体放置的位置和形式的不同，可将其分为表面式、内置式和爪极式三种转子磁极结构。(1).表面式转子结构 1铁心；2永磁体；3导条；4护环；5极间填充物；6轴图2.4 表面式转子磁极结构这种结构如图2.4所示，表面式转子结构的永磁体呈瓦片形状，并且是利用高强度非导磁圈固定在鼠笼转子的表面上，所提供的磁通方向为径向。当永磁体采用非导磁材料填充时，交直轴q、d的磁路对称，气隙均匀并且d、q轴上的磁阻相等，这时是属于隐极电机；当永磁体采用导磁材料填充时，气隙不均匀，交直轴磁路不对称且d、q轴上的磁阻不相等，这时为凸极电机，而且可以利用凸极电机的凸剂效应所产生的磁阻转矩来提高电动机的过载能力和它的功率密度。表面式转子磁路结构制作简单，成本低，应用也广泛。但是它的启动导条在转子的内部所产生的启动转矩很小，没有足够的异步启动能力。因此，它不能使用在自启动的永磁同步电动机中，只能使用在启动性能不高的场合8。(2).内置式转子结构 自启动永磁同步电动机通常采用内置式转子磁路结构。内置式磁路转子结构的永磁体通常为条状，安装在转子铁心的内部，交直轴磁阻不相等并且交轴q的磁阻小于直轴d的磁阻，造成转子磁路的不对称，因此它产生的磁阻转矩可以有助于提高电动机的过载能力和它的转矩密度，而且鼠笼是直接面向空气隙的，启动性能也较好。 按照永磁体的磁化方向和转子的旋转方向之间的相互关系，可以将内置式转子磁路结构分为切向式、径向式和混合式三种。三种转子磁路结构格具特点，因此需要根据实际情况来选择不同的合适的结构。1) 切向式结构永磁体是插在电机转子铁心的内部，并且磁力线是切向穿出转子的，如图2.5所示。其结构特点是转子有阻尼绕组，气隙均匀，漏磁系数较大，需要采取隔磁措施。切向式电机要比径向式电机的制造工艺和加工成本有所增加。切向式结构一大优点就是它的每一对极下相邻两磁极的永磁体是并联关系，磁通量大，具有很好的聚磁作用。当电动机的极数过多，并且径向式结构此时无法提供足够的磁通量时，就可以采用切向式结构。图2.5 内置切向式转子磁极结构2）径向式结构永磁体是插在电机转子铁心的内部，并且磁力线是径向穿出转子的。其结构特点是漏磁系数小，转轴上不需要隔磁；易于控制极弧系数；转子冲片的机械强度高，转子安装永磁体后不容易变形9；结构简单、运行可靠，因此近年来受到了广泛地应用。径向式磁路图（a）放置永磁体的空间较小，因此不助于提高电动机的转矩密度。图（b）是由每极永磁体构成了字母形状的V结构，他放置永磁体的空间很大，可以安置很多的永磁体，磁通量很大，而且制造出的电机体积小、转矩密度也高，但是它的加工工艺复杂。图2.6内置径向式转子的磁极结构3）混合式结构混合式磁路结构如图2.7所示。混合式结构是集中了径向式和切向式结构的优点。但是它的结构较为复杂，制造有很大的难度，因此使得转子冲片的机械强度依次也有所下降，加工成本也比较高。(a) (b) c) d)1转轴；2永磁体槽；3永磁体；4转子导条图2.7内置混合式转子磁极结构(3).转子磁路结构的选择原则内置式永磁同步电动机的转子磁路结构是多种多样的而且各有各的特点，设计电动机是首先要选择好合适的转子磁路结构。因此转子磁路结构的选择原则有以下几点：1) 为保证电机的性能需要能放置足够多的永磁体；2) 要有可行的隔磁措施；3) 转子的机械强度要足够高；4) 要有适当地交、直轴同步电抗及其比例Xq/Xd。2.2永磁同步电动机的工作原理在电动机的定子三相对称绕组中通入三相对称电压后会产生三相对称电流，进而三相对称电流就会在电动机的定子绕组中产生旋转磁场。由于转子上安装的永磁体自身的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸、异性相斥的原理，进而在定子中的旋转磁场就会带着转子进行旋转，最终达到转子转速与定子旋转磁场的转速相同。因此可以把永磁同步电动机的启动过程看成是由异步启动和同步牵入两个阶段组成。电动机是在异步转矩、永磁发电制动转矩、转子磁路的不对称而引起磁阻转矩和单轴转矩等共同作用下使得电动机的转速从零开始逐渐增大，并在这个过程中的转速是震荡着上升的。在启动过程中，电动机就是以具有异步驱动性质的异步转矩来加速的，其他的转矩则大部分是制动转矩。当电动机的转速从零逐渐增大接近于定子旋转磁场的速度时，永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电动机的转速有可能会超过同步转速，进而会出现电机转速的超调现象，但是经过一段时间的转速震荡后，最终会在同步转矩的作用下将其牵入到同步运行状态。在同步运行状态下，这时的转子绕组中就不会再有转子电流的产生，只存在永磁磁场，并且与定子旋转磁场共同作用产生驱动转矩，进而完成了永磁同步电动机的启动和运行。2.3永磁同步电动机的特点(1)结构简单紧凑、噪声低、具有很明显的节能效果；(2) 功率密度大、功率因数高，转速为同步转速；(3)运行效率高，转子中有永磁体励磁，无需励磁，转子无绕组并且定子绕组的损耗较小；(4)电机的体积小、重量轻、便于维护保养；(5)内置式交直轴的磁阻不同，进而产生的转子磁路不对称，弱磁性能也好，但表面式的弱磁性能较差；(6)电机性能受到气隙长度的影响要远小于感应电机，因此气隙要比同功率的感应电动机大的多；(7)具有较宽的经济运行范围，可在其25%120%中有效额定负载范围内具有高功率因数和高效率；(8)制造工艺较为复杂，成本也高。第三章永磁同步电机的电磁设计3.1基本思路和设计方法异步启动永磁同步电动机虽然继承了感应电动机直接加压启动的优点和具有永磁同步电动机的特点，但是它在产品种类、应用场合以及设计技术上的完善度都还存在一些差距。由于异步启动永磁同步电动机主要用在高效节能来代替感应电动机的场合，因此它在设计方面也有了一定的要求，即它的设计要与产品规格、实际使用环境并且符合国家标准，其目标是高效率、经济运行可靠、高功率因数和起动性能好。这就需要运用有关的运理论与计算方法来设计出符合要求的电动机。其中异步起动永磁同步电动机的电磁设计的任务主要包括主要尺寸的确定、定转子冲片及槽形的尺寸和绕组参数等的参数设计进而满足生产实际的需求。3.1.1电机主要尺寸的确定由于异步起动永磁同步电动机主要是用于代替感应电动机，而且电机的内部放置了永磁体。所以对其进行电磁设计时，最重要的就是对电机主要尺寸的确定，主要尺寸大小的确定直接会影响到电动机自身的体积、成本、性能和经济可靠性。对于没有依据可靠的参数就需要进行设计的条件，我们则可以依据所给定电机的额定转速和额定功率的要求来进一步确定电机的电枢铁心的直径和长度之后，再跟据经验来确定电机的主要尺寸。由于永磁同步电机的内部要安置永磁体，因此我们要尽可能的去选择相对比较小的主要尺寸，也就是说要选择相对比较大的转子尺寸以便有足够大的空间来放置永磁体3。电机体积的计算公式为：(3-1)永磁同步电动机的性能受气隙长度的影响没有的感应电动机的那么强烈，所以加大气隙长度以便于减少电枢反应的影响、减小电机的振动、噪声和杂散损耗，便于安装永磁体。永磁同步电动机的气隙长度可以比同功率的感应电动机稍微增加0.10.2mm11。3.1.2定转子的设计由于永磁同步电动机的气隙中会有大量的谐波，而且感应电动势的谐波也多。因此为了避免三次谐波在绕组中产生环流，电动机的定子三相绕组常采用Y型联结。定子的槽数则是取决于每极每相槽数并且定子的槽行和尺寸的选择直接影响着电机的漏抗、槽满率、定子齿部磁密、定子轭部磁密和定子结构的机械强度13。因此为满足这些要求，定子槽通常选用半闭口的梨形槽。对于本文所要设计的40KW的永磁同步电机，所取q的值为4。为了有更好的隔磁效果，永磁同步电动机通常采用平底槽.为了提供足够的永磁体放置空间，在小型内置式永磁同步电动机中，槽高度较小、转子的集肤效应没有感应电动机的明显而且凸形槽和刀形槽的形状复杂，冲模加工难度系数大，所以常采用梯形槽。转子槽的主要作用是用于启动。在电动机对牵入转矩的要求不高时，转子槽可做小一些。为了让电动机有较好的同步牵入能力，合成的T-n特性曲线也有一定的陡度。所以要尽可能的减小转子电阻并且转子槽不能开的过浅过窄。在设计电机时，要在永磁体槽与永磁体之间有一定的间隙。为了减少因电动机的定转子槽配合不当而出现附加转矩，进而增加电动机的振动和噪声，使其效率下降。因此，电机的定转子槽应满足以下几点要求12：（1） 转子槽数Q2 要为极数的整数倍来保证转子磁路对称；（2）为了避免电机在启动过程中产生较强的异步附加转矩，应使Q21.25（Q1+p）；（3）为了避免产生同步附加转矩，应使Q2Q1 ，Q2Q1p ，Q2Q12p；（4）为了避免单向振动力，应使Q2Q1p，Q2Q1p1。3.1.3永磁体的设计本文设计的永磁同步电动机，综合考虑每极永磁体总宽度和永磁体的磁化方向长度进而选择采用分散性能较小的矩形永磁体。永磁体的主要尺寸包括永磁体的轴向长度、每极永磁体总宽度和永磁体的磁化方向长度。永磁体充磁方向长度要能够在尽可能少用永磁材料的前提下，电枢磁动势产生最大去磁时不会发生不可逆去磁。在选择永磁体充磁方向长度时，要保证永磁体在稳态运行下处于最佳工作点，并且有足够的抗去磁能力13。3.1.4设计方法目前，用于永磁同步电机电磁设计的方法主要有等效磁路法和数值解法，其中数值解法中用的最多的是有限元分析法。（1）等效磁路法等效磁路法是最初研究电机性能的重要方法，将永磁同步电机实际存在的不均匀分布的磁场转化成等效的各段磁路，并认为在各段中磁通沿截面均匀分布，各段中磁场强度保持恒定，将磁场的计算转化为磁路的计算，然后用各种系数来进行校正，使各段磁路的磁位差等于磁场中对应点之间的磁位差13。（2）数值解法有限元法有限元法具有各个环节统一、通用的优点，可以很好的处理非线性问题，程序易于实现标准化，适用于计算机的计算，近年来在实践工程中得到了广泛的应用14-15。3.2永磁同步电机的电磁设计3.2.1额定参数和技术要求(1).额定功率：(2).相数： (3).额定线电压：(4).额定频率：(5).额定效率： (6).额定功率因数：(7).额定转速：(8). 失步转矩倍数：(9).启动转矩倍数：(10). 启动电流倍数： (11). 绕组形式：双层三角形联结(12).极对数： (13).额定相电压：(14).额定相电流：(15).额定转矩：(16).绝缘等级：B级3.2.2永磁同步电机的主要尺寸(17).铁心材料：DW315-50(18).转子磁路结构：径向式结构(19).气隙长度：(20).定子外径：(21).定子内径：(22).转子外径：(23).转子内径：(24).定/转子铁心长度：(25).电枢计算长度：式中，为和中最小者。(26). 定/转子槽数：(27).定子每极每相槽数：(28).极距：(29).硅钢片质量：式中，冲剪余量 ，；为和中最小者；铁的密度 ，； 铁心的叠压系数 。 3.2.3永磁同步电机的永磁体计算(30). 永磁材料：N35H烧结钕铁硼永磁(31). 计算剩磁密度：式中，时烧结钕铁硼永磁剩磁，；的可逆温度系数，；的不可逆损失率，；预计体工作温度，。(32)计算矫顽力：式中，时烧结钕铁硼永磁剩磁矫顽力，。(33). 相对回复磁导率：式中， 真空磁导率，。(34)磁化方向长度：(35). 每极永磁体宽度：(36). 永磁体轴向长度：(37). 提供每极磁通的截面积：(38). 永磁体的总质量：式中， 永磁体的密度，。3.2.4永磁同步电机的定转子冲片设计(39). 定子槽形定子槽尺寸如图3.1所示： 图3.1定子槽形尺寸(40). 转子槽形： 转子槽尺寸如图3.2所示： 图3.2转子槽形尺寸(41). 定子齿距：(42). 定子鞋斜槽距离：(43). 定子计算齿宽：式中，.(44). 定子轭计算高度：(45). 定子齿磁路计算长度： (46). 定子轭磁路计算长度：(47). 定子齿体积：(48). 定子轭体积： (49). 转子齿距：(50). 转子齿磁路计算长度： (51). 转子轭计算高度：式中，为转子槽的总高度。(52). 转子轭磁路计算长度：3.2.5永磁同步电机的绕组计算(53). 每槽导体数：(54). 并联支路数：(55). 并绕根数-线径：式中，为并绕根数；为导线裸线直径（mm）。(56). 每相绕组串联匝数：(57). 槽满率计算：槽面积：式中，槽楔厚度，。槽绝缘面积：式中，槽绝缘厚度，槽有效面积： 槽满率: 式中，导线的双边绝缘厚度， (58). 节距：y=12槽(59).绕组节距因数：式中，。(60).绕组分布因数：式中，。(61). 斜槽因数：式中，。(62).绕组因数：(63).线圈平均半匝长： 式中，绕组直径部分伸出长度，一般取13cm，这里取。(64). 线圈端部轴向投影长：(65).线圈端部平均长：(66).定子导线质量：3.2.6永磁同步电机的磁路计算(67). 极弧系数：(68). 计算极弧系数：(69).气隙磁密波形系数：(70).气隙系数：(71).气隙磁通波形系数：式中，(72). 空载漏磁系数假定值：1.18(73).永磁体空载工作点假定值：0.856(74).空载主磁通：(75).气隙磁密：(76).气隙磁位差：直轴磁路交轴磁路式中，永磁体在磁化方向上与永磁体槽间的间隙，以下列式中所用到的有关场强H的值均为根据所对应磁密B查硅钢片磁化曲线所得到(77).定子齿磁密：(78). 定子齿磁位差：(79).定子轭磁密：(80).定子轭磁位差：式中，定子轭部校正系数，查表得。(81).转子齿磁密：式中，(82).转子齿磁位差：(83).转子轭磁密：(84).转子轭磁位差：式中，定子轭部校正系数，查表得。(85).每对极总磁位差：计算漏磁系数时，每极总磁位差为：(86).空载漏磁系数计算：1) 通过转子槽的漏磁通为2) 通过隔磁磁桥的磁通为式中，隔磁磁桥1的宽度，；隔磁磁桥2的宽