（控制理论与控制工程专业论文）异步起动永磁同步电动机计算机辅助设计.pdf

摘要 摘要 异步起动永磁同步电动机是一种转子上放置鼠笼绕组、在工频下可以自行起 动的永磁同步电动机，又称为直接起动永磁同步电动机( l i n e s t a r tp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r s ，l s - p m s m ) 。经过近2 0 年的发展，尤其是因为高性能 永磁材料钕铁硼的发展和应用，l s p m s m 既具有永磁同步电动机效率高、功率密 度大、成本低、节能效果好等优点，又具备异步电动机起动方便、起动转矩倍数 高和过载能力强的优点，在某些特殊用途场合，如节能潜力大和对起动转矩倍数、 过载能力有很高要求的场合，有替代鼠笼转子异步电动机的趋势。因此，l s p m s m 的设计也备受关注。本文重点研究l s p m s m 的设计特点，开发l s p m s mc a d 系 统及l s p m s m 样机。 本论文通过对电机计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 的理论与 方法进行研究，提出了面向用户的电机c a d 概念，实现了完整的c a d 系统。论文 介绍了研究l s p m s m 的目的和意义以及国内外的发展现状，阐述了电机c a d 技术 的特点及其研究内容。在深入研究l s p m s m 的结构特点及其基本理论的基础上， 提出了适合计算机计算的l s p m s m 的设计方法，完成了l s p m s m 传统设计方法的 c a d 系统。系统采用b o r l a n d 公司推出的一种面向对象的编程语言c + + b u i l d e r6 0 开发完成，基于工程数据库管理，采用模块化结构设计。该c a d 系统集电机电磁 设计、电机设计方案与电机特性曲线输出为一体，界面友好，操作方便，能有效 地辅助电机设计人员进行l s p m s m 的电磁设计。 本文还对l s p m s mc a d 系统的软件规划和软件实现做了详细的介绍。文章最 后阐述了l s p m s m 的设计特点，对设计过程中的二个关键技术做了深入研究，即 磁路计算( 采用电磁场数值计算工具- a n s o f t 软件，对l s p m s m 内部电磁场进行分 析计算，来确定磁路法中不易准确计算的二个参数口；、仃。，提高磁路计算结果的 准确性) 与从电机设计方面防止磁钢失磁技术；详细介绍了电机的电磁设计过程， 并开发设计了二款l s - p m s m 。将电机主要性能指标( 厶、r 、c o s 妒、瓦、乙、l ) 的设计值和样机试验值进行了对比分析，良好的设计结果验证了c a d 软件的准确 性。实践表明，本文开发的c a d 系统适合于生产厂家对该系列l s p m s m 进行电磁 广东工业大学硕士学位论文 设计，具有一定的实用价值。 关键词：c + + b u i l d e r6 0 ；异步起动永磁同步电动机；计算机辅助设计；数值计算； a n s o f t a b s t r a c t a b s t r a c t a s y n c h r o n o u s s t a r tp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ra r ep e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o rw h i c hh a v es q u i r r e lc a g ew i n d i n g si nt h e i rr o t o ra n dc a ns t a r t o n - l i n e ，a n dt h e ya r ea l s ok n o w n 觞l i n e s t a r tp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r s ( l s p m s m ) t h r o u g hn e a r l y2 0y e a r sd e v e l o p m e n t ，e s p e c i a l l yw i t ht h ed e v e l o p m e n t o fh i g h - p e r f o r m a n c en d f e - bp e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l s ，l s p m s mn o to r a yh a s p m s m se x c e l l e n te f f i c i e n c y , h i g hp o w e rd e n s i t y , l o wr u nc o s ta n de f f i c i e n to f c o n s e r v i n ge n e r g ye t c ，b u ta l s oh a st h ec o n v e n i e n c eo fa s y n c h r o n o u sm o t o r ss t a r t i n g ， h i g hs t a r t i n gt o r q u em u l t i p l i e ra n ds t r o n gc a p a c i t yo fd r i v e nl o a d m o r e v e r ，i th a st h e t r e n do fa l t e r n a t i n gt h ei n d u c t i o nm o t o ri ns o m eo c c a s i o n s ，s u c h 勰e f f i c i e n to f c o n s e r v i n ge n e r g y , h i g hs t a r t 啦t o r q u em u l t i p l i e ra n ds t r o n gc a p a c i t yo fd r i v e nl o a d o c c a s i o n s t h e r e f o r e ，l s - p m s m sd e s i g nb e c o m e sa l s om o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h e p a p e rf o c u s e so nt h ed e s i g n i n gf e a t u r e so fl s - p m s ma n dt h ed e s i g n i n go fl s - - p m s m c a d s y s t e ma n dl s - p m s mp r o t o t y p e a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho f m o t o rc a d st h e o r ya n dt e c h n i q u e ，t h i sp a p e rb r i n g s f o r w a r dm o t o rc a d c o n c e p t i o nf o ru s e r sa n di m p l e m e n t sc a ds y s t e m i nt h i sp a p e r , t h ep u r p o s ea n dt h es 远n i f i c a n c eo fs t u d y i n gt h el s - p m s ma r ei n t r o d u c e d ，a sw e l la s t h ep r e s e n td e v e l o p m e n tc o n d i t i o no fd o m e s t i ca n da b r o a d t h ep a p e ra l s oh a s i n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e s e a r c ho ft h ec a dt e c h n o l o g y b a s e do nt h e s t u d y i n gl s p m s m sc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e o r y , t h ec o m p u t e rp r o g r a m m e ri sw o r k e d o u t , w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ec o m p u t e rc a l c u l a t i o n , a n dt h ec a ds y s t e mh a sb e e n d e v e l o p e d ，i nw h i c ht h eo b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gm e t h o da n dm o d u l a r i z a t i o n d e s i g nt e c h n i q u ea r eu s e d t h ec a ds y s t e mw h i c hb a s e do nw m d o w so p e r a t i o n s y s t e m i s d e v e b p e dt h r o u g h c + + b u i l d e r 6 0 l a n g u a g e ，a n dp r o j e c t d a t a b a s e - m a n a g 崦i su s e di nt h es y s t e m t h ec a ds y s t e mw h i c hi sc o m p r i s e do f e l e c t r o m a g n e t i cd e s i g n , m o t o rd e s i g np r o g r a ma n dt h ec u r v eo fm o t o r ss p e c i a l t y , s h o w sf r i e n d l yi n t e r f a c e ，c o n v e n i e n to p e r a t i o n , a n dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ef o rm o t o r m 广东工业大学硕士学位论文 d e s i g n e r st od oe l e c t r o m a g n e t i cd e s i g n t h ec a ds o f t w a r e ss c h e m ea n dr e a l i z a t i o na r ed i s c u s s e di nd e t a i l si nt h i sp a p e r i nt h ef i n a lc h a p t e ro ft h i sp a p e r , t h el s p m s m sd e s i g n i n gf e a t u r e si si n t r o d u c e d ，a n d t w ok e yt e c h n o l o g y sa b o u tm o t o rd e s i g ni ss t u d i e d ，s u c ha sm a g n e t i cc i r c u i t c a l c u l a t i o n ( t h e u s eo fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nt o o l s - a n s o f t s o f t w a r e ，t h el s - p m s m si n t e r n a le l e c t r o m a g n e t i cf i e l di sa n a l y s i s ，t od e t e r m i n et w o p a r a m e t e r s ( a f ，仃o ) w h i c ht h em a g n e t i cc i r c u i tc a nn o tb ea na c c u r a t ec a l c u l a t i o n , a n d i m p r o v et h ea c c u r a c yo fm a g n e t i cc i r c u i tc a l c u l a t i o n ) a n dt op r e v e n tt h ep e r m a n e n t m a g n e td e m a g n e t i z a t i o nf r o mm o t o rd e s i g n t h ep a p e rh a sd e s i g n e dt w os e t so f l s p m s m ，a n dh a si n t r o d u c e dt h ee l e c t r o m a g n e t i cm o t o rd e s i g np r o c e s si nd e t a i l t h i sp a p e rs h o w st h ed e s i g nv a l u e ( 厶，7 7 ，c o s 驴，瓦，乙，l ) a n de x p e r i m e n tv a l u e o ft h es a m p l el s p m s m ，a n dt h er e s u l t sh a v ep r o v e dt h a tt h i sc a ds o f t w a r ei s a c c u r a t ea n dc a nh ea p p l i e dt ol s p m s me l e c t r o m a g n e t i cd e s i g nf o rp r o d u c e r sa n di s o fc e r t a i na p p l i c a t i o nt om a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s k e y w o r d s ：c + + b u i l d e r6 o ：l i n e - s t a r tp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ； c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) ；n u m e r i c a lc o m p u t a t i o n ；a n s o f t i v 广东工业大学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 即小绰 fj 一藿哥膀 矽) 年f 月7 1 日 第一章绪论 第一章绪论 我国是一个发展中国家，人口约占世界人口的2 2 ，而能源相对匾乏，人均能 源占有量不到世界平均水平的一半。同时，我国是世界上第三大能源生产国和第 二大能源消耗国，目前已经是石油净进口国。随着我国经济的发展，未来我国几 年对原油的需求量将急剧增加，仅依靠目前的能源生产和利用状况，远远满足不 了未来市场的要求，而大量进口石油不符合我国的长期发展战略，会使我国经济 增长面临着巨大的风险。 目前，三相异步电动机是生产机械最主要的原动机，其用电量占全国总用电 量2 0 以上。这些电动机拖动9 0 以上以电为能源的运动机械。在资源不足的情况 下，我国还存在能源利用率较低和无节制的资源浪费现象。我国目前能源效率比 国际先进水平低1 0 个百分点，能源密集产品单位耗能平均比国际先进水平高4 5 ， 由此引起的环境污染和资源枯竭问题己日趋严重。节能就是在这种背景下越来越 受到我国政府和社会各界的重视。根据国家经贸委的初步测算，我国企业能源和 原材料消耗占企业成本的7 0 左右，主要产品的单位耗能比国外先进水平高 3 0 9 0 。若降低一个百分点，就可带来节约成本1 0 0 亿元的惊人效益。我国如何 面对这一挑战? 方面需要提高我国石油生产量，另一方面需要提高能源的利用效 率。从“可持续战略 的角度来讲，后者更为重要。要提高使用效率，重要的一 点是大力发展我国的高科技节能技术和产业n 1 ；由此，高效节能电机“稀土永磁同 步电动机就是在这种背景下得到越来越多的发展和应用。 稀土永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高 等特点，近年来发展迅猛。与电磁式同步电动机和三相异步电动机相比，稀土永 磁同步电动机具有其自身的优点堙1 。 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 是指应用计算机系统，协助工 程技术人员完成产品设计过程中各阶段的工作。c a d 技术思想起源于五十年代末， 是美国麻省理工学院s u t h e rl a n d 博士当时的研究工作。五十年来，c a d 技术 已发展成为以“计算机技术 和“计算机图形学”为技术基础，并融合各工程学 科知识( 即各应用领域中的设计理论与方法) 的一种高新技术1 。电机c a d 技术是指 广东工业大学硕士学位论文 电机设计人员通过“人机界面”与计算机进行“人机对话 式电机设计，充分利 用计算机快速准确的运算能力，结合电机设计人员的设计经验和综合分析能力， 进行电机的设计与制造，以此来缩短电机的设计周期，提高开发效率，增加电机 设计精度。 1 1 异步起动永磁同步电动机 1 1 1 永磁材料的发展 永磁材料近年来的发展很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。铝 镍钴是2 0 世纪3 0 年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高、温度系数 低等优点，但其矫顽力低、抗退磁能力差，而且贵重的金属钴，成本高，这些不 足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体是2 0 世纪5 0 年代初开发的永磁材料，属 于非金属永磁材料，其突出优点是价格低廉、矫顽力较大、质量轻，其不足是剩 磁感应强度和磁能积都较低哺1 。稀土永磁体包括稀土钴永磁、钕铁硼永磁。钴稀土 永磁材料在6 0 年代中期问世，它具有与铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比 铁氧体高，但该材料价格较高。钕铁硼永磁材料是1 9 8 3 年问世的高性能永磁材料， 它的磁性能高于稀土钴永磁，是目前磁性能最高的永磁材料。它具有高的剩磁感 应强度、高的矫顽力、高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它的不足 是温度系数高、居里温度低，容易氧化生锈，而且需要进行涂层处理。经过近几 年对这类材料本身性能的不断改进，钕铁硼永磁材料在工业和民用的永磁电机中 迅速得到推广应用n 1 。 永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。稀土永磁同步电 动机体积小、重量轻、功率因数高、效率高、节能效果明显，因此成为现今工业 用电机( 特别是用电大户如纺织、煤矿、石油、机床、汽车等行业) 的理想选择。 当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构心1 。 1 1 2 异步起动永磁同步电动机的现状及发展 在国外，美国g e 公司早在五十年代就研制了一批数百瓦永磁同步电动机，德 2 国西门子公司自五十年代开始经过十年多，研究出各种不同用途、性能良好的永 磁同步电动机，七十年代后期就生产出了3 0 千瓦的电机。日本明电舍公司在六十 年代后期就己有永磁同步电动机的系列产品供应。日立公司在七十年代就研制出 了高速的永磁同步电动机。近年来，我国在稀土永磁同步电动机的开发和应用上 也取得了重大成就，先后开发了应用于纺织行业中织布机、细纱机以及化纤机械、 风机泵类等多种规格和型号的稀土永磁同步电动机，取得了较好的经济效益。8 0 0 w 纺织专用稀土永磁同步电动机是国内第一台研制成功的稀土永磁同步电动机，效 率高达9 1 ，功率因数高于0 9 5 ，节能率高达1 0 以上，已经进行生产并取得了很 好的经济效益。目前，我国已研制成最大容量为ll o k w 和2 5 0 k w 的稀土永磁同步电 动机船1 。 虽然关于稀土永磁同步电动机的研究国内外已经进行了很多工作，但迄今为 止，稀土永磁同步电动机在我国并没有得到全方位的推广，其原因是多方面的， 一：稀土永磁同步电动机成本还很高，但是随着稀土永磁材料的发展，稀土永磁 同步电动机的成本呈下降趋势；二：针对此类电机的设计理论工作还有待进一步 完善。这里主要体现在以下几块内容：稀土永磁同步电动机设计中稀土永磁体的 最佳用量问题、准确分析和计算稀土永磁同步电动机的铁耗问题( 比异步电动机复 杂) 、稀土永磁同步电动机的稳态性能和起动过程研究等3 。 1 2 异步起动永磁同步电动机c a d 技术研究 1 2 1 电机c a d 技术的现状与发展 c a d 技术起步于本世纪五十年代后期。在c a d 技术发展初期，c a d 的含义仅 仅是图版的替代品，即意指c o m p u t e ra i d e dd r a w i n g ( o rd r a f t i n g ) 而非现在我们经常 讨论的c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 所包含的全部内容。人们希望借助此项技术来 摆脱繁琐、费时、绘制精度低的传统手工绘图。直至二十世纪七十年代中期，c a d 技术才开始得到长足的发展。而电机c a d 技术是电机设计技术、c a d 技术、计算 机技术三者的结合。因此，它的发展也包含三方面的内容： 1 电机设计本身的发展 电机设计本身的发展包括c a d 技术应用范围的扩大以及各种新算法、新模型 3 广东工业大学硕士学位论文 的发现。电机c a d 技术最早在异步电机和变压器设计中应用，后来才扩大到同步 电机和一些微特电机。计算程序也由单一的电磁计算扩大到稳态计算、电磁场分 析计算及谐波分析计算等。传统的设计方法多半以经验公式为依据，c a d 设计结 果的可靠性、准确性都不是很高，随着一些新模型、新算法的出现，使得电机c a d 的设计结果更为精确。设计方法也由分析校核设计，发展到自动的综合设计( 包括 开槽、选线规、循环设计) 以及优化设计呻1 。 2 c a d 技术的发展 作为c a d 技术应用的一个特例，电机c a d 技术同样经历了由众多单功能c a d 系统，例如磁路计算系统、电路计算系统等，到基于文件管理的多功能c a d 系统， 再到基于工程数据库的集成c a d 系统这一过程。同时，它的发展方向也与其它c a d 系统一样，最终走向系统化、可视化、智能化、网络化和标准化。目前炙手可热 的电机设计专家系统、模糊设计以及神经网络算法在电机c a d 中的应用正说明电 机c a d 开始向智能化进军。电机c a d 技术的发展也还包括计算机领域中一些新思 想、新概念、新技术在电机c a d 系统中的应用阳1 。 3 计算机技术的发展 计算机技术的发展为电机c a d 的发展提供了有利的条件。近年来，计算机图 形处理技术不断完善，各种数据库系统不断开发，网络技术不断深入，软件开发 手段和技术不断提高，软件开发工具不断推出，这些都使电机c a d 走向实用化、 全面化。 1 2 2 电机c a d 的特点与研究内容 电机c a d 系统涉及电机设计、软件工程、计算机科学、计算方法等多学科领 域知识。电机c a d 有别于c a d 的主流形式，是一种以计算为主的类型，这是因为 描述电机机电能量转化有确定的数学模型。但是，电机设计是一个性能要求高、 数学模型复杂的多参量系统，因而电机c a d 具有如下的一些特点n ： 1 c a d 系统应交互性好、通用性强，能充分体现设计人员的设计意识。 2 利用计算机的快速运算速度和高计算精度，来反复求解电机的多参量、非 线性、隐式不等式方程组，并多方分析、修改，提高电机参数分析计算的精度， 辅助设计人员快捷、准确地找出最佳方案。 4 第一章绪论 3 电机c a d 需要频繁地使用各种经验参数、曲线、图表等标准，于是需要将 这些成熟的经验数据集合起来，为设计人员提供有效、方便的专家型帮助，这是 一个理想的电机c a d 系统所应具有的功能。 电机c a d 技术与传统的手工设计手段相比，电机c a d 系统一般应具有科学计 算、图形处理和数据库操作三大基本功能】。电机c a d 系统的概念模型如图卜1 所 示。 ij上 l 辅助计算( 电磁设计、图形辅助( 特性曲数据库操作( 对各类数 i 循环设计、优化设计)线、结构设计) 据库表进行操作) 图1 1 电机c a d 软件概念模型 f i g 1 1m o t o r sc a ds o f t w a r ec o r r e l a t i v ec o n c e p t i o n 1 辅助计算c a d 的辅助计算是建立在计算机强大的计算能力和储存能力基 础上，可以完成设计中提出的各项计算问题。包括建立电机设计的数学模型、电 磁设计与性能分析、优化设计等。 2 图形辅助图形辅助包括电机机械结构图以及特性曲线显示。机械结构图： 根据设计计算出的结构参数按实际比例绘图，如电枢冲片图、磁路结构图等；特 性曲线显示：根据计算得出的物理量和它们之间的函数关系，绘制各种图形曲线， 如起动特性曲线、工作特性曲线、矩角特性曲线等。 3 数据库操作作为基本的功能要求，系统中建立了异步起动永磁同步电动 机各类图表及参数的数据库，并建立了一个用户修改数据库的数据库管理工具， 即数据库操作模块。它包含电机设计所需参数及图表的数据，是系统的中枢模块， 负责数据的管理和维护，其它各模块通过该模块获得数据n 引。 1 2 3 异步起动永磁同步电动机c a d 系统研究的意义 随着我国经济的发展，电机制造业产品的科技含量也在不断提升。近年来， 机电产品成为我国出口增长最快的产业之一，同时也愈来愈暴露出企业新产品开 发能力薄弱和开发手段落后的严重问题。电机设计是电机产品形成过程中的创造 5 广东工业大学硕士学位论文 性阶段，它对于产品开发、降低产品成本、缩短产品上市时间起着关键的作用。 进入信息时代后，产品的增值活动由制造转到设计开发阶段，产品设计在电机制 造过程中的地位越来越重要。 异步起动永磁同步电动机磁路结构灵活多样，其设计算法相对复杂，精确求 解磁路工作点难度大，目前针对此类电机的设计算法尚不成熟。研究异步起动永 磁同步电动机c a d 系统，一方面就是要研究异步起动永磁同步电动机的设计方法， 另一方面就是要研究适合计算机的异步起动永磁同步电动机的设计算法，开发方 便实用的电机计算机辅助设计系统n 引。 目前国内外尚没有针对此类电机的专用软件。电机行业的一些通用软件，价 格昂贵，却很难满足该类电动机的设计需求。在这样的背景下研究异步起动永磁 同步电动机c a d 系统势在必行。 1 3 异步起动永磁同步电动机研究中存在的主要问题 尽管异步起动永磁同步电动机以其良好的性能而得到广泛的应用，但是从现 有的文献和产品以及在科研实践中发现，在异步起动永磁同步电动机的研究领域 中还存在很多值得深入研究的问题。主要包括n 3 1 ： 1 电机中除了电励磁部分产生的饱和等现象之外，永磁励磁部分也同样会产 生，显然电机气隙合成磁势是各分量的叠加，传统的饱和分析方法遇到了挑战。 2 从电机设计方面防止电机磁钢退磁事件的发生。 3 由于永磁电机转子磁路结构的多样性，难以用一种统一的模式来对它进行 设计，准确的磁路计算问题变得复杂，如何进行永磁电机设计方法的研究，也将 是相当长一段时间内要研究的工作。 1 4 课题来源 论文基础理论研究来源于粤港关键领域重点突破项目招标项目( 东莞专项) “高效节能异步起动永磁同步电动机( 2 0 0 7 16 8 4 0 4 ) ，作者负责电机c a d 软件 的编写及进行方案设计。 6 第一章绪论 1 5 本论文研究的主要内容 本课题的主要目标是掌握异步起动永磁同步电动机的基本原理和构造及其设 计方法，采用面向对象软件技术，开发基于w i n d o w s 的异步起动永磁同步电动机 c a d 系统并进行方案设计；主要完成的工作如下。 一、设计理论的关键技术研究： 1 准确的磁路计算； 2 从电机设计方面防止电机磁钢失磁事件的发生。 二、具体工作实现： 1 熟悉异步起动永磁同步电动机的基本原理和构造及其设计方法； 2 掌握面象对象的编程语言c + + b u i l d e r6 0 ，并能利用它设计简单的用户界面 和进行数据库操作； 3 c a d 软件的实现。主要是电机电磁设计程序部分n 1 ，其中包括： ( 1 ) 额定数据与技术指标； ( 2 ) 主要尺寸； ( 3 ) 永磁体计算； ( 4 ) 定转子冲片； ( 5 ) 绕组计算； ( 6 ) 磁路计算： ( 7 ) 参数计算： ( 8 ) 交轴磁化曲线x 叼一计算； ( 9 ) 工作特性计算； ( 1 0 ) 起动性能计算； ( 1 1 ) 绘制特性曲线图； ( 1 2 ) 制定计算单报表输出。 4 进行方案设计，并完成样机试验。 7 广东t 业大学硕士学位论文 第二章异步起动永磁同步电动机的结构特点 和基本理论 异步起动永磁同步电动机是具有自起动能力的永磁同步电动机，兼有感应电 动机和电励磁同步电动机的特点。它依靠定子旋转磁场与笼型转子相互作用产生 的异步转矩实现起动。正常运行时，转子运行在同步转速，笼型转子不再起作用， 其工作原理与电励磁同步电动机基本相同，不同之处在于永磁同步电动机由永磁 体提供机电能量转换所需要的磁场，取消了电励磁同步电动机中的集电环、电刷 以及励磁电源，结构简单紧凑、能量密度显著提高。随着永磁材料性能的不断提 高和对节能的迫切要求，异步起动永磁同步电动机在纺织、油田等行业得到了较 大范围的应用心，。 转子新磁路结构的不断涌现，在异步起动永磁同步电动机理论分析、设计和 运行控制中出现了许多有待进一步深入研究的新课题。本章首先对异步起动永磁 同步电动机各种结构形式的转子进行介绍和比较，并对异步起动永磁同步电动机 的稳态性能进行分析，为后面几章的设计工作做好准备。 2 1 异步起动永磁同步电动机的结构与特点 2 1 1 异步起动永磁同步电动机的结构 与其它旋转电机一样，异步起动永磁同步电动机由定子和转子组成，定转子 之间存在气隙。定子与普通感应电动机基本相同，基于篇幅，文章中不再介绍。 异步起动永磁同步电动机的结构，通常是指其转子磁路结构，下面对其转子磁路 结构进行详细分析与讨论。 异步起动永磁同步电动机的永磁体放置在转子上，其放置方式影响到气隙磁 通、漏磁乃至电机的性能，是该类电机设计中的核心问题。 根据永磁体放置的位置不同，分为表面式和内置式两种转子磁极结构。其中 8 第二章异步起动永磁同步电动机的结构特点和基本理论 表面式磁极结构的导条在转子内部，产生的异步转矩较小，仅适合于对起动要求 不高的场合，故在实际应用中较小。下面重点介绍内置式转子结构。 根据永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子结构可分为径 向式、切向式、混合式三种，分别如图2 1 所示。 ( a ) 径向式( b ) 切向式( c ) 混合式 图2 1 转子结构图 f i g 2 - 1r o t o r ss t r u c t u r ed i a g r a m 1 径向式结构：径向式磁路结构如图2 1 ( a ) 所示，两个磁极的永磁体串联，每 极磁通由一个磁极的永磁体面积提供，磁动势由一对磁极的永磁体提供。其优点 是：转子轴不需要采用非导磁轴、漏磁系数小、极弧系数易于控制、转子机械强 度高、安装永磁体后转子不易变形等，因而近年来应用较为广泛1 。 2 切向式结构：在切向式磁路结构中，相邻两磁极的永磁体并联提供每极磁 通，如图2 1 ( b ) 所示。这类结构的漏磁系数较大，并且需采用相应的隔磁措施，电 动机的制造工艺和制造成本较径向式结构有所增加。其优点是：一个极距下的磁 通由相邻两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通，尤其当电动机极数较多、 径向式结构不能提供足够的每极磁通时，这种结构的优势便显得更为突出。 3 混合式结构：混合式磁路结构是从径向式磁路结构演化而成的，如图2 1 ( c ) 所示。它集中了径向式与切向式转子结构的优点，但其结构和制造工艺均较复杂， 制造成本也比较高。随着永磁材料性能的不断提高，该结构在稀土永磁同步电动 机中逐渐失去了优势。 2 1 2 异步起动永磁同步电动机的特点 与感应电动机相比，异步起动永磁同步电动机具有以下特点乜1 。 9 ( 1 ) 转速恒定，为同步速。 ( 2 ) 功率因数高。通过合理设计，可以使其工作在滞后功率因数、单位功率 因数，甚至超前功率因数。 ( 3 ) 性能受气隙长度影响较感应电动机小，因而气隙一般较同容量的感应电 机大。 ( 4 ) 体积小，重量轻。采用合适的磁极结构，可以提高气隙磁密、减小电机 体积，通常比同规格的感应电动机小一个机座号。 ( 5 ) 效率高。正常运行时转子无绕组损耗，高功率因数使定子电流较小，定子 绕组损耗较小，因而永磁同步电动机的效率比感应电动机高，这在小功率电机中 体现得尤为明显。 ( 6 ) 具有宽的经济运行范围。感应电动机的经济运行范围一般为额定负载的 6 0 - 1 0 0 。永磁同步电动机的经济运行范围远比感应电动机宽，不仅额定负载时 效率较高，而且在2 5 - 1 2 0 额定负载的范围内都有较高的效率，而感应电动机的 效率则在3 5 额定负载附近迅速下降。 ( 7 ) 成本高。目前小型永磁同步电动机通常采用高性能永磁材料钕铁硼，制 造成本较高。 ( 8 ) 可靠性较低。钕铁硼永磁材料在高温环境下易退磁，使电机工作可靠性 变差。随着耐高温钕铁硼材料的出现，这种状况已有很大改善。 ( 9 ) 加工工艺复杂，机械强度差。永磁体放置在转子铁心内部，工艺复杂， 且需要隔磁，导致转子机械强度较感应电机差。 ( 1 0 ) 电机性能受温度、供电电压等因素影响较大。 2 2 异步起动永磁同步电动机分析的基本理论 2 2 1 稳态运行和相量图 异步起动永磁同步电动机的励磁恒定，其运行状态是设计的前提和基础，为 了达到高力能指标( 7 7 * c o s q ) 和低成本两个因素，异步起动永磁同步电动机的运 行状态通常设计在感性去磁状态。水磁同步电动机与电励磁同步电动机有着相似 的内部电磁关系，故也可采用双反应理论来研究其运行特性。需要指出的是，由 l o 第二章异步起动永磁同步电动机的结构特点和基本理论 于永磁同步电动机转子直轴磁路中永磁体的磁阻很大，使得电动机直轴电枢反应 电感k 一般小于交轴电枢反应电感k n 1 。 在永磁同步电动机中，定子绕组满足的电压平衡方程式为： e o e , a e 叼= u 一，( 1 + i x , ) ( 2 1 ) 故： u = i 瓴+ j x o + e o + jl dx 口d + j l qx 叼= i 气+ e q + jldx d + j l qx q ( 2 2 、) 式中e o ：永磁气隙基波磁场所产生的每相空载反电动势有效值( v ) ； u ：外施相电压有效值( v ) ； ：定子绕组相电阻( q ) ； 也、l ：直、交轴电枢反应电抗( q ) ； 五：定子漏抗( q ) ； 虬：直轴同步电抗， x a = x 耐+ x i ( 2 3 ) x 。：交轴同步电抗， x q = + 彳l ( 2 4 ) ，d 、，口：直、交轴电枢电流( a ) ， i a = 1 ，1s i n q t | ( 2 5 ) i g = j 1e o s wj i f ，：1 1 与e o 间的夹角，称为内功率因数角，t 超前e o 时l f ，为正。 由电压方程和电动机的运行状态可以画出永磁同步电动机稳定运行时的相量 图( 只画出感性去磁状态时) ，如图2 2 所示。图中，乓为气隙合成基波磁场所产 生的电动势，称为气隙合成电动势；e a 为气隙合成基波磁场直轴分量所产生的电 动势，称为直轴内电动势( v ) ；0 为u 超前e o 的角度，即功率角，也称转矩角；妒 为电压u 超前定子相电流，t 的角度，即功率因数角。 广东工业大学硕士学位论文 图2 2 永磁同步电动机稳态运行相量图 f i g 2 - 2s t e a d y - s t a t eo p e r a t i o np h a s o rd i a g r a mo fp m s m 2 2 2 稳态运行性能分析计算 异步起动永磁同步电动机的稳态运行性能包括效率、功率因数、输入功率和 电枢电流等与输出功率之间的关系以及失步转矩倍数等。电动机的这些稳态性能 均可以从其基本电磁关系或从相量图推导而得n 副。 1 电磁转矩和输入功率 从图2 2 可得出如下关系： 、l ，2 a r c t a n i d l 妒= 0 - i g u s i n o = i q xq + id h u c o s 0 = e o id xd + i q r 、 ( 2 6 ) z三一rlusin0+xq(eo-ucos0)xdusin0+rt(eo-ucos0) 他7 ， b 2 丁瓦i i， ，：i 一 ，1 2 + 髟x gi 1 2 定子相电流： ( 2 8 ) 而电动机的输入功率( 聊： 毋= m u l lc o s t p = m u l ic o s ( 0 一l f ，) = m u ( 1 ds i n o + c o s 0 ) m u e o ( x gs i n o 一1c o s 0 ) + 1 u + 0 5 u ( x d x g ) s i n 2 0 】 ( 2 9 ) t j 七xd xq 忽略定子电阻，由式可得电动机的电磁功率( w ) ： 匕哗警s 证9 + 半砖一专血2 p 泣 除以电动机的机械角速度q ，即可得到电动机的电磁转矩( n 幸i n ) ： 乙寺= 警s m 警圣一专血2 9 式中。w ：电动机的电角速度o p ：电动机的极对数。 2 损耗分析计算 ( 1 ) 电枢绕组铜耗 永磁同步电动机的定子绕组电阻损耗可按常规公式计算： p c i i 。i = m 1 2 吒 ( 2 1 2 ) ( 2 ) 电枢铁耗 永磁同步电动机铁耗的准确计算非常困难。工程上常采用与感应电动机计算 类似的公式( p 忍= k l p n 以l + 七2 p ：v j l ) ，然后根据实验值进行修正。 ( 3 ) 杂散损耗 杂散损耗是由于高次谐波和开槽引起的高次谐波在铁心中产生的损耗，其计 算非常困难且难以得到准确的结果。在工程实际中，通常用以下经验公式计算 p ，= 争) 2 p s l v * r ( 2 1 3 ) n 式中，i ，为额定电流，鼬为额定功率时的杂散损耗与额定功率的比值，通 常按经验选取。 ( 4 ) 机械损耗 电机中的机械损耗p 所包括轴承摩擦损耗和空气风摩损耗，计算机械损耗的经 1 3 广东工业大学硕十学位论文 验公式很多，对于小型永磁同步电动机，通常参考感应电动机中机械损耗的计算 方法。 3 工作特性计算 计算出电动机的毛、虬、x 。和厂l 等参数后，给定一系列不同的转矩角0 ，便 可求出相应的输入功率、定子相电流和功率因数等，然后求出电动机此时的损耗， 便可得到电动机的输出功率最和效率7 7 ，从而得到电动机稳态运行性能( 鼻、7 7 、 c o s ( p 和j 。等) 与输出功率b 之间的关系曲线，即电动机的工作特性曲线。图2 - 3 所 示为f x t 4 8 0 2 样机的工作特性曲线n 刚。 c o s = 1 1 | 1 貔甜f p i 卜p 翻堍 争 o j p 劬露 图2 3 电机工作特性曲线图 f i g 2 3o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sc u l v ed i a g r a mo fm o t o r s 2 3 本章小结 本章首先介绍了异步起动永磁同步电动机的结构特点，讨论了内置式转子磁 路结构，着重介绍了内置式转子磁路结构中的径向式、切向式和混合式结构，并 对这三种结构进行了分析和比较。对于混合式结构，它虽然集中了径向式与切向 式转子结构的优点，但其结构和制造工艺均较复杂，导致制造成本偏高与生产效 率降低，故随着永磁材料性能的不断提高，该结构在稀土永磁同步电动机中逐渐 失去了优势。本文设计分析的样机由于极数较小( 2 p ，4 p ) ，所以均采用内置径向式 转子结构。 1 4 本章还简要介绍了永磁同步电动机稳态运行时的相量图，根据相量图，介绍 了永磁同步电机分析的基本理论，为后面几章全面展开设计分析工作奠定基础。 1 5 广东t 业大学硕士学位论文 第三章异步起动永磁同步电动机c a d 系统的总体设计 就科学计算而言，目前具有较强计算功能的高级语言主要有f o r t r a n 、 c c + + 、v b 等。其中c c + + 语言使用灵活、运算符丰富、兼有高低级语言的特点等 优点，现已作为理想的编程语言已被广泛应用于软件的编制，它也将是今后程序 设计的主要语言。 c + + b u i l d e r6 0 是b o r l a n d 公司推出的开发w i n d o w s 应用程序的可视化开发工 具，是新一代程序设计语言