毕业设计（论文）-8kW永磁同步电动机结构与设计的研究.doc

毕 业 论 文题 目： 8kW永磁同步电动机结构与设计的研究 院： 电 气 信 息 学 院 专业： 电气工程及其自化 班级 电气0708 学号 38 学生姓名： 王 文 华 导师姓名： 彭 晓 完成日期： 2011年6月10日 毕 业 设 计题 目： 8kW永磁同步电动机结构与设计的研究 院： 电 气 信 息 学 院 专业：电气工程及其自化 班级：电气0708 学号： 38 学生姓名： 王 文 华 导师姓名： 彭 晓 完成日期： 2011.06.10 诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计任务书 设计（论文）题目： 8kW永磁同步电动机结构与设计的研究 姓名 王 文 华 系别 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级 0708 学号 38 指导老师 彭 晓 教研室主任 谢卫才 一、基本任务及要求： 三相交流永磁同步电动机在工业领域有广泛的用途。通过毕业设计要求学生熟悉及掌握该技术领域的相关知识，为学生今后的工作打下良好的基础。设计的主要内容如下：1. 分析各类永磁同步电动机特点及基本原理；2. 熟悉永磁同步电动机设计、系统分析；3. 基本掌握永磁同步电动机工作原理、结构及应用；4. 完成8kW异步起动永磁同步电动机的电磁设计及其方案分析。二、进度安排及完成时间：13月5日至3月17日：查阅资料；撰写文献综述和开题报告；确定总体方案。 23月 18日 至 3月 22 日：毕业实习、撰写实习报告。 33月 23日 至 5 月 22日：毕业设计。 (1).3月23日-4月 9 日 完成分析永磁同步电动机设计基本原理分析。 (2).4月10日-4月22日 完成变永磁同步电动机设计的实现、系统分析 。 (3).4月23日-5月12日 完成变频调速同步电动机的电磁设计。 (4).5月13日-5月22日 完成变频调速同步电动机电磁设计妨按分析。 45 月 23 日至 6 月 4 日：撰写毕业设计论文。 56 月 4 日至 6 月 6 日：指导老师评阅、电子文档上传FTP。 66 月 7 日至 6 月 10 日：毕业设计答辩。 76 月 11 日至 6 月 12 日：毕业设计成绩评定。 86 月 13 日至 6 月21 日：毕业设计资料归档。 目 录摘要Abstract第1章 绪 论11.1.1 永磁电机在国内的发展情况11.1.2 永磁同步电机在国外的发展概况21.2永磁同步电机的主要特征和应用2第2章 永磁材料的性能和选用32.1永磁材料磁性能的主要参数42.1.1退磁曲线42.2铝镍钴永磁材料82.6永磁材料的选择和应用注意事项122.6.1 永磁材料的选择122.6.2 永磁材料的应用注意事项12第3章 永磁同步电动机的基本理论133.1 永磁同步电动机的结构143.1.1 永磁同步电机转子磁路结构143.2 永磁同步电动机的稳态性能173.2.1 稳态运行时相量图173.3 永磁同步电动机参数分析223.3.1 磁路计算特点223.3.2 磁路计算中的主要参数223. 4异步启起动永磁同步电动机的起动过程243.4.1起动过程中的平均转矩243.4.2起动过程中的定子电流263.4.3 牵入同步机理26第4章274.1 额定数据和技术要求284.2 主要尺寸284.3 永磁体计算294.5 绕组计算314.6 磁路计算334.7 参数计算364.10 起动性能计算43第5章 8kW永磁同步电动机电磁方案分析465.1永磁材料的选择475.2 定子设计475.2.1 主要尺寸分析及气隙长度的选择475.2.2 定、转子槽数配合的选择475.2.3电枢绕组设计485.3 转子设计485.4 磁路计算方案分析50全 文 总 结50参 考 文 献51致 谢52附1 图A永磁同步电动机的总体结构图54附2 图B永磁同步电动机定转子冲片图54湖南工程学院（论文）永磁同步电动机结构与设计的研究摘 要：磁场是实现机电能量转换的必不可少的媒体，采用永久磁铁产生磁场的同步电动机简称永磁电动机或PM电动机。由于磁场是由永久磁铁产生,故不需要滑环和励磁装置。永磁同步电动机作为一种新型电动机，与电励磁电机相比，它具有结构简单，无励磁线圈、滑环、换向器、电刷等，具有功率因数高、效率高、转子转动惯量小、运行可靠等优点。本文简要介绍了永磁同步电机的基本特点、工作原理、结构及应用，并以稀土永磁同步电机为研究对象，具体对一台异步起动的稀土永磁高效同步电机进行电磁设计及其方案分析，该课题整个设计过程主要包括：电机动稳态特性分析与计算、磁路分析与计算、对三相异步起动永磁同步电机的电磁结构进行了相关设计，其中这一过程又包括：定子转子结构设计、气隙磁场的分布、永磁体尺寸设计与分析、磁极结构设计与分析等。由于交流永磁同步电动机具有体积小、重量轻、高效节能等一系列优点，而且随着新永磁材料的发现与应用，特别是高性能稀土永磁材料的问世，以及电力电子技术和计算机技术的迅猛发展和不断完善，其控制技术日趋成熟，甚至控制器已产品化，可以预见，在调速驱动的场合，永磁同步电动机的应用前景非常乐观。关键词： 稀土永磁材料 永磁同步电机 异步起动 电磁设计 Permanent Magnet Synchronous- Motor s structure and designAbstract：Magnetic field is the indispensable media for electromechanical energy conversion, synchronous motor which using permanent magnet to produce magnetic is short for Permanent Magnet synchronous motor or PM motor. Because of the magnetic field is produced by permanent magnet, it doesnt need sliping and magnetic excitation device. As a new kind of motor, in comparison with electricity excitation motor, it with the advantage of simple structure, no excitation coil、no sliping、no commutator,、no brush、high power factor、high efficiency、low inertia of rotor、reliable running ,etc. This paper introduced Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM)s basic characteristics、working principle、structure and application briefly，and take rare earth Permanent Magnet Synchronous Motor as the research object. Specifically，this article is carried on around electromagnetic design and scheme analysis of a Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motor(LSPMSM) . The whole design process mainly include: motors steady-state analysis and calculation；magnetic circuit analysis and calculation；electromagnetic structure design for three-phase LSPMSM which including stator rotor structure design；air-gap magnetic field distribution；analysis and design of permanent magnet size； structure design and analysis of magnet pole,etc. Since ACPMSM have a series of advantages like the as small volume、 light weight,、high efficiency and energy saving and so on. With the new permanent magnetism materials discovery and application, especially the advent of high-performance rare earth permanent magnet, In additon, the rapid development and continuous improvement of power electronic and computer technology have made its control technology mature gradually and even controller has productization.We can foresee that on occasion of stepless drive,the PMSMs application prospect will be very optimistic.Keyworlds: rare earth permanent magnet material Permanent Magnet Synchronous Mator(PMSM) Line-Start electromagnetic designII8kW永磁同步电动机结构与设计的研究第1章 绪 论永磁电动机由于采用永磁体励磁，永磁同步发电机不需要励磁绕组和直流励磁电源，也就取消了容易出问题的集电环和电刷装置，成为无刷电机。因此，结构简单，运行更为可靠。在提高效率方面具有很大的空间和优势。稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。因而应用极为广泛，几乎遍及航空航天/国防/工农业生产和日常生活的各个领域。1.1 永磁同步电机的发展概况国内外对开发高效电动机都很重视。各国学者和研究人员都纷纷致力于高磁场永磁材料，永磁式电动机及其驱动系统的理论和应用研究，取得了卓有成效的研究和开发成果。1.1.1 永磁电机在国内的发展情况自20世纪80年代开始，我国学者和研究人员都纷纷致力于高磁场永磁材料，永磁式电动机及其驱动系统的理论和应用研究，并取得了卓有成效的研究和开发成果。国内在高效永磁电机的研究开发方面做了大量的工作，先后有沈阳工业大学、西北工业大学、华中理工大学、清华大学、上海电器科学研究所等相继进行高效永磁电机研制开发，取得许多成果。特别是0.8KW纺织专用永磁同步电动机，效率高达91%，功率因数高于0.95，节电率高达10%以上，批量生产后获得用户好评。我国已开发的容量较大的有上海电机厂开发的110KW和北京重型电机厂开发的250KW高效钕铁硼永磁同步电动机。首钢机电有限公司电机厂与沈阳工业大学工程院院士唐任远教授合作，历时年共同研制开发了TYX300-4300KW稀土永磁电机,此项目是国家高技术研究发展(863)计划重大项目“钕铁硼电机应用产品开发”(863-Z37-03)增补项目。该电机经北京重型电机厂试验，启动性能、电机效率、功率因数、过载倍数等各项指标都达到预期的良好效果。通过在首钢动力厂二供水车间9泵站方坯二冷系统2#机(47D)号泵位运行，各项主要指标(效率、功率因数、起动、过载)远超过被替代的原JS138-4300KW异步电机，节电效果显著。目前，该电机是国内运行的最大高压永磁电机，而且各项技术指标都超过以往，尤其在中大型永磁电机里的节电率方面体现了较高的水平。目前，在我国包括微型特种电机，中小型电动机和大型发电机在内的各类电机都可以采用永磁同步电机。例如，它可适用于汽车、仪表、钟表、计算机外围设备、航空设备、音像设备等。特别“八五”期间，我国不少专业研究单位和工矿企业在调整产品结构，提高产品质量，加速技术开发和全面实现产品国产化的主导思想基础上，大力开展了永磁同步电动机及其驱动系统的实用性的应用研究，取得了相应的开发性成果。随着国民经济和科学技术的发展，特别是高新技术的迅速发展，对电机产品的性能和品种提出了许多的新的要求。从而也为电机产品获得了更大的发展空间。我国许多高校和科研单位自上世纪80年代开始就纷纷开始进行高效率同步电动机的研制，取得了明显的节能效果，0. 8kW 纺织专用永磁同步电动机，效率高达91%。我国已批量生产数控机床用的稀土永磁直流无刷电动机，调速比高达l: 100000。在我国，1990年生产的各类永磁式微型特种电机近7000万台，约占我国微特电机总产量的70%.1.1.2 永磁同步电机在国外的发展概况国外研制开发高效永磁电动机已有二十多年的历史。1987年，法国CEM公司推出ISOSYN系列0.5518.5KW稀土钴永磁同步电动机，效率比一般异步电动机高2%8%,功率因数提高0.050.15，堵转转矩为1.62.2倍。英国、前苏联、美国等也相继推出类似系列产品，但功率普遍不大，最大不超过50KW。变频调速的永磁同步电动机由于靠变频器逐步提高电源频率起动，转子上无需安置起动笼，允许有较大的空间放置永磁体，可以制成较大功率的永磁电动机，目前已公布的世界上容量最大的变频调速永磁电机是德国制造的1095KW船用电机。根据资料显示，1990年日本的永磁式微型特种电机产量高达20亿台，1993年达到25亿台，接近 的年增长率。美国Electronic AST公司预测，美国永磁直流小功率电动机市场平均年增长率可达 。1.2永磁同步电机的主要特征和应用 永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航天、国防、工农为生产和日常生活的各个领域。1.3永磁电机的研究方向和发展前景永磁同步电机与电励磁的同步电机相比,利用永磁体建立磁场,省去了励磁绕组,从而就省去了电刷装置和产生磁场所需要的励磁功率,具有结构简单、损耗少、效率高等优点,在工业的各个领域中得到了广泛的应用。但由于永磁电机气隙磁密是由磁钢和磁路磁导决定的,在运行中每极磁通几乎保持常数;对永磁发电机来说,转速的变化和负载的变化会造成电机输出电压的波动,阻碍了永磁发电机的发展和应用;对永磁电动机来说,无法通过对磁场的控制来实现转速的调节,调速范围受到限制。另一方面,电励磁电机可以方便地调节励磁电流,所以在磁场调节方面有永磁电机所达不到的优势。因而,可以说,励磁方式是影响永磁电机广泛应用的重要因素，这也是电机制造加工技术以后的发展方向。这几年，电梯行业中最新驱动技术就是永磁同步电动机调速系统，其体积小、节能、控制性能好、又容易做成低速直接驱动，消除齿轮减速装置；其低噪声、平层精度和舒适性都优于以前的驱动系统，适合在无机房电梯中使用。永磁同步电动机驱动系统很快得到各大电梯公司青睐，与其配套的专用变频器系列产品已有多种牌号上市。可以预见，在调速驱动的场合，将会是永磁同步电动机的天下。日本富士公司已推出系列的永磁同步电动机产品相配的变频控制器，功率从4kW300kW,体积比同容量异步电动机小12个机座号，力能指标明显高于异步电动机，可用于泵、运输机械、搅拌机、卷扬机、升降机、起重机等多咱场合。第2章 永磁材料的性能和选用永磁电机的性能、设计制造特点和应用范围都与永磁材料的性能密切相关。永磁材料种类众多。性能差别很大。只有全面了解后才能做到设计合理、使用得当。因此，在这章先从设计制造电机的需要出发，扼要介绍电机中最常用的三种永磁材料的基本性能，包括磁性能、物理性、通用性。另外，也扼要介绍选用时的注意事项。2.1永磁材料磁性能的主要参数永磁材料的磁性能比较复杂，需要用多项参数来表示。下面就退磁曲线、回复曲线、内禀退磁曲线、稳定性对永在材料进行性能分析。2.1.1退磁曲线与其化磁性材料一样，永磁材料首先用磁滞回线来反映和描绘其磁化过程的特点和磁物性，即用曲线来表示永磁体的磁感应强度随磁场强度H改变的特性,如图1-1示。 图1-1 磁滞回线 图1-2 退磁曲线和磁能积曲线 1，2退磁曲线 3,4磁能积曲线该回线包括的面积随最大充磁磁场强度的大小而变，越大，回线面积就越大。当达到或超过饱和磁场强度时，回线面积渐近地达到一个最大值，而且磁性能最为稳定。面积最大的回线称为饱和磁滞回线，并常简称为磁滞回线。磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲线。退磁曲线中磁感应强度为正值而磁场强度Hm的方向相反，磁通经过永磁体时，沿磁通方向的磁位差不是降落而是升高。这就是说，永磁体是一个磁源，类似于电路中的电源。退磁曲线的为负值还表明，此时作用于永磁体的是退磁磁场强度。退磁磁场强度越大。永磁体的磁感应强度就越小。退磁曲线的两个极限位置是表征永磁材料性能的两个重要参数。退磁曲线上磁场强度H为零时相应的磁感应强度值称为剩作磁感应强度，又称为剩余磁通密度。简称为剩磁密度，用表示。单位为T（特斯拉）（工厂习用单位为或（高斯），）。退磁曲线上磁感应强度为零时相应的磁场强度值称为磁感应强度矫顽力，简称为矫顽力，符号为单位为（工厂习用单位为（奥斯特），）。它也是表征永磁材料磁性能的重要参数。对于退磁曲线为直线的永磁材料，显然在（/2,/2）处磁能积最大，为： (1-1)2.1.2 回复曲线退磁曲线所表示的磁通密度与磁场强度间的关系，只有在磁场强度单方向变化下时才存在。实际上,永磁电机运行时受到作用的退磁磁场强度是反复变化的。当对已充磁的永磁体施加退磁磁场强度时，磁通密度沿图1-3中的退磁曲线 下降。如果在下降到点消去外加退磁磁场强度，则磁密并不沿退磁曲线回复，而是沿另一曲线上升。若再施加退磁磁场强度，则磁密沿新的曲线 下降。如此多次反复后形成一个局部的小回线。称为局部磁滞回线。由于该回线的上升曲线与下降曲线很接近。可以近似地用一 条直线 来代替，称为回复线。点为回复线的起始点。如果以后施加的退磁磁场强度不超过第一次的值，则磁密回复线作可逆变化。如果，则磁密下降到新的起始点。沿新的回复线变化，不能再沿原来的回复线变化。这种磁密的不可逆变化将造成电机性能的秒稳定，也增加了永磁电机电磁设计计算的复杂性，因而应该力求避免发生。 图 1-3 回复线回复线的平均斜率与真空磁导率的比值称为相对回复磁导率，简称回复磁导率，符号简写为。 (1-2)式中，真空磁导率，又称磁性常数。 当退磁曲线为曲线时，的值与起始点的位置有关，是个变数。但通常情况下变化很小，可以近似认为是一个常数。且近似等于退磁曲线上（, 0）处切线的斜率值。利用这一近似我，在实际工作中求取不同工作温度，不同工作状态的回复线就方便得多。 2.1.3 内禀退磁曲线退磁曲线和回复线表征的是永磁材料对外呈现的磁感应强度与磁场强度之间的关系。还需要另一种表征永磁材料内在磁性能的曲线。这就是内禀退磁曲线。由铁磁学理论可知，在真空中磁感应强度与磁场强度间的关系为: (1-3)而在磁性材料中 (1-4)式中为磁化强度，是单位体积磁性材料内各磁畴磁矩的矢量和，单位为，它是描述磁性材料被磁化后大大加强了磁场。上式表明，磁性材料被磁化后大大加强了磁场。这时磁感应强度含有两个分量：一部分是与真空中一样的分量。后一部分是物质磁化后内在的磁感应强度，称为内禀磁感应强度。又称磁极化强度J 。描述内禀磁感应强度与磁场强度H之间的曲线称为内禀退磁曲线，简称为内禀曲线。 图 1-4 内禀退磁曲线和退磁曲线的关系内禀退磁曲线上磁极化强度为零时，相应的磁场强度值称为内禀矫顽力，又称磁化强度矫顽力，其符号为，单位为。的值反映永磁材料抗去磁能力的大小。过去，铝镍钴永磁的内禀退磁曲线与退磁曲线很接近，与相近且很小，故一般书上没有强调内禀退磁曲线。现在，稀土永磁的内禀退磁曲线与退磁曲线相差很大，远大于，这正是表征稀土永磁的抗去磁能力强的一个重要参数。 除了值外，内禀退磁曲线的形状也影响永磁材料的磁稳定。曲线的矩形度越好，磁性能越稳定。为标志曲线的矩形度，特地定义一个参数，称为临界场强，等于内禀退磁曲线上当时所对应的退磁磁场强度值，单位为。应当成为稀土永磁材料的必测参数之一。 2.1.4 稳定性为了保证永磁电机的电气性能不发生变化，能长期可靠地运行，要求永磁材料的磁性能保持稳定。通常用永磁材料的磁性能随环境、温度和时间的变化率来表示其稳定性，主要包括热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性。1） 热稳定性热稳定性是指永磁体由所处环境温度的改变而引起磁性能变化的程度，故又称温度稳定性。当永磁体的环境温度从升至时，磁密从到；当温度从回到时，磁密回升至；而不是；以后温度在和间变化，则磁密在和间变化。从图1-5可以看出，磁性能的损失可分为两部分：可逆损失和不可逆损失。可逆损失是不可避免的。各种永磁材料的剩余磁感应强度随温度可逆变化的程度可用温度系数以%表示，单位为K。 (1-5) 同样，还常用以%表示永磁材料的内禀矫顽力随温度可逆变化的程度，单位也是K。 (1-6) 温度恢复后磁性能不能回复到原有值的部分，称为不可逆损失。通常以其损失率IL（%）表示。 (1-7)不可逆损失又可分为不可恢复损失和可恢复损失。前者是指永磁体重新充磁也不能复原的损失，一般因为较高的温度引起永磁体微结构的变化（如氧化）而造成的。后者是指永磁体重新充磁后能复原的损失。 图1-5 可逆损失与不可逆损失永磁材料的温度特性还可用居里温度和最高工作温度来表示。随着温度的升高，磁性能逐步降低，升至某一温度时，磁化强度消失，该温度称为该永磁材料的居里温度，又称居里点，符号为，单位为或。最高工作温度的定义是将规定尺寸的样品加热到某一恒定的温度，长时间放置（一般取1000h），然后将样品冷却到室温，其开路磁通不可逆损失小于5%的最高保温温度定义为该永磁材料的最高工作温度，符号为，单位为或。2） 磁稳定性磁稳定性表示在外磁场干扰下永磁材料磁性能变化的大小。一种永磁材料的内禀矫顽力越大，内禀退磁曲线的矩形度越好（或者说越大），则这种永磁材料的磁稳定性越高，即抗外磁场干扰能力越强。当和大于某定值后，退磁曲线全部为直线，而且回复线与退磁曲线相重合，在外施退磁磁场强度作用下，永磁体的工作点在回复线上来回变化，不会造成不可逆退磁。3） 化学稳定性受酸、碱、氧气和氢气等化学因素的作用，永磁材料内部或表面化学结构会发生变化，将严重影响材料的磁性能。例如钕铁硼永磁的成分中大部分是铁和钕，容易氧化，故在生产过程中需采用各种工艺措施来防止氧化，要尽力提高永磁体的密度以减少残留气隙来提高抗腐蚀能力，同时要在成品表面涂敷保护层，如镀锌、镀镍、电泳等。4） 时间稳定性永磁材料充磁以后在通常的环境条件下，即使不受周围环境其它外界因素的影响，其磁性能也会随时间而变化，通常以一定尺寸形状的样品的开路磁通随时间损失的百分比来表示，叫做时间稳定性，或叫自然时效。它与材料的内禀矫顽力和永磁体的尺寸比有关。对永磁材料而言，随时间的磁通损失与所经历时间的对数基本上成线性关系，因此可以从较短时间的磁通损失来推算出长时间的磁通损失，从而判断出永磁体的使用寿命。2.2铝镍钴永磁材料铝镍钴（0）永磁是20世纪30年代研制成功的。当时，它的磁性能最好，温度系数又小，因而在永磁电机中应用得最多、最广。60年代以后，随着铁氧体永磁和稀土永磁的相继问世，铝镍钴（0）永磁在电机中的应用被取代，所占比例呈下降趋势。按加工工艺的不同，铝镍钴（0）永磁分铸造型和粉末烧结型两种。前者的磁性能较高。后者的工艺简单。可直接压制成所需形状。在永磁电机中常用的是铸造型。铝镍钴永磁的显著特点是温度系数小，仅为-0.02 左右，因此，随着温度的改变磁性能变化很小，目前仍被广泛用于仪器仪表类要求温度稳定性高的永磁电机中。这种材料的剩余磁感应强度较高，最高可达1.35T，但是它的矫顽力很低，通常小于160。它的退磁曲线呈现非线性变化。由于铝镍钴永磁的回复线与退磁曲线并不重合，在磁路设计制造时要注意它的特殊性，由它构成的磁路必须事先对永磁体进行稳磁处理，即事先人工预加可能发生的最大去磁效应，人为地决定回复线的起始点的位置，使永磁电机在规定或预期的运行状态下，回复线的起始点不再下降。铝镍钴永磁电机的磁极上通常都有极靴且备有再充磁绕组，使其可以再次充磁来恢复应有的磁能。依据铝镍钴永磁材料矫顽力低的特点，在使用过程中，严格禁止它与任何铁器接触，以免造成局部的不可逆退磁或磁通分布的畸变。另外，为了加强它的抗去磁能力，铝镍钴永磁磁极往往设计成长柱体或长棒形。铝镍钴永磁硬而脆，可加工性能较差，仅能进行少量磨削或电火花加工，因此加工成特殊形状比较困难。2.3铁氧体永磁材料铁氧体永磁材料属于非金属永磁材料，在电机中常用的有两种。钡铁氧（Bao.6Fe2O3）和锶铁氧体（SrO.Fe2O3）。它们的磁性能相差不多，而锶铁氧体的值略高于钡铁氧体，更适于在电机中使用。铁氧体永磁的突出优点：价格低廉，不含稀土元素、钴、镍等贵金属；制造工艺也较为简单；矫顽力较大，为128320，抗去磁能力较强，密度小，只有45.2g/,质量较轻；退磁曲线接近于直线，或者说退磁曲线的很大一部分接近直线，回复线基本上与退磁曲线的直线部分重合，可以不需要象铝镍钴永磁那样进行稳磁处理，因而在电机中应用最为广泛，是目前电机中用量最大的永磁材料。铁氧体永磁的主要缺点：剩磁密度不高，Br仅为0.20.44T，最大磁能积仅为6.440 。因而需要加大提供磁通的截面积，使电机体积增大，环境温度对磁性能的影响大，剩磁温度系数为-0.180.20，矫顽力温度系数为0.40.6。必须指出，铁氧体永磁的为正值，其矫顽力随温度的升高而增大，随温度降低而减小，这与其化几种常驻用永磁材料不同。因此，铁氧体永磁在使用时要进行最低环境温度时最大去磁工作点的校核计算，以防止在低温度时产生不可逆退磁。另外，铁氧体永磁材料硬而脆，且不能进行电加工，仅能切片和进行少量磨加工，通常彩软质砂轮，最好选用R3碳化硅砂轮，并且磨削速度要适当，磨削中要用水充分冷却，这样既能加快磨削速度，又不致磨裂永磁体。2.4稀土永磁材料稀土钴永磁和钕铁硼永磁都是高剩磁、高矫顽力、高磁能积的稀土永磁材料，但在某些性能上有较大区别，现在分别予以介绍：2.4.1稀土钴永磁材料 稀土钴永磁材料主要有两类：一类是RC05(R代表稀土元素)，称为1:5 稀土钴：另一类是R2C017，称为2:17稀土钴。1:5系列的矫顽力比2:17系列高， 而2:17系列的剩磁密度比1:5系列高，在退磁磁场较大的场合宜用l：5系列永磁体。稀土钴的剩磁密度一般为0.851.15T，矫顽力可达800，最大磁能积可达258.6，退磁曲线基本为一条直线。稀土钴的居里温度高，一般能达到710800，剩磁温度系数为一(0030.09)，磁性能稳定性好，可在300高温下使用。此外，稀土钴具有很强的耐腐蚀和抗氧化能力，通常无需进行表面处理。虽然稀土钴的性能优异，但由于含有稀有的金属钐和战略金属钴，因此价格昂贵， 限制了它的应用范围，主要应用于军事和航天等要求永磁体体积小、重量轻、磁性能高且稳定的场合。2.4.2钕铁硼永磁材料 钕铁硼永磁材料是目前磁性能最好的永磁材料，它的主要成分是Nd2Fel4B。其最大磁能积可达398，为铁氧体永磁材料的512倍、铝镍钴永磁材料的310倍，剩磁密度最高可达147T，矫顽力最高可超过1000， 能吸起相当于自身重量640倍的重物。但钕铁硼的居里温度低，仅为310400， 温度稳定性较差，其剩磁温度系数为-(0.0950.15)，矫顽力温度系数为-(0.40.7)，一般最高工作温度为150，但目前已有能耐200高温的钕铁硼材料。钕铁硼在常温下的退磁曲线是一条直线，但在高温下其退磁曲线的下部会发生弯曲，若设计不当易发生不可逆退磁。钕铁硼材料内含有大量的钕和铁成分，易锈蚀，化学稳定性欠佳，一般需要对其表面做电镀处理，通常镀层厚度为1040 。由于钕铁硼材料中不含钴，且在稀土中的含量是钐的十几倍,因此钕铁硼的价格比稀土钴材料要低很多，近些年已广泛应用于永磁电机中，基本取代了铁氧体材料。近几年来，钕铁硼永磁材料的磁性能大幅度提高，热稳定性和抗腐蚀性也有了较大的进展，价格也相对有所减低，国内外都出现一个新的应用高潮。我国稀土资源丰富，稀土储存量为世界其他各国存量之和的4倍，稀土矿石和钕铁硼永磁烧结的产量已居世界前列。充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用稀土永磁电机，具有重要的意义。 研制中型高效稀土永磁同步电动机替代普通异步电动机和电励磁同步电动机，可改变目前我国电能浪费严重的现状，带来可观的节能效果和显著的经济社会效益。我国是稀土大国，稀土储量占世界的80%，研究和开发中型高效稀土永磁同步电动机还可大面积推广应用我国资源丰富的钕铁硼永磁材料，变资源出口为高附加值产品出口，并促进稀土永磁材料行业、电机行业、风机水泵行业和石油化工行业的产品结构调整和更新换代，产生以科技为先导的新的经济增长点，并促进一些重工业行业电机拖动方面的节能改造。从上叙述不难看出，稀土永磁材料各方面的性能和特点都优于其它的永磁材料。所以，本课题设计的永磁同步电动机中永磁体选用稀土永磁材料。2.5粘结永磁材料粘结永磁材料是用树脂、朔料或低熔点合金材料为粘结剂，与永磁材料粉末均匀混合，然后用压缩、注射或挤压成形等方法制成的一种复合型永磁材料。按所用永磁材料种类不同。分为粘结铁氧体永磁、粘结铝镍钴永磁、粘结稀土永磁和粘结钕铁硼永磁。通常的铸造或烧结永磁体相比，粘结磁体因含有粘结剂而使磁性能稍差，但却具有如下的显著优点：1）形状自由度大：容易制成形状复杂的磁体或薄壁环、薄片状磁体。注射成形时还能嵌 入其化零件一起成形。2）尺寸精度高，不变形：烧结磁体的收缩率为13%27%，而粘结磁体的收缩率只有 0.2%0.5%。不需要二次加工就能制成高精度的磁体。3）产品性能分散性小：合格率高，适于大批量生产。4）机械强度高：不易破碎，可进行切削加工。5）电阻率高、易于实现多极充磁。6）原材料利用率高：浇口、边角料、废品等进行退磁处理，粉碎后能简单地再生使用。7）密度小、质量轻。因此，采用粘结永磁体，可以简化电机制造工艺，并且能获得良好的电机性能，特别是对于一次成形的多极转子或多极定子。采用粘结永磁体有它得天独厚的优点，深受用户欢迎.2.6永磁材料的选择和应用注意事项2.6.1 永磁材料的选择永磁材料的种类多种多样，性能相关很大，因此在设计永磁电机时首先要选择好适宜的永磁材料品种和具体的性能指标。归纳起来，选择的原则为：1、应能保证电机气隙中有足够大的气隙磁场和规定的电机性能指标。2、在规定的环境条件下，工作温度和使用条件下应能保证磁性能的稳定性。3、有良好的机械性能，以方便加工和装配。4、经济性要好，价格适宜。随着现有永磁材料的性能和电机的性能要求，一般说来，1、随着性能的不断完善和相对价格的逐步降低，钕铁硼永磁在电机中的应用将越来越广泛。不仅在部分应用场合有可能取代其他永磁材料，还可能逐步取代部分传统的电励磁电机。2、对性能和可靠性要求高而价格不是主要因素的场合，优先选用高矫顽力的2：17型稀土钴永磁。1：5型稀土钴永磁的应用场合将有所缩小，主要用于在高温情况下使用和退磁磁场大的场合。3、对于性能要求一般，而体积质量限制不严，价格是考虑的主要因素，优先采用价格低廉的铁氧体永磁。4、在工作温度超过300的场合或对温度稳定性要求严的场合，如各种测量仪器用电机，优先采用温度系数低的铝镍钴永磁。铝镍钴永磁在永磁材料中的比例将逐步下降。在生产批量大且磁极开头复杂的场合，优先采用粘结永磁材料。具体选用时，应进行多种方案的性能、工艺、成本的全面分析比较后确定。2.6.2 永磁材料的应用注意事项在应用时除前面提到的选用原则以外还应注意： 永磁材料的实际磁性能与生产厂的具体制造工艺有关，其值与标准规定的数据之间往往存在一定的偏差。同一种牌号的永磁材料，不同工厂或同一工厂不同批号之间都会存在一定的磁性能差别。而且，标准中规定的性能数据是以特定形状和尺寸的试样的测试性能为依据的，对于电机中实际采用的永磁体形状和尺寸，其磁性能与标准数据之间也会存在一定的差别。另外，充磁机的容量大小和充磁方法都会影响永磁体磁化状态的均匀性。影响磁性能。因此，为提高电机设计计算的准确性，需要向生产厂家索取该批号的实际尺寸的永磁体在室温和工作温度下的实测退磁曲线，在有条件时最好能抽样直接测量出退磁曲线。比较稳妥。对于一致性要求高的电机。更需对永磁材料逐片进行检测。 永磁材料的磁性能除与合金成分和制造工艺有关外，还与磁场热处理工艺有关，所谓磁场热处理，就是永磁材料在分解反应过程中施加外加磁场。以过磁场热处理后，永磁材料的磁性能提高，而且带有方向性，顺磁场方向最大，垂直磁场方向最小，这叫做各向异性。对于没有以过磁场热处理的永磁材料，磁性能没以有方向性，称为各向同性。应变注意到，对于各向异性的永磁体，充磁时的磁场方向应与磁场热处理时的磁场方向一致，否则磁性能反而会有所降低。 根据规定，永磁材料由室温长到最高工作温度并保温一定时间后再冷却到室温，其开路磁通允许有不大于的不可逆损失。因此为了保证永磁电机在运行过程中性能稳定，不发生明显的不可逆退磁，在使用前应先进行稳磁处理（或叫老化处理），其办法是将充磁后的永磁材料长温至预计最高温度并保温一定时间，以预先消除这部分不可逆损失。铁氧体永磁则不同。由于它的矫顽力温度系数为正值，温度越低、矫顽力越小，故需进行负温稳磁处理。其办法是将充磁后的铁氧体永磁放在低温箱中，冷冻至使用环境的紧低温度。保温2至4小时。需要指出的是，以过高温或负温稳磁处理后，不能再对永磁体充磁；如有必要再次充磁，则需要重新进行高温和负温稳磁处理。第3章 永磁同步电动机的基本理论在对高性能永磁同步电动机进行性能分析、设计之前，必须熟悉和掌握相关的永磁同步电动机的运行理论。永磁同步电动机的运行原理和电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通代替后者的励磁绕组励磁，电动机结构较为简单，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性。 随着永磁材料性能和电力电子器件性价比的不断提高，新磁路结构的不断涌现，在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。3.1 永磁同步电动机的结构永磁同步电动机的定子一般与三相异步电动机定子相同，必要时可以借用异步电机的机座和定子冲片。但为了减小永磁同步电动机的杂散损耗，定子绕组常采用双层短距或正弦绕组形式。永磁同步电动机的结构型式一般就是指转子结构型式，转子结构是永磁同步电动机的关键和核心。永磁同步电动机的转子结构一般还要求转子冲片具有整体性、简单性，并能充分提高永磁体的利用率。根据永磁体在转子上位置的不同，现在普遍使用的转子磁路结构一般有：表面式和内置式。3.1.1 永磁同步电机转子磁路结构 表面式转子磁路结构在这种磁路结构中，永磁体通常呈瓦片形，位于转子铁心的外表面上，提供磁通的方向为径向，且永磁体外表面与定子铁心内圆之间一般套以起保护作用的非磁性圆筒，或在永磁磁极表面包以无纬玻璃丝带作为保护层。有的调速永磁同步电动机的永磁磁极用话多矩形小条拼装成瓦片形，能降低电动机的制造成本。表面式转子磁路结构又分为凸出式和插入式两种，如图3-1所示。 a) 凸出式 b)插入式 图3-1 表面式转子磁路结构 1-永磁体 2-转子铁心 3-转轴1、表面凸出式转子结构：由于其具有结构简单、制造成本较小、转动惯量小等优点，在矩形波永磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的正高强度波永磁同步电动机中得到了广泛应用。此外，表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形状，可显著提高电动机以至整个传动系统的性能。2、表面插入式转子结构：这种结构可充分得用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度，动态性能较凸