（检测技术与自动化装置专业论文）稀土永磁同步电动机优化设计.pdf

摘要 摘要 稀土永磁同步电动机具有功率因数高、效率高、节能效果明显、运行可靠等 优点，所以应用前景十分广阔。对于稀土永磁同步电动机的电机设计，如何能做 到在满足主要性能指标的同时，使成本降低，这既是电机设计人员的目标，更是 以营利为目的的生产企业的目标。本文根据稀土永磁同步电动机的设计特点，研 究了稀土永磁同步电动机的优化设计技术和c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 系统 的开发。 本文介绍了电机优化设计和c a d 技术的现状和发展。分析了稀土永磁同步 电动机性能特点和设计方法。详细探讨了稀土永磁同步电动机优化设计数学模型 的建立、优化算法的选择、离散变量的处理、优化算法与电机计算机辅助设计接 口等问题，并采用遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 对优化问题进行求解。优 化计算实例表明，遗传算法是解决稀土永磁同步电动机优化设计问题的一种较好 的方法。 在w i n d o w s 系统下，采用b o r l a n dc + + b u i l d e r6 开发了稀土永磁同步电动机 c a d 系统。本系统采用“功能模块化，系统集成化”的现代软件工程思想，以 工程数据库为核心。软件集分析计算、优化设计及多种辅助功能为一体，形成完 整的计算机辅助设计软件。本文对稀土永磁同步电动机c a d 系统各部分的功能 进行了介绍。阐述了数据库技术在本系统中的应用，整个系统在数据库管理系统 的组织下，能自动的实现从数据库中存、取数据，形成输入、输出文件。应用结 果表明，本软件能达到到降低成本、提高产品质量、缩短产品开发周期的目的。 关键词：稀土永磁同步电动机；优化设计；计算机辅助设计；遗传算法 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t r a r ee a r t hp 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 ( r e p m s m ) h a v eb r i l l i a n tm a r k e tf u t u r e w i t hf e a t u r e so fh i g hd e n s i t y , e x c e l l e n te f f i c i e n c y , l o wo p e r a t i o nc o s t ，e f f i c i e n c yo fc o n s e r v i n g e n e r g ya n dg o o dr e l i a b i l i t y h o wt om e e tam o t o r st e c h n i c a lr e q u i r e m e n ta n dr e d u c ec o s ti sa t a r g e to fd e s i g n e r sa n de n t e r p r i s e s a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r so fr e p m s m ，t h i sp a p e ra i m sa t o p t i m i z a t i o nd e s i g na n dd e v e l o p i n gac a ds y s t e mf o rr e p m s m t h ea c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n to fe l e c t r i cm a c h i n ec a d t e c h n i q u ea n do p t i m i z a t i o nd e s i g n a r ei n t r o d u c e d t h ep e r f o r m a n c ep e c u l i a r i t ya n dd e s i g nm e t h o do fr e p m s ma lea n a l y z e d s o m ek e yp r o b l e m sa r ed i s c u s s e di n c l u d i n ge s t a b l i s h i n gam o t o rm a t h e m a t i c a lm o d e l ， c h o o s i n ga no p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，d i s p o s a lo fd i s c r e t ev a r i a b l e sa n di n t e r f a c es o f t w a r ep a r t b e t w e e nm o t o rd e s i g nc o m p u t i n gp r o g r a ma n do p t i m i z a t i o np r o g r a m ，a n ds oo n ag e n e t i c a l g o r i t h m ( g a ) i sa p p l i e dt oo p t i m i z a t i o nd e s i g no fr e p m s m t h er e s u l to fa no p t i m i z a t i o n e x a m p l er e v e a l st h a tg a i saw i s ec h o i c et oo p t i m i z a t i o nd e s i g no fr e p m s m ac a ds y s t e mo fr e p m s mi sd e v e l o p e db yb o r l a n dc + + b u i l d e r6 w h i c hc a nr u n o nt h e p l a t f o r mo fw i n d o w s t h ec a ds y s t e mb a s e do ne n g i n e e r i n gd a t a b a s ei sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt os o f t w a r ee n g i n e e r i n gi d e a so fm o d u l a r i z a t i o na n di n t e g r a t i o n t h es o f t w a r e g a t h e r st h ef u n c t i o no fa n a l y s i sd e s i g n ，o p t i m i z a t i o nd e s i g na n ds o m ea i d e df u n c t i o nf o r m i n g i n t oaw h o l em o t o rc a ds o f t w a r e t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ef u n c t i o no fe v e r yp a r to ft h e c a ds y s t e m h o wd a t a b a s et e c h n i q u ei sa p p l i e dt ot h i sc a ds o f t w a r ei ss t a t e d t h ed a t a s t o r a g ea n df e t c h 、析t ha u t o m a t i ci n p u ta n do u t p u tf i l ef o r m e da r er e a l i z e di nt h es y s t e mb y d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m t h er e s u l to fc o m p u t i n gi n s t a n c e ss h o w st h a tt h ec a ds y s t e m c a na c h i e v et h eg o a lt or e d u c ep r o d u c tc o s t ，i m p r o v ep r o d u c tq u a l i t ya n ds h o r t e np e r i o do f d e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：r e p m s m ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；c a d ；g e n e t i ca l g o r i t h m i l 独创性声明 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研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方，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已 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道士的指导下取得的，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。 6 5 指删币签嘞他 论文作者签字：方i 勾 z oo8 年6 月z 日 第一章绪论 第一章绪论 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 技术，是计算机技术在 工程设计方面的综合应用技术。现代c a d 技术将产品工程设计所需要的基础技 术、设计理论、方法、数据，以及设计人员的创造性、决策作用、组织能力和计 算机强大的信息处理能力结合起来，使设计发生了巨大的变革1 1 。 c a d 技术是从5 0 年代开始，随着计算机技术的发展而形成的一门新技术，经 过数十年来的发展，c a d 技术在国外工业发达国家已经被广泛应用于各个领域。 c a d 技术已经成为提高产品设计水平，降低成本，缩短新产品开发周期，提高 生产效率的重要手段。c a d 技术的研究和发展水平己经成为衡量一个国家科技 现代化和工业现代化水平的重要标志之一坦，。 世界各国开展电机的计算机辅助设，即电机c a d ( c o m p u t e ra i d e d d e s i g no f e l e c t r i cm a c h i n e r y ) 己有四十余年的历史。五十年代初期是用模拟计算机作异步 电机性能计算( 等值电路法) 及温升计算( 等值热路图法) 。国外从6 0 年代开始，进 入普遍使用阶段，并发展成为一门专门学科，称为“计算机辅助电机设计，。 到了八、九十年代，计算机技术空前发展，有力地推动了电机c a d 的研究与应 用，同时，也为使用p c 机开发运行较大型电机c a d 程序带来了契机。 1 1 电机c a d 技术的发展概况 1 9 5 3 年，美国维诺特( c g v e i n o t t ) 等就开始用数字计算机辅助异步电机设 计。19 5 4 年由s a u n d e r s 提出数字计算机执行重复计算的方法，解脱了设计人员的 繁重劳动，它是多次重复设计分析程序，并不允许插入中间决定。19 5 6 年前，计 算机辅助设计在变压器设计中应用较多，后来才扩展到旋转电机设计中。19 7 2 年，维诺特以此为名撰写了一本专著，曾作为美国麻省理工学院( m i t ) 的教材。 该书主要针对作者研究的小型电机，系统地论述了这个专题，为完善计算机辅助 电机设计理论做出了巨大贡献。应用计算机辅助异步机设计后，不但设计速度加 快了，而且设计质量和技术管理水平大为提高，产品的技术经济指标也明显改进， 广东t 业大学工学硕七学位论文 因此发展很快，随着计算机软硬件水平的提高，在设计工作中的应用必然更加广 泛。 电机的优化设计在六十年代初期就开始为人们所关注，并逐步应用于电机的 设计中。例如，前苏联在19 6 8 年设计同步发电机时，以最小重量为目标( 函数) ， 通过计算机辅助设计，在其它条件相同的情况下，使产品的重量比经验设计减轻 了约1o 15 。七十年代前后，随着优化算法研究工作的深入和研究成果的不断 涌现，利用计算机辅助电机优化设计进入了一个全新的发展时期。例如联邦德国 对中型电机优化设计后，使其利用指标提高了2 0 。随着计算机运算速度的提高、 内存空间的增大以及系统软件和程序语言的进一步完善，计算机辅助电机设计在 电机设计中己超出了优化设计的范围，可以向用户提供全部产品图纸，储存大量 的设计数据。用户使用时也可以通过分时系统在终端上直接操作和修改，十分方 便快捷，展现出更加广阔的应用前景。总的来说，计算机辅助电机设计的发展大 致可分为三个阶段，即：“分析设计( a n a l y s i sd e s i g n ) ”阶段，“综合设计( s y n t h e s i s d e s i g n ) ”阶段以及“优化设计( o p t i m i z a t i o nd e s i g n ) ”阶段。 1 1 1 分析设计 分析设计阶段是计算机用于电机的辅助设计的初始阶段。分析设计程序是按 照设计人员事先估计好的若干设计参量，依一定程序步骤计算产品性能，它相当 于通常的设计校核计算【4 】。计算机仅仅用来对设计方案进行设计分析，而对设计 的结果和评价以及设计方案的调整仍需由设计人员决定。因此习惯上也称为“校 核程序”。 1 1 2 综合设计 综合设计程序是根据给定的电机的技术条件和额定数据，由计算机来确定各 个设计参数的程序。它与分析设计程序的区别在于，综合设计程序能够使计算机 在预先的存储中自动选择适当的技术参数和设计尺寸，从而设计并选择出满足技 术条件要求的可行设计方案。综合设计程序实质上就是能够自动修改设计参数并 重复分析设计，以获得理想设计方案的一种程序。 2 第一章绪论 最简单的综合设计程序是能根据给定的电密、磁密自动给出定、转子槽型， 再自动选出绕组用的线规。这在习惯上称为“开槽计算”。也有的程序可按规定 的某项性能指标对设计方案自动做出调整，直到满足要求为止。但不能对各项性 能指标均做调整。后来又编制出能对一些自变量如定了内径、铁心长度、槽数、 电密、磁密等，按规定步长进行多重循环计算的程序。这种方法习惯上称为“循 环计算” 5 1 。它实际上是一种寻优方法，在目标条件约束下从多个方案中选出最 理想的方案。这能更全面地了解各个自变量对设计影响的大小，从中研究一些设 计规律。 1 1 3 优化设计 优化设计是让计算机直接在电机设计空间内找到代价最小或性能指标最佳 的可行方案的设计程序。它的主要内容有两个： 1 将实际的电机设计问题转化为抽象的优化数学模型。 2 选择合适的优化方法，用计算机求解电机的优化设计数学模型，得出最 优的设计方案。 上世纪五十年代末、六十年代初期，国外开始出现应用古典极值理论进行电 机优化设计的程序，19 5 9 年g l 戈德温提出了一种鼠笼型异步电动机的优化程 序，19 6 1 年q w 安德森提出一种对于同步电机使用梯度法的优化程序。c 曾纳 和r 辛兹格都对变压器的设计采用数学规划办法处理，成功解决了变压器在效率 和温升的约束条件下使其费用函数获最小值的问题。从1 9 6 6 年开始，陆续发表了 不少文章介绍优化设计程序。它们的共同点是：设计任务有明确的数学模型； 根据现代数学的寻优理论；采用成熟的优化方法；大部分方法采用了数值 解的方法，进而避免了严格的数学方程和求解函数的导数。从6 0 年代至今，人们 利用各种优化数学方法，如梯度法、随机搜索法、各种罚函数法、最d p 次幂法 及其它数学规划方法等，对感应电机、同步电机、变压器等进行研究，获得了许 多成果，不断推动着电机优化设计的发展。从7 0 年代开始，国外已有不少优化设 计程序应用于生产，取得了显著的经济效益。 国内电机的优化设计始与上世纪七十年代中期，1 9 7 7 年上海电器科学研究所 与复旦大学发表了异步电机优化设计的文章，此后哈尔滨电工学院、吉林电力学 广东工业火学工学硕士学位论文 院、清华大学、合肥工业大学等高校也相继开展了电机优化设计的工作。清华大 学较早按混合离散规划方法应用多种优化设计程序设计了一些高效率的专用三 相异步电动机( 单双速) ，主要指标达到世界同类产品先进水平，并且都取得了显 著的经济效益。 近十年，工程数学和现代电气工程理沦的创新也层出不穷，这其中包括模拟 退火算法 6 1 、遗传算法 ，、神经网络【s ，等，并且在电机全局优化领域内的应用研 究已取得明显成效。谢为等人讨论了专家系统技术在永磁同步电动机设计中的应 用，知识表示采用符号推理与数值计算并重的规则架规则体的新形式，并建立 了基于规则架的再设计正向推理网络。遗传算法是建立在生物进化论基础上的算 法，应用于自适应随机搜索，解决工程问题的最优化设计，可能获得全局最优解。 它将优化问题视为一种生存环境，优化过程则视为进化过程，依据自然界生物进 化规律，生物体通过遗传和变异来适应外界环境优胜劣汰，循环往复，群体素质 不断提高，逐步实现最优化。 1 2 稀土永磁同步电动机的发展概况 基于普通电机存在的问题和日益严重的能源危机，各国都在开发能源的同时 注意开发高效节能电机。钕铁硼稀土永磁同步电动机哼1 是近年来出现的高效节能 电动机，其功率因数达到9 5 以上，效率达9 1 以上，起动电流小于异步电动机， 节能效果明显，成为工业用( 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。在油田抽油机系统中，考虑电网特性、功率因素等条件相 对于异步电动机节能2 0 3 7 。 美国g e 公司早在五十年代就研制了一批数百瓦的永磁同步电动机，德国西 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高速 的永磁同步电动机。我国自七十年代后期也陆续研制出多种结构的永磁同步电动 机。 近年来，我国在稀土永磁同步电动机的开发和应用上取得重大成就，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 4 第一章绪论 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10 以上，已经进行生产并取得了很好的经济效益们。 我国已研制成最大容量为110 k w 和2 5 0 k w 的稀土永磁同步电动机。 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面的推广，其原因是多方面的， 其一是稀土永磁同步电动机成本很高，但是随着稀土永磁材料1 1 的发展，稀土永 磁同步电动机的成本呈下降趋势，同时在稀土永磁同步电动机设计中如何选用适 量的稀土永磁体的用量z ，己成为学术界研究分析的重点。 稀土永磁同步电动机的应用反应良好，具有很广阔的市场前景，己经在航空 和航天等国防工业领域广泛应用。同时，稀土永磁同步电动机在需要转速一定和 准确同步的工业领域也得到了广泛的应用，比如纺织、化纤、轧钢以及玻璃业等 等。稀土永磁同步电动机特别适用于具有较宽负载范围的油田抽油机。 1 3 本课题的提出 我国的稀土资源丰富，稀土矿的总储藏量占全世界的8 5 以上，号称“稀土 王国”，稀土矿石和稀土永磁的产量都居世界前列，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，实现节能降耗，提高经济效益更具 有重要的现实意义。 正因为永磁同步电机具有高效节能等一系列优点，对永磁同步电机的开发和 研究成为世界各国电机电器相关产业以及科研院所的研究热点，永磁同步电机的 设计、控制、精确性能分析成为研究的主要内容。由于永磁同步电机转子中引入 永磁体，其形状和放置位置多种多样，磁路结构复杂，电机的励磁特性也发生了 很大的变化，所以永磁同步电机的分析计算要比普通电机复杂，研究有效的永磁 同步电机分析设计方法十分必要引。 研究稀土永磁同步电动机优化设计，一方面就是要研究稀土永磁同步电动机 的设计方法，另一方面就是要研究适合计算机的稀土永磁同步电动机的设计算 法，开发方便实用的计算机辅助电机设计系统钔。 广东工业人学工学硕上学位论文 1 4 本课题的主要研究内容 本课题在研究了稀土永磁同步电动机设计特点的基础上，将遗传算法运用到 稀土永磁同步电动机的优化设计当中，并采用b o r l a n dc + + b u i l d e r6 1 5 叫18 ，开发了 基于w i n d o w s 平台的可视化电机c a d 软件引，主要研究工作包括以下几个方面： 1 研究了稀土永磁同步电动机的设计特点，详细分析了稀土永磁同步电动 机设计过程当中初始参量的选定原则，校核电机性能指标的方法； 2 研究了稀土永磁同步电动机优化设计数学模型，探讨了优化设计过程中 目标函数的选定标准、约束条件的确定方法、设计变量的选定原则； 3 在对遗传算法基本原理研究的基础上，进行了电机优化设计遗传算法的 研究。并通过实例说明了将遗传算法运用到电机优化设计的过程； 4 开发了一套以工程数据库比们叫：，为核心的稀土永磁同步电动机c a d 系统。 介绍了本c a d 系统各部分功能，详述了其中数据库系统的设计方法。 6 第二章稀土永磁卜习步电动机的设计特点 第二章稀土永磁同步电动机的设计特点 2 1 绪论 2 1 1 电机设计的基本任务和内容 随着社会生产力的不断发展，人民生活水平的提高，对不同类型电机的需求 也越来越强烈，同时也刺激着广大电机工程师们不断开发、设计新型电机。对于 所有电机的设计工作，其任务都可简单归纳如下：设计人员根据用户提出的产品 规格( 如容量、电压、转速等) 、技术指标( 如效率、功率因数、温升限度、机械 可靠性等) ，结合国家的技术经济政策和生产工艺的实际情况，运用有关理论和 计算，或者参照同类型电机的数据，根据设计经验，预先确定电机的主要尺寸和 参量( 如：冲片尺寸、铁心长度及绕组匝数、线规等) ；经过校核计算，使各项电 磁性能指标满足国家标准或用户特殊要求；并经过生产制造后实验，能使电机产 品性能基本与设计值相符，使电机产品具有性能好、体积小、结构简单、运行可 靠、使用维修方便的特点。 电机设计中要确定哪些主要尺寸和参量呢? 我们知道电机运行基本原理是 靠电流与磁感应强度的相互作用来产生力矩或使线圈切割磁力线产生电压。因 此，在电磁设计中要确定的主要尺寸参量也就是指与磁路有关的冲片尺寸以及与 电路有关的绕组参数。前者一般是指定、转子冲片的内、外径、槽数、槽型、尺 寸、冲片叠厚等；后者一般是指绕组的线径、匝数、电流密度、绕组形式及连接 方式等。电机的其他一些结构尺寸、零部件尺寸、通风冷却系统等，一般放在稍 后的结构设计中确定，有时根据需要也可以与电磁设计交叉或平行进行。 2 1 2 电机c a d 设计特点及一般流程 计算机辅助电机设计的一般流程如图2 1 所示。这个流程图实际上也是计算 机辅助电机设计的一个简单框图。图中的虚线框内表示的是电机的分析设计，其 7 广东1 = 业大学工学硕上学位论文 图2 1 计算机辅助电机设计流程图 f i g u r e2 - 1f l o wd i a g r a mo fc o m p u t e ra i d e dm o t o rd e s i g n 中初始设计设计参量由设计人员选取，计算机只进行性能校核计算。至于该设计 方案是否满足性能指标，则需要由设计人员判断。如方案不合格，也要由设计人 员自行调整设计参量，重新输入计算机进行计算。如果设计人员只给定电机的规 格要求和性能指标，由计算机自动选取合理的设计参量，自动判断方案是否合格， 设计参量的调整也由计算机按一定规律自动进行，最后得到一批合格的设计方案， 也就是图中点画线框内所示的电机综合设计。它自动地利用计算机进行电机设计 第二章稀十永磁同步电动机的设计特点 中的选、校、调，而在众多的合格方案中挑选最优方案的工作，还得靠设计人员 自己进行仔细的分析比较，然后加以决定。如果计算机不但能自动设计出可行的 设计方案，而且能用一定的数学方法自动挑选出一个最优方案，这就是电机的优 化设计1 1 。 2 2 稀土永磁同步电动机的设计方法和特点z ， 2 2 1 稀土永磁同步电动机电磁设计的主要任务 稀土永磁同步电动机电磁设计的主要任务是确定电动机主要尺寸、选择永磁 材料和转子磁路结构、估计永磁体的尺寸、设计定转子的冲片和选择绕组数据， 然后利用有关公式对初始设计方案进行性能校核，调整电动机的某些设计参数， 直至电动机的电磁设计方案符合技术经济指标要求。 2 2 2 设计任务 设计任务书中通常给定下列额定数据： 1 额定功率； 2 相数； 3 额定线电压； 4 额定频率； 5 极对数； 6 过载能力； 根据使用要求和应用场合，还可能给定以下数据： 7 额定效率； 8 额定功率因数； 9 起动转矩倍数； 10 起动电流倍数； 1 1 最小转矩倍数； 1 2 牵入同步转矩倍数； 9 广东工业大学t 学硕十学位论文 1 3 绕组形式； 1 4 运行方式； 15 绝缘等级。 2 2 3 选取初始设计参量 1 转子结构形式的确定 稀土永磁同步电动机转子结构的确定是设计的前提和基础。按照永磁体在转 子位置上的不同，永磁同步电动机的转子磁路结构一般可分为：表面式、内置式 和爪极式。本课题采用内置式转子磁路结构。这类结构的永磁体位于转子内部， 永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，极靴中可以放置铸铝 笼或铜条笼，起阻尼或起动作用，动稳态性能好，广泛用于要求有异步起动能力 的永磁同步电动机。 根据稀土永磁体在转子中放置的方向，内置式转子磁路结构可以分为切向 式、径向式和混合式，如图2 2 所示。 ( a ) 径向式( b ) 切向式( c ) 混合式 图2 2 转子磁路结构 f i g u r e 2 。2d i a g r a mo fr o t o rm a g n e t i cc i r c u i ts t r u c t u r e 2 主要尺寸的确定 稀土永磁同步电动机的设计与其它电机设计一样，也应首先考虑零件、冲片 和基座的标准化及通用性。异步起动永磁同步电动机的主要尺寸与普通电动机的 主要尺寸一样，包括定子冲片内径d i l 和电枢计算长度l 。f 。一般说来，异步起动 永磁同步电动机的设计可能有如下三种情况： ( 1 ) 替代原来的感应电动机或原有性能较差的永磁同步电动机。 在这种情况下，待设计的永磁同步电动机一般要求与原来电动机同中心高， 1 0 第二章稀土水磁同步电动机的设计特点 故可在原来电动机主要尺寸的基础上进行初步的估算，然后再调整计算，直至电 动机设计成功。 ( 2 ) 要求待设计的永磁同步电动机直接利用某特定的定子冲片，以提高电动 机定子冲片的通用性和缩短电动机的研制周期。 在这种情况下，由给定的定子冲片即可知道定子冲片内径，在由电动机的功 率和电机常数选择电枢计算长度l 。f 。 ( 3 ) 仅给定电动机的性能指标而无其它限制。 此时选择电动机主要尺寸的自由度要比前两种情况大得多。根据预估的电磁 负荷，由电动机的功率和转速可选定电动机的d 2 i l l 。f ，然后凭经验选取一定的主 要尺寸比得出电动机的主要尺寸l 。f t l ，得出电动机的主要尺寸。一般说来，如 无其它限制，电动机的主要尺寸比应选小一点，以便在转子内部放置更多的永磁 材料。 3 气隙长度选择 永磁同步电动机为减少过大的杂散损耗、降低电动机的振动与噪声、便于装 配，其气隙长度占一般要比同规格感应电机的气隙大。且电动机中心高越大，永 磁同步电动机的气隙长度比感应电动机的气隙大得也越多。设计异步起动永磁同 步电动机的气隙长度时，可参照相同规格或相近规格的感应电动机的气隙长度， 并加以适当修改。 4 定、转子冲片的设计 在电机主要尺寸确定后，定子冲片的设计可参考一般感应电机设计，合适时 可直接利用异步电机定子冲片。 异步起动永磁同步电动机可采用与普通感应电动机相似的转子槽形。由于稀 土永磁同步电动机的鼠笼条仅起起动作用，同步时无作用，故挤流效应较强的双 笼、深槽或凸形槽是最佳选择，但对一般小型稀土永磁同步电动机而言，受转子 空间制约，宜采用圆形槽、梨形槽或梯形槽等。闭口槽可以减小齿槽效应和杂散 损耗，而对稀土永磁同步电动机的功率因数几乎无影响，故闭口槽在稀土永磁同 步电动机上得到广泛应用。由于永磁同步电动机的转子槽主要用于起动，因此为 了节约铝材料和给转子中的永磁体槽留出足够的空间，在电动机对牵入同步能力 要求不是很高时，转子槽可开得浅一点，窄一点。但当设计高牵入同步同步能力 的电动计时，确定转子槽形时就应该注意不能使电动机接近同步转速时的t 1 1 特 广东工业大学- t 学硕十学位论文 性曲线陡度过小，否则电动机牵入同步能力指标很难达到。因此，这时电动机转 子槽也不能开得过浅和过窄。 异步起动永磁同步电动机的定子槽数选择原则与感应电动机相同，而定、转 子槽配合则与感应电动机稍有不同。为提高永磁同步电动机的制造工艺性和便于 电动机极弧系数的控制，电动机的转子槽数通常在定转子槽配合选用原则的容许 范围被选定为电动机极数的整数倍。 5 永磁体设计 永磁体的尺寸主要包括永磁体的轴向长度l m 、磁化方向长度h m 和宽度b m 。 永磁体轴向长度一般取与铁心轴向长度相等或稍小于铁心轴向长度，因此实际上 只有两个永磁体尺寸( 即h m 和b m ) 需设计。设计时，应考虑下列因素： ( 1 ) h m 的确定应使电动机的直轴电抗x 。d 合理。因为h m 是决定x 。d 的一个重要 因素，而x 。d 又影响电动机的许多性能。 ( 2 ) h m 不能过薄。这主要是从两方面考虑：一是h m 太薄将导致永磁体生产的 废品率上升，永磁体成本提高、且使永磁体不易运输和装配；二是永磁体太薄将 使其易于退磁。 ( 3 ) 设计h m 应使永磁体工作于最佳工作点。因为电动机中永磁体的工作点更 大程度上取决于永磁体的磁化方向长度h m 。 ( 4 ) 为调整电动机的性能，常常要调整b m ，因为b m 直接决定了永磁体能够提 供磁通的面积。当要求电动机磁负荷较高时，应选择能安装更多永磁体，也即能 安装b m 更大的转子磁路结构。 永磁体尺寸除影响电动机的运行性能外，还影响着电动机中永磁体的空载漏 磁系数o o ，从而也决定了永磁体的利用率。计算结果表明，永磁体尺寸越大，空 载漏磁系数越小。经过一系列推导，可得内置径向式转子磁路结构永磁体尺寸的 预估公式为 铲赣 ( 2 - 1 ) 岛l q 。， 、7 b m2 瓦赢 式中，b m o 一空载气隙磁通； k 中一气隙磁通的波形系数； 1 2 第二章稀土永磁同步电动机的设计特点 k 。一电动机的饱和系数，其值为1 0 5 - - - 1 3 ； k 。一与转子结构有关的系数，取值范围为o 7 1 2 ； 对内置切向式转子磁路结构永磁体尺寸的预估公式为： 稀土永磁同步电动机所需永磁体体积为： t ，1ar，、r4 片r c r b ：e ：一 e f v u & f = 2 坶厶= 2 比面翮 2 丢等志砜码k = 墨万1 百8 8 面p n r c o 瓦s e p 卫6 0 f 吒 ( 2 3 )l da nn 、。 k 1 ：竺坠竺盟l ： k fk wb m hm k 。一裕量系数； 乙= 二生一雠； r nc o s p n k 一永磁体轴向长度。 6 电枢绕组设计 稀土永磁同步电动机的绕组设计与一般异步电机相同，绕组形式有单层链 式、单层同心式、双层叠绕等形式。为改善波形、减少杂散损耗，也可采用双层 正弦绕组。由于永磁同步电动机由永磁体励磁，气隙磁场谐波较多，使电动势中 的谐波也较多。异步起动永磁同步电动机通常采用丫接的双层短距绕组以避免电 动机绕组中产生环流，并削弱电动势谐波。为改善波形、减少杂散损耗，也可采 用双层正弦绕组。永磁同步电动机的绕组匝数和线规可根据电动机的电磁负荷、 定子槽形尺寸和槽满率的限制来确定。 2 2 4 校核电机性能指标 稀土永磁同步电动机的性能校核，可分为磁路计算、参数计算、性能计算和 翥而翟端 广东工业大学丁学硕卜学位论文 起动计算四个部分。 1 空载磁路计算 磁路计算目的是在已知永磁体性能和磁路尺寸条件下，求解永磁体工作图的 各项数据，并根据永磁体工作图调整磁路尺寸，以保证磁路的合理设计，其内容 包括：磁化特性计算，磁路参数计算，求解空载、负载永磁体工作图三部分。 稀土永磁同步电动机空载磁路是指在电枢电流为零时永磁体磁场所经路径， 气隙中仅有永磁体的励磁磁通( 主磁通) 。永磁体除提供气隙主磁通外，还提供在 转子中形成闭合回路的空载非线性漏磁通和线性漏磁通。如图2 3 所示。 其中，占。一空载主磁通；盯。一非线性漏磁；。一线性漏磁 图2 3 稀土永磁同步电动机空载磁路 f i g u r e 2 - 3n o - l o a dm a g n e t i cc i r c u i to fr e p m s m 空载漏磁系数o o 的大小不仅标志着永磁材料的利用程度，而且对电动机中永 磁材料抗去磁能力和电动机的性能也有较大的影响。此外，漏磁系数对电动机的 弱扩磁能力也有影响。因此需要尽可能准确计算并在设计中选取合适的o o 值。通 过两次二维电磁场数值计算来分别求取电动机的极间漏磁系数o l 和端部漏磁计 算系数o 2 ，则电动机空载漏磁系数 吼= 七( t y l + 0 2 - - 1 h ( q + 专 ( 2 4 ) 式中，0 2 一永磁同步电动机的端部漏磁系数，其值为o 2 l 。一1 ； k 一经验修正系数。 在计算出各种漏磁之后，可按一般永磁电机磁路计算方法计算磁路特性。 2 参数计算 永磁同步电动机参数的准确计算需要运用电磁场数值计算方法进行。 1 4 第二章稀土水磁同步电动机的设计特点 ( 1 ) 空载反电动势 空载反电动势e o 是永磁同步电动机一个非常主要的参数。e o 由电机中磁体产 生的空载气隙基波磁通在电枢中感应产生，其值为： e o = 4 4 4 f k 甜协l o = 4 4 4 岿，咖占o k , v( 2 5 ) 式中，k a p 一绕组因数； n 一电枢绕组每向串联匝数； 1 0 一空载每极气隙磁通； k 中一气隙磁通的波形系数。 e o 的大小不仅决定电动机是运行于增磁状态还是去磁状态，而且对电动机的 动、稳态性能均有很大的影响。合理设计e o ，可降低定子电流，提高电动机的效 率，降低电动机的温升。 ( 2 ) 交、直轴电枢反应电抗 永磁同步电动机电枢反应电抗x a d f o x 。的计算，由于永磁体的励磁作用是固 定存在的，所以必须考虑永磁体的作用。同时稀土永磁同步电动机永磁体励磁作 用固定存在。电枢磁动势不同，电机内磁场的饱和程度就不同，因而电枢反应电 抗就不同。同时交直轴磁路同时经定转子齿部和定子扼部闭合，因而交直轴磁路 之间的相互影响也不容忽视。电抗参数必须根据永磁同步电机内部磁场的实际分 布状态来求取。为此常用“负载法”来求取永磁同步电机的电枢反应电抗。 电枢反应折合系数的计算 其中， k = 詈( + i a ( 焉1 ) k = 鲁( + 詈) 击南 矿 4 a f5 万 k d2 口 k 4 = 口。 l c o s 3 x ( 等) + 一l 一l 2j ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 刀 、l 。 口 z 爿雌嘶 厂弋一万一万 广东工业人学工学硕上学位论文 式中，k 。d 直轴电枢反应折合系数； k a q 交轴电枢反应折合系数； k 广励磁磁感应强度波形系数； k d 一直轴电枢磁势产生的磁感应强度波形系数： k 。一交轴电枢磁势产生的磁感应强度波形系数； n = r 州fr m 5 ，b = r m ，r 6 ，c = 固o o r m m f c ，d = r 。l q r m q ； 西a o 一当转子存在磁桥漏磁时的饱和漏磁通； r m m ，r m 6 ，r m 。分别表示每对极下的永磁体磁阻、气隙磁阻及漏磁导； r m 。一交轴方向磁阻； r m l q 一交轴磁路其它部分磁阻。 不计及磁路饱和对电枢反应电抗的影响时 x 积战x m 焉a口+d+d = k 以借如幻= o 时) = 以而1 借r ，幻o 时) 式甲，x a d 一亘轴电枢反应电抗； x 。q 一交轴电枢反应电抗； x m 一励磁电抗。 计及磁路饱和对电枢反应电抗的影响时 l 2 击嘭焉以 x 啊2 之k q 七x m 昏半 式中，f 。l 一定子磁部磁势降； f j l 一定子轭部磁势降； f 6 一气隙磁势降。 x 。d 、x 。q 的精确计算 先利用有限元法求解u o ，。d ，a q ，再用下式计算 1 6 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 第二章稀土永磁同步电动机的设计特点 x 鲥= ，- k w l l d w , 、o u o - 0 0 , i ) k 正对箐固啊 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 式中，中u o 一空载有效气隙磁通； 。d 一电枢磁通直轴分量； 。q 一电枢磁通交轴分量； i d 一直轴电流； k w l 一定子绕组系数； w 一定子绕组每相串联匝数。 3 稳态性能分析计算 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 的等与输出功率之间的关系以及失步转矩倍数的等。电动机的这些稳态性能均可 从其基本电磁关系或从向量图推导得到。 稳态运行向量图 正弦波永磁同步电动机与电励磁凸极同步电动机有着相似的内部电磁关系， 故可用双反应理论研究。在恒频恒压源供电时，其不饱和凸极矢量图可能有三种 状态，即过励容性去磁作用、欠励感性增磁作用和感性去磁作用，其电势向量图 如图2 - 4 所示，其电势方程为： u = 1 1 _ + ，l 瓦l + e a d + e a q + e o = 1 1r 、+ jh x n + j id x 姐+ j l qx 珀+ e o ，、 = ，l 吒+ j l a 以+ j i g + e o【2 1 9 ) 式中，e 。d 一直轴电势； e a d 一交轴电势； x d 一直轴同步电抗； x 。一交轴同步电抗； i q 一交轴电流。 图2 4 ( a ) 的容性去磁作用，为e o u 时的空载或轻载工作状态； 图2 4 ( b ) 的感性增磁作用，为e o o 为感性；q o 为容性；= 甜c 留号。 稀土永磁同步电动机的功率流程图如图2 5 所示。 ，- 么z l三l 如 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 图2 - 5 稀土永磁同步电动机功率流程图 f i g u r e 2 - 5p o w e rf l o wd i a g r a mo fr e p m s m 与电励磁同步电动机相比较，稀土永磁同步电动机无励磁铜损耗。与异步电 动机相比，稀土永磁同步电动机转子无铜损耗。稀土永磁同步电动机一般极弧系 数较大，在相同的电压时，铁损较异步电机小。由于稀土永磁同步电动机气隙较 大，其杂散损耗较小；损耗的减小和功率因数的增加，使稀土永磁同步电动机定 子电流减少，定子铜损减少。稀土永磁同步电动机的效率特性具有高而平的特点。 4 起动过程分析与计算 异步起动永磁同步电动机与普通感应电动机一样，在起动过程中也要求具有 一定的起动转矩倍数、起动电流倍数和最小转矩倍数。此外，还要求电动机具有 第二章稀土永磁同步电动机的设计特点 足够的牵入同步能力。不考虑过渡过程，稀土永磁同步电动机的异步起动可看作 不同转速下的稳态运行。当定子通入频率为f 的三相对称交流电时，定子磁场的 同步转速为l ，假定转子滑差为s ，转子鼠笼条中感应电流频率为s f ，由于交、 直轴磁路不对称，这个电流产生( 1 - t - s 1 ) 的旋转磁场，在定子中感应出频率为 f ，( 1 2 s ) f 的电流。同时，由转子永磁体在定子中感应出频率为( 1 s ) f 的电流。 稀土永磁同步电动机在起动过程中的电磁转矩中的电磁转矩t 。m 包含平均电 磁转矩t 。”凸极效应引起的频率为2 s f l 拘脉振转矩t 2 。f 和永磁体作用产生的频率为 s f 的脉振转矩t 。f ，可用下式表示： 乙= 乙+ 疋矿+ 乃【2 3 0 ) t 。= j 2 ( i 多。一三谚0 + ( 之多：一之莎； + ( 专莎，一莎，) ( 2 - 3 1 ) t g = j 2 e j “ ( 之莎，+ 莎；) 一( 蠢谚。+ z 莎；) + 2 p 一朋7 ( 蠢莎：+ 丘云) 一( o 多，+ 卉) ( 2 - 3 2 ) 瓦矿= 2 p j 2 。( 之莎? 一三谚； + ，2 p 一2 川( i 乒：一丘谚? ( 2 - 3 3 ) t 。v 由频率相同的电流和磁链生成，式( 2 - 3i ) 中，第一项由基波电流和磁 链产生，是鼠笼条贡献的异步转矩t 。v ，在稀土永磁同步电动机起动过程中起主 导作用；第二项由频率为( 1 2 s ) f 的电流和磁链产生，由于该电流和磁链是由 磁路不对称引起的，故把该项称为凸极效应转矩t 。i ；第三项由频率为( 1 s ) f 的电流和磁链产生，反应了稀土永磁同步电动机中永磁体的作用，如果不考虑磁 场叠加中饱和的影响，可看成是三相永磁同步发电机三相短路时的“发电制动转 矩”t h ，故有： 乙= 瓦w + 乙，+ 瓦【2 3 4 ) 2 2 5 调整设计参量 每个设计方案经过性能