（电机与电器专业论文）大功率自起动永磁同步电动机设计.pdf

a b s t r a c t 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 ) h a v e ar o t o rc a g ef o ri n d u c t i o ns t a r t i n ga n dp e r m a n e n tm a g n e t s ，p r o v i d i n g m a g n e t f l u xa n d s y n c h r o n o u st o r q u e t h em o t o ro p e r a t e s a sa s y n c h r o n o u sm a c h i n ea n dt h er o t o rj o u l el o s s e sa r es i g n i f i c a n t l yr e d u c e d i ti s p o s s i b l e t oa c h i e v e u n i t y - p o w e r - f a c t o rp e r f o r m a n c e ，t h e r e b y r e d u c i n gt h es t a t o rc u r r e n t sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gl o s s e s t h e r e f o r e ， c o m p a r e dw i t hi n d u c t i o nm a c h i n e ，l s p m s mh a sa d v a n t a g e so fh i g h e f f i c i e n c ya n dp o w e r - f a c t o r n o w a d a y st h ew o r l dr u ns h o r to fe n e r g y , l s - p m s mh a sag o o df u t u r e t h i st h e s i sa i m sa td e s i g na2 5 0 k wl s p m s m ，w h i c hi su s e dt od r i v e t h ef a n ，p u m pi no r d e rt or e p l a c et h es a m ec a p a b i l i t ys q u i r r e l c a g e i n d u c t i o nm o t o r t h ee q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i tm e t h o da n dt h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d ( f e a ) a r ec o m b i n e dt oa c h i e v et h ed e s i g n t a r g e ta n do nt h eb a s eo ft h es q u i r r e l c a g ei n d u c t i o nm o t o rt h ed e s i g n s c h e m ei sf i x e d t h es c h e m ei sp r o v e dt h r o u g ha n a l y s i so ft h em o t o r p e r f o r m a n c eb yf e a s i m u l a t i o n k e yw o r d s ：l i n e - s t a r t ，p 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 ， e q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i t ，s i m u l a t i o n ，f e a 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 在全球“能源危机”严峻形势下，各个国家都积极寻找解决办法，在大背景下，我国能源 形势也日趋紧张。中国的g d p 仅占世界的4 ，而耗电量占世界的1 0 ，其中由于效率低， 每年有2 5 个三峡的发电量被自白地浪费掉，因而国家大力倡导建设节约型社会。据统计， 我国电动机总装机容量约5 8 亿千瓦，占全国总耗电量的6 0 a 一7 0 ，其中交流电动机占9 0 左右。专家分析，目前各类电机的运行效率加权平均比国外低3 5 ，风机和泵类的效率要 比发达国家低2 3 ，整体在用的电机驱动系统运行效率比国外低近2 0 f 。因此，可以说 交流电动机是”用电大户”，也是节能潜力最大的领域。电机系统节能是目前中国节能市场上 最具商业潜力的领域。从以上数据可以看出，中国的电机效率还有提升空间，电机节能有很 大的发展空间。 目前电机节能的方法主要有：l 僦化原有电机设计及传动系统；2 ) 采用新的控制技术； 3 ) 用高效高性能电机取代原有电机。 异步电动机具有结构简单、可靠性高、易于保养维修等优点，但功率因数和效率低、从 电网吸收大量无功功率等缺点。与感应电动机相比，永磁同步电动机具有在2 5 - 。1 2 0 额定 负载范围内具有高功率冈数和效率，转子由永磁体励磁，省去了电刷，可靠性高。自起动永 磁同步电动机( l s p m s m ) 无需起动设备辅助便能自行起动的永磁同步电机。表1 1 为等 功率的感应电机与自起动永磁同步电动机部分数据的对比表 2 1 。由表可知，自起动永磁同步 电动机较感应电动机具有较高的功率因数和效率，而且设计合理时功率因数可以接近1 【3 s j ， 具有明显的优势。可见，在某些场合可用永磁同步电动机取代异步电动机是一个不错的节能 办法。 表1 1 自起动永磁同步电机与感应电机运行性能比较 感应电动机自起动永磁同步电动机 空载电流( a )0 8 8o 2 空载损耗( w )8 85 0 额定电流( a )1 8 81 3 5 额定功率因数0 3 60 9 5 额定效率( ) 8 4 8 9 1 5 我国稀土资源丰富，稀土不稀，稀土矿石的储量占全球的8 0 ，号称稀土王国。稀土 永磁材料己经成为国民经济各产业，尤其是电子和汽车工业的一种不可替代的基础材料，属 于国家鼓励发展的新材料，被广泛用于电子、汽车、计算机、电力、机械、能源、环保、国 防、医疗器械等众多领域，具有很好的应用前景。目前，我国稀土产量居世界前列，但稀土 水磁产量的三分之二用于出口，国内用量只占三分之一，这其中用于电机的比例很小。同时， 我国稀土永磁电机的科研水平已达到了国际先进水平。因此充分发挥我国稀士资源优势，大 力研究和推广稀土永磁同步电动机，实现节能降耗，提高经济效益具有重要的现实意义。 浙江大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 永磁材料的发展 第一阶段：铝镍钴和铁氧体永磁阶段 2 0 世纪3 0 年代到6 0 年代中期，永磁同步电动机发展的最初阶段，电机工程领域中应 用的永磁材料主要是铝镍钴和铁氧体永磁两大类。这两大类永磁材料的磁能积和剩磁密度均 较低，因此，这一阶段研制成的永磁同步电动机，相对于后面阶段而言，体积较大、重量较 重、功率范围不宽、转速也不高，一般应用于微型和小型电机，但为电机设计开创了一个新 的领域。 第二阶段：稀土钴永磁阶段 2 0 世纪6 0 年代末期和8 0 年代初期，第一代和第二代钐钴材料s m c 0 5 和s m 2 c 0 1 3 相继 问世，其优异的磁性能给永磁同步电动机的发展带来了新的生机和活力。稀+ 钴永磁的退磁 曲线基本上是一条直线，回复线基本上与退磁曲线重回，抗去磁能力强，适合应用于工作环 境恶劣的永磁电机，但价格太高。 第三阶段：稀士钕铁硼永磁阶段 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材料， 性价比高，成为永磁电机的首选，缺点是居里温度低。 表1 2 电机用各种典型永磁材料的部分性能参数对比 材料性能f e 耐t ea 1 n i c os m 2 c 0 5s m 2 c o l 7n d f e b 剩磁b r ( d o 4 4 l1 1 50 91 1 21 2 5 矫顽力h 。( k a m ) 2 2 2 81 2 3 4 6 3 6 85 3 3 33 9 6 0 剩磁温度系数( k 。1 ) ( o 1 8 加2 )- ( 0 0 2 旬0 2 5 ) - 0 0 4 5- 0 0 3 50 1 3 居里温度t ( 摄氏度)4 5 03 6 0 8 5 03 2 08 5 03 1 0 耐氧化腐蚀性良 优一般一般差 1 2 2 永磁电机的研究现状 世界上第一台永磁电机是1 8 3 1 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。到1 9 世纪2 0 年代，美国通用公司利用铁氧 体磁钢生产一批微型永磁同步电机，但是功率很小。到了六七十年代，第一代和第二代稀土 钴永磁材料相继问世，其优异的性能才使得永磁电机的发展呈现出新的繁荣的生机。1 9 3 8 年，法国的c e m 公司推出i s o s y n 系列0 5 5 1 8 5 k w 稀土钴永磁同步电动机，效率比一般 感应电动机高2 、一8 ，功率因数提高0 0 5 - - , 0 1 5 ，起动转矩倍数为i 6 2 2 。英国和美国等国 家也相继推出类似系列的产品，但是功率一般都不大。但是，稀土钴为稀有金属，价格昂贵， 给实际广泛的应用带来了困难。1 9 8 3 年，日本驻友特殊金属公司和美国通用汽车公司分别 成功研制出稀土钕铁硼永磁材料，国际上称之为第三代稀土永磁材料。钕铁硼磁钢磁能积高， 性能优越，而且原材料丰富，价格便宜。从1 9 8 4 年起，各工业发达国家研究高性能永磁电 机，德国西门子公司经过十多年的努力，采用多种结构，成功地研制出用于化纤产业的高速 永磁电动机和用于交流调速系统得永磁同步电动机。 1 9 8 0 年，沈阳工业大学在国内率先从事高效永磁同步电动机研究，开发出我国第一台 稀土钴永磁同步电动机( 4 k w , 4 极) 和第一台钕铁硼磁同步电动机( 1 1 k w , 6 极) 。1 9 9 3 年，该 2 浙江大学硕士学位论文 校的唐任远教授编著的现代永磁电机理论和设计一书采用传统的等效磁路解析法，辅助 以电磁场数值计算进行永磁电机的研究设计。西北工业大学李钟明、刘卫国等编著的稀土 永磁电机中阐述了永磁电机的特殊性，全面介绍了各类永磁电机的理论和设计技术。1 9 8 6 年，上海电器科学研究所开发了化纤用外转子永磁同步电动机，性能优越，可以用来取代进 口的该类电机。近几年来，永磁同步电机发展迅速。2 0 0 2 年西北工业大学开发的油田抽油 机用l l k w 永磁同步电动机r s m l 6 0 l - - - 6 ；2 0 0 4 年沈阳工业大学开发研制成功了9 0 0 w 高 性能化纤用两极永磁同步电动机。大庆永磁电机制造公司研发生产的t n m 系列稀土永磁电 动机，应用于油田机采系统，因其克服了异步电动机效率低、吸收较多无功功率和普通永磁 同步电机的低起动转矩等缺点，节能效果明显。此外另有浙江大学、上海大学、华中理工大 学、东南大学、华北电力大学等高校和研究所以及一些企业积极投入永磁同步电机的研发和 应用，成绩喜人。 1 2 3 自起动永磁同步电动机研究现状 自起动永磁同步电动机是一种目前应用最为广泛的具有自行起动能力的永磁同步电动 机。自8 0 年代后期起，国内外都有大量学者从事这方面的研究工作，中小功率的自起动永 磁同步电动机已实现工业生产。随着计算机技术、电机制造工艺等的快速发展，尤其是高性 能永磁材料钕铁硼的广泛应用，由于其转子无铜耗，损耗小，电枢激磁电流大大减小甚至为 零，效率高，在小功率到中等功率场合，有替代鼠笼转子异步电机的趋势。目前，这种电机 正朝着系列化、产品化、大功率化方向发展。同时，对自起动永磁同步电动机的研究又具有 一定的学术价值，它融合了感应电机与永磁电机的结构特征，尤其起动过程和牵入同步过程 的复杂性已经成为关注热点。近年来科研人员在结构设计、参数计算、性能分析特别是动态 性能分析和计算机辅助设计以及优化设计等方面做了大量研究，并取得了一定的成绩 2 , 6 , 1 i j 。 虽然自起动永磁同步电动机与感应电机相比有很多优势：高效率、高功率冈数和功率密 度高等，但很多问题有待深入研究和解决：转子结构及磁路复杂，即转子鼠笼导条与永磁体 并存，使得电机的转子设计更为困难；起动过程中，起动转矩复杂且较异步电动机的低，起 动困难；由于磁路和结构的复杂，使得电机电抗参数测量和计算困难；永磁体工作点随负载 和温度变化而改变，电机性能较难精确计算等。归纳起来，目前研究热点和难点有以下几个 方面：( 1 ) 转子结构研究；( 2 ) 稳态特性研究；( 3 ) 动态特性研究；( 4 ) 电机电枢反应电抗计算； ( 5 ) 实验研究：( 6 ) 电机损耗计算研究；( 7 ) 电磁转矩研究。 1 2 3 1 转子结构研究 自起动永磁同步电动机定子结构及绕组型式与三相感应电动机基本相同，而自起动永磁 同步电动机的转子结构可以看成是在鼠笼式异步电动机的转子内置永磁磁极，其结构较异步 电机复杂1 6 , 7 ”们，如图l 所示，为一自起动永磁同步电动机的截面图。自起动永磁同步电动 机的永磁体般采用内置式磁路结构形式，根据永磁体磁化方向与转子旋转方向之间的相互 关系，内置式磁路结构又分成径向式、切向式和混合式三种1 6 1 ，如图1 2 所示。三种磁路结 构各有特点，需根据实际情况，选择合适的结构。径向式磁路结构的优点是漏磁系数小、上 不需取隔磁措施、极弧系数易于控制、转子冲片机械强度高、安装永磁体后转子不易变形， 永磁体轴向插入永磁体槽并通过隔磁桥限制漏磁通，结构简单，运行可靠，转子机械强度高， 因而近年来应用较为广泛。切向式磁路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。其优点在于一个极距下的磁通由相临 3 浙江大学硕士学位论文 两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通，即具有聚磁作用。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。此外，这种结构能大 大提高永磁同步转矩中的磁阻转矩分量。混合式磁路结构集中了径向式和切向式转子结构的 优点，但其结构和制造工艺均较复杂，转子冲片的机械强度也依次有所下降，制造成本也比 较高【6 1 。三种结构中，a l f i oc o n s o l i 等提出第一种结构，b j c h a l m e r s 等提出v 字形径向磁 图1 1 自起动永磁同步电动机的截面图 ( a ) 径向式转子磁极结构 ( b ) 切向式转子磁极结构 4 浙江大学硕士学位论文 路结构。图1 1 中永磁体的结构便是v 字形径向磁路结构。为了改变因为永磁体存在而导 致交轴电枢反应电抗大于直轴电枢反应电抗( 电励磁同步电机为后者大于前者) ，k t c h a u 提出了一种新的结构，即在直轴中开气隙槽，以增大直轴电枢反应电抗n 9 1 ，如图1 3 所示。 ( c ) 混合式转子磁极结构 图1 - 2 自起动永磁同步电动机的转子磁路结构分类 图1 - 3 带空气槽的切向式永磁电机 德国西门子公司提出分明明的混合式磁路结构结构，采用非磁性转轴或采用隔磁铜套， 主要应用于剩磁密度较低的铁氧体永磁材料制造的永磁同步电动机。 除了常见的内置的永磁体结构，c h a r l e sm s t e p h e n s 等在al i n e s t a r tp e r m a n e n tm a g n e t m o t o rw i t hg e n t l es t a r t i n gb e h a v i o r ) 一文中采用外贴式永磁体块磁极。如图1 4 所示。 5 浙江大学硕士学位论文 图l - 4 外贴式永磁磁极 自起动永磁同步电动机的鼠笼导条主要在起动时起作用，原则上讲，鼠笼式异步电动机 采用的槽型，自起动永磁同步电动机都能使用。实际中，应该充分利用转子空间结构，根据 自起动永磁同步电动机对起动转矩要求采用合适的鼠笼导条。一般为简化计，都采用称均匀 分布的鼠笼条，受永磁体的影响转子鼠笼条一般不能扭斜，只能定子斜槽由于永磁同步电动 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，确定子槽形时就应该注意不能使电动机接近同步转速时的t - n 特性曲线 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过 浅和过窄。目前，对自起动永磁同步电动机的优化设计，主要是以电机铁心长度、定子内径 定子槽数等为设计变量，以电机的效率、功率因数、起动转矩和起动电流等为约束条件，以 永磁体用量为目标函数，建立数学模型，采用虎克一杰夫法、p o w e l l 法、随机法等优化方法 求解 1 1 , 6 6 6 9 1 。 1 2 3 2 稳态特性的研究 现在，分析自起动永磁同步电机的稳态性能的方法有等效电路和电压向量图相结合法和 有限元数值计算法等【2 2 五引。其中，前者是实际电机的一种简化模型基础上进行的电机性能分 析，诸如涡流效应和磁路饱和等不能很好的考虑甚至完全忽略，数值计算方法能在高精确度 的分析电机性能，其中尤以有限元法常用。在精度要求不高时，等效电路和电压向量图相结 合法可以较快的计算电机的稳态性能，也可以近似的计算电机的起动性能1 8 1 , 6 , 2 9 , 3 们。而有限 元数值计算法可以精确的求解电机的稳态性能和动态性能，但耗时多。 1 2 3 2 1 等效电路与电压向量图相结合法 自起动永磁同步电动机稳定运行时，为一台凸极同步电动机，其电压方程为： u 、= e q + l 、r 、+ j l 、x i + j l t x “+ j l l x 崎 心1 、 式中，和分别为直轴和交轴电枢反应电抗，焉和置分别为每相定子绕组电阻 6 浙江大学硕士学位论文 和漏抗。 由电压方程得自起动永磁同步电动机的稳定运行时的电压向量图，如图1 5 所示。 jl l x u 0 l l 图1 5 自起动永磁同步电动机的电压向量图 由凸极同步电机的电压方程和电压向量图可得，凸极自起动永磁同步电动机的等效电路 如图1 - 6 所示。图中r = ( 蜀一) s i n 9 z c o s 沙，x = ( 局一) s i n 2 吵，y 为内功率角。 显然图l _ 6 对隐极同步电机也使用。因而自起动永磁同步电动机等效电路可用图l 石表示。 由自起动永磁同步电动机的等效电路和电压向量图，可以求解电机稳态时候的性能，如 功率因数、电磁功率等。 图1 7 自起动永磁同步电动机等效电路 7 浙江大学硕士学位论文 1 2 3 2 2 数值计算法 在对自起动永磁同步电动机进行电磁设计时，由于磁路的非线性及电机特别是永磁体几 何形状的复杂性及自起动永磁同步电动机设计传统等效磁路法方法的不成熟，相关系数较难 确定，例如漏磁系数、极弧系数等。而这些系数的精确计算常常要借助于电磁场数值计算进 行辅助分析，其中使用最广泛的是有限元法。在要求精度不是及其高时，端部效应由端部漏 抗来考虑，可以采用二维电磁场有限元计算，以矢量磁位为求解变量。在求解结果要求精度 高，及分析电机端部性能等时，需要进行三维电磁场有限元计算。目前有限元计算较等效磁 路法的缺点是计算量特别是三维大，消耗大量计算机资源，如何计算精度满足要求时降低资 源消耗特别是时间是有限元法面对的一个难点，大量研究者在这方面做了许多工作。 1 2 3 3 动态特性的研究 自起动永磁同步电动机的起动是靠鼠笼导条提供异步起动转矩，但是永磁体的产生制动 转矩和导致磁路不对称而产生磁阻负序转矩，除了三个平均转矩，还有三个平均转矩对应的 气隙磁密相互作用产生脉动转矩。而牵入同步速的同步转矩包括永磁体对应的永磁转矩和磁 路不对称引起的磁阻同步转矩，将电机从同步速附近将电机牵入同步速。总之，自起动永磁 同步电动机的起动过程和牵入同步及其复杂，对它们的研究是自起动永磁同步电动机设计和 分析的重点和难点，分析方法有似稳定法和动态分析法。 1 2 3 3 1 似稳态法 所谓似稳态法就是将自起动永磁同步电动机的异步起动过程近似地看成为一系列转差 率下的稳态异步运行，这样其起动特性计算即为不同转差下稳态异步运行状态的计算，最后 得到整个起动过程的电流、转矩特性【3 5 , 8 2 l 。e z h o u 和m a r a h m a n 等给出了自起动永磁同步 电动机起动过程的等效电科怕l ，如图1 7 所示。文献【5 】提出将自起动永磁同步电动机的电 磁转矩看成是平均转矩和同步转矩的叠加，并把平均转矩看成滑差的一元二次函数。文献【6 】 给出了在起动过程中，电机的平均转矩的解析近似公式。 ( a ) 直轴电枢反应等效电路 8 浙江大学硕士学位论文 1 2 3 3 2 动态分析法 ( b ) 交轴电枢反应等效电路 图1 7 似稳分析法等效电路 计算机技术的迅速发展，不断提高计算机的计算能力；电磁场数值计算技术在建模和求 解上的不断改进，为采用数值计算同时考虑求解电动机动态微分方程和电机麦克斯韦方程提 供条件，近年越来越多的学者开始着眼于自起动永磁同步电动机起动过程的动态特性研究 16 ，2 0 ，3 7 ，3 8 a l 、集中参数等效电路法将电机设计参数或实验测定电机参数代入等效电路，类似于 感应电机的等效电路分析一样，利用解析法求得动态、稳态性能。该方法特点在于简单，计 算方便，虽然可以通过调整参数考虑饱和作用，但不能同时计及磁饱和、涡流和磁滞的影响， 其计算精度较低，可用来定性分析自起动永磁同步电动机的性能。 2 、场路结合方法该方法分为两个阶段，其一是找出一个合适的集中模型；其二是针 对不同种类电机的等效电路，用有限元法计算出每个参数，再通过相应的坐标变换和矩阵分 析，得到一组统一的系统集中参数，以研究动态特性 3 9 , 2 0 3 8 i 。这种计算方法不但大大简化了 分析计算过程而且能考虑磁路饱和、涡流及复杂结构对电机起动性能影响。 p z h o u 对起动过程采用基于场路结合的方法，图1 8 给出了应用该种方法计算的同步频 率为6 0 h z 的一台永磁同步电机的起动过程转矩一转速曲线。 3 、场路耦合法电机起动过程中，电磁参数变化剧烈，场路祸合法通绕组的电动势将电 磁场有限元方程与绕组电路方程联立起来直接求解性影响l i l 3 2 l 。目前应用较多的是二维有限 元时步法，这种方法中每次代入的参数为一经过磁场重新计算参数。作为较为精确计算电磁 动态过程的一种方法。这种方法在三相感应电动机的动态过程分析中应用较多 4 0 , 2 3 1 。对于三 相自起动电动机的研究则是一个较新的应用 4 1 , 4 2 】。由于模型复杂，在个人计算机上计算时间 过长，将三维暂态电磁场有限元时步法应用于该种结构电机的研究，还需要一定的条件。但 三维电磁场的计算可以解决三相感应电动机转子斜槽的问题，以及起动过程中端部漏抗变化 的问题，具有重要的理论意义。很多学者正在努力采用更为简便、实用的剖分及计算技术， 以使其保持一定精度的前提下，尽量减少计算量。 9 q r 。- 浙江大学硕士学位论文 1 2 3 4 电枢反应电抗的计算 自起动永磁同步电动机电抗参数对电机的设计和特性分析有着重要的意义 6 , 2 0 , 3 6 , 4 2 - 4 6 , 6 。常见的煎蛋方法是利用等效磁路法或交直轴磁路独立的电磁场有限元法计算 x a d 和x a q 6 1 1 具体来说，对于直轴电枢反应电抗用等效磁路法计算直轴电枢反应电抗的步 骤是首先计算出空载时气隙磁通值，再计算直轴电流与永磁体共同产生的磁通，然后计算直 轴电枢反应电抗，如式1 3 所示。对于交轴电枢反应电抗可以用类似的做法，但交轴电枢反 应电抗容易饱和因而要计算不同交轴电流下的电抗值，得出交轴电枢反应电抗随交轴电流变 化曲线。图1 9 所示为采用该方法求得的某自起动永磁同步电动机交轴电枢反应电抗随交轴 电流变化曲线。 4 4 4 屑，。n = 兰l ( 吮一九) ( 1 3 ) ， 上述计算是将d ，q 轴磁路分开来计算，仅考虑饱和而未考虑二者的相互影响。沈件l t 业 大学的唐任远教授在对交直轴电枢反应电抗的计算上，提出了“负载法”。文献1 4 2 1 中采用的 方法本质上是通过对电枢电流与空载励磁电势之间的夹角的双重迭代来计算参数，这样就可 同时考虑了d ，q 轴磁路的相互影响，计算精度有较大的提高。另外，在“负载法”的原理上， 有人提出了“电势法”，不同的是双重迭代的对象为电压和电磁功率。 图1 - 86 0 h z 的l s p m s m 转速一时间曲线 1 0 浙江大学硕士学位论文 图l - 9 交轴电枢反应电抗随交轴电流变化曲线 1 2 3 5 实验的研究 各种永磁电机的技术性能大部分与传统电励磁电机基本相似，可以沿用有关电励磁电机 国家标准规定的实验方法和试验要求。但是永磁电机的试验内容和测试技术有其特殊性，主 要表现在： l 、永磁电机制成后，其磁场难以调节。因此，需要调节磁场的相关实验无法进行，如利 用调节励磁测试电抗参数的实验小转差法就行不通。 2 、永磁电机可以实现高的技术性能，例如可以运行于超高转速，传统的测试方法和测试 仪器难以满足。 3 、适合于电机制造厂的测试永磁体材料性能，特别是其热稳定性的方法和装置尚需要 开发和完善。 3 、永磁电机的等效磁路法设计计算程序尚待不断完善，其中某些系数及其变化规律需 要通过实验进行验证和补充，需要开发专用的测试方法和仪器。 近年来，微型计算机和电子元器件的迅猛发展为实现永磁电机的一些特殊试验要求提供 了新的测试手段。但目前还不成熟，尚在研究和开发中。相关文献中对自起动永磁同步电动 机的实验的研究的论述不多，多数动态实验采用示波器直接测量电机暂态过程的电流变化波 形，或者采用转矩测试仪，测量暂态过程中的转矩变化曲线【6 】。 文献【4 3 】提出采用结合电压向量图和实验求得x d 及x q 的方法。该方法在感应电机的 常规实验方法基础上，通过空载实验测量反电势以及直轴电枢反应电抗，再通过负载实验测 量交轴电枢反应电抗参数。 1 2 3 6 电机损耗计算的研究 理论上在稳定运行时，自起动永磁同步电动机与感应电动机相比，损耗较小，只有定子 铁心损耗和定子铜耗较大。实际上由于自起动永磁同步电动机的气隙谐波含量大，自起动永 磁同步电动机转子上也存在铜耗，同时使得该种电机的杂散损耗大。其中，自起动永磁同步 电动机的铁损与铁心材料、永磁体工作点和工作温度等都有关系，较难精确计算。常用计算 该种电机的损耗方法有三种： l 、公式法：该法用等效磁路法求得电机铁心的磁密，通过磁密查表得到对应的铁心损耗功 浙江大学硕士学位论文 率密度，进而求得电机铁损，计算结果精度不高。 2 、有限元法：通过有限元法计算的电机铁心各处的磁密，进而又铁心损耗各部分的定 义公式求得，该法较精确。 3 线圈测电压法若在定子齿部缠绕一个探测线圈，可以测得不同位置处的线圈内的磁 密变化，然后计算出齿部及扼部平均涡流损耗，并同时计算出磁滞损耗。 1 2 3 3 电磁转矩研究 自起动永磁同步电动机的电磁转矩较复杂，特别是在起动过程中和牵入同步过程中。 起动转矩既有平均转矩，又有脉动转矩。两者的精确计算需要采用数值计算法，其中平均转 矩可以在数值计算法的基础上得出近似的解析表达式，后者较复杂，如何获得好的起动平均 转矩和消弱脉动转矩成为研究电磁转矩的热点和难点。自起动永磁同步电动机的同步转矩对 电机牵入同步能力影响极大，国内外很多学者对同步转转对电机牵入同步能力的影响作了大 量研究。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题为浙江省重大科技项目“高效节能永磁电机的研发”( 2 0 6 c 1 1 0 0 6 ) 的一部分， 其目标是设计一台应用于风机、水泵的2 5 0 k w 自起动永磁同步电动机，取代原有同容量的 鼠笼式异步电动机。本文首先分析了自起动永磁同步电动机的基本工作原理，然后确定了一 个2 5 0 k w 自起动永磁同步电动机的设计方案，并用传统的等效磁路法和有限元分析进行确 认方案。本文章节安排： 第一章绪论分析了课题的研究背景和意义及自起动永磁同步电动机的研究现状； 第二章自起动永磁同步电动机的工作原理分析了该种电机的稳态性能和暂态性能； 第三章等效磁路法分析了等效磁路法及应用其设计感应异步电动机，在此基础上根据自起 动永磁同步电动机设计特点，用m a t l a b 编写了一个校验程序； 第四章有限元法分析了有限元法基本原理及应用有限元软件a n s o i tm a x w e l l2 d 对2 5 0 k w 鼠 笼式异步电动机进行仿真； 第五章确定设计方案采用等效磁路法和有限元法相结合的方法，确定了最合的设计方案； 第六章总结与展望对全文进行总结和对自起动永磁同步电动机未来进行展望。 1 2 浙江大学硕士学位论文 第二章自起动永磁同步电动机的工作原理 2 1 自起动永磁同步电动机的基本结构 2 1 1 总体结构 自起动永磁同步电动机除转子上有永磁体外，其他构成与鼠笼式异步电动机一样，还包 括机座，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，定子与 普通感应电动机基本相同，也采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子铁心可以做成 实心的，也可以用叠片叠压而成。电枢绕组采用分布短距绕组和非常规绕组，这后者为了减 小绕组产生的磁动势空间谐波，使之更接近正弦分布，可以提高电动机的有关性能，采用了 一些非常规绕组，如采用正弦绕组，可大大减小电动机转矩纹波，提高电动机运行平稳性。 为减小电动机杂散损耗，定子绕组通常采用星形接法。永磁同步电动机的气隙长度是一个非 常关键的尺寸，尽管它对这类电动机的无功电流的影响不如对感应电动机那么敏感，但是它 对电动机的交、直轴电抗影响很大，进而影响到电动机的其他性能。此外，气隙长度的大小 还对电动机的装配工艺和电动机的杂散损耗有着较大的影响。一般自起动永磁同步电动机的 比同容量的感应电动机要大。转子导条用来产生起动转矩，凡是鼠笼式的转子槽都可以用于 自起动永磁同步电动机，只是由于永磁体与转子导条在转子空间上相互竞争，因此转子槽型 往往受到一些限制。永磁体取代励磁绕组为电机提供工作所需的磁通，它的形状较多，视具 体需求而定。 2 1 2 转子结构 2 121 永磁体 自起动永磁同步电动机一般采用内置式磁路结构，即永磁体位于转子内部。按永磁体磁 化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子磁路结构又可分为径向式、切向式和混合式 三种。 ( 1 ) 径向式 这结构( 图2 1a ) 的优点是漏磁系数小、上不需取隔磁措施、极弧系数易于控制、转子冲 片机械强度高、安装永磁体后转子不易变形，永磁体轴向插入永磁体槽并通过隔磁桥限制漏 磁通，结构简单，运行可靠，转子机械强度高，因而近年来应用较为广泛。 ( 2 ) 切向式 这类结构( 图2 1b ) 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。其优点在于一个极距下的磁通由相临两个磁极并联提供， 可得到更大的每极磁通，即具有聚磁作用。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。此外，采用切向式转子结构的永磁同步电 动机的磁阻转矩在电动机总电磁转矩中的比例可达4 0 ，这对充分利用磁阻转矩，提高电 动机功率密度和扩展电动机的恒功率运行范围都是很有好处的。 ( 3 ) 混合式 1 3 浙江大学硕士学位论文 这类结构( 图2 ic ) 集中了径向式和切向式转子结构的优点，但其结构和制造工艺均较复 杂，转子冲片的机械强度也依次有所下降，制造成本也比较高。 a 径向式 b 切向式 cw 型混合式 图2 1 永磁体内置形式 2 1 2 2 转子槽 自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。由于永磁同步电动机 1 4 浙江大学硕士学位论文 的转子槽主要用于起动，故挤流效应较强的双笼、深槽或凸型槽是转子最佳选择。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，转子槽可开的浅一点，窄一点。但当设计高牵入同步能力的电动机时，确定转子槽形 时就应注意不能使电动机接近同步转速时的t - n 特性曲线陡度过小，否则电动机牵入同步能 力指标很难达到。因此，此时电动机转子槽也不能开得过浅和过窄。理论上自起动永磁同步 电动机可采用任一种感应电动机的转子槽形，但当选用的内置径向式转子磁路结构且转子槽 型尺寸较小时，通常采用平底槽，以保证合适的隔磁磁桥，避免过大的漏磁系数。当转子槽 形尺寸足够大时，也可采用圆底槽。转子端环的设计与转子槽的设计原则类似，在保证电动 机有足够牵入同步能力的前提下，应尽量使端环的厚度小一点，以节约铝材料。 2 2 自起动永磁同步电动机稳态运行 自起动永磁同步电动机的工作状态可以看成三个阶段，即起动过程，牵入同步速，稳态 运行。下面分别介绍三个阶段。 2 2 1 电压方程及向量图 由同步电动机的基本结构和工作原理可知，同步电动机是双边励磁的电机，即电机的定、 转子上都存在着磁动势。定子上由三相交流电流( t i p 电枢电流i ) 产生旋转电枢磁动势f a 及建 立的电枢磁场，一方面切割定子绕组并在定子绕组中感应产生电枢反应电动势e a ，一另方 面以磁拉力拖着转子以同步转速瑰旋转。于是转子上由励磁电流产生的励磁磁动势f f 及建 立的励磁磁场峨也以同步转速n s 切割定子绕组并在定子绕组中感应产生励磁电动势e o ( 励 磁电动势又称为空载电动势，这是因为电动机空载时的电枢电流很小，可以认为无电枢磁动 势) 。此外，电枢电流i 还会产生仅与定子绕组相交链的定子绕组漏磁通吼，并在定子绕组 中感应产生漏电动势e 。以及定子电枢电阻r s 上产生电阻压降i 。对于永磁同步电动机来 说，励磁磁动势是由永磁体产生的。 永磁同步电动机电动势平衡方程式式( 2 1 ) 为 u = 磊+ 包十易+ ，疋 ( 2 一1 ) 其中，电枢反应电动势e a 和漏电动势k 可表示为电枢电流i 的压降形式， e。=jlxa(2-2) e o = jix节(2-3) 将式( 2 - 2 ) 和式( 2 - 3 ) 代入式( 2 1 ) 中，则有 u = e ，+ j i x 万+ j i x q + i r s = e 、+ j l x s 七ir s 根据“双反应理论”，即将电枢磁动势f a 分解为直轴分量f a d 和交轴分量f 柏。( 直轴即 磁极轴线，交轴即在空间上落后于直轴9 0 度的轴线) 。而建立电枢磁动势f 。的电枢电流i 相应的分解为直轴分量l d 和交轴分量i q ，即( 式2 - 5 、2 - 6 ) 1 5 浙江大学硕十学位论文 f a = f 诅七f q i = l d + j i g 则永磁同步电动机的电压方程如式2 7 ， u = g o + ir | + j ix 叮七ji d x 耐+ j iq x 叼 = e o + ir s + ji dx d 七ji qx q 式中：、直轴、交轴电枢反应电抗( q ) ； 墨定子漏抗( q ) ； 髟、直轴、交轴同步电抗( q ) ； x d ：x 口d + x d xq ：x 吗 x oi 向量图如图2 2 所示。 i q id ( 2 5 ) ( 2 石) ( 2 - 7 ) 图2 2 电压方程向量图 电枢端电压u 与空载电势e o 之间的夹角称为功角0 ，u 超前e o 时，0 为正，u 滞后e o 1 6 浙江大学硕士学位论文 时，0 为负；电压u 与电流i 之间的夹角称功率因数够，i 滞后后u 时为正，i 超前u 时为 负：空载电势e o 与电流i 夹角为内功率因数角、l ，i 滞后e o ，、i ，为正，l 超前e o ，、i ，为负。 在电动机状态功角0 为正，在发电机状态功角0 为负。图2 2 中的夹角均为正。 根据向量图列出此时的电压方程： 己，0 0 s 秒= 岛+ 足+ 厶x ；( 2 8 ) 删螂郴； ( 2 9 ) 由式2 - 8 和式2 - 9 解得 ，r i u s i n 0 + x q ( 毛一u c o s 0 ) 厶= 百i 蕊_ = 业铲 一c t a n 等 ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 永磁同步电动机运行状态有两者含义： l 、感性与容性功率因数角为正时，永磁同步电动机工作在感性状态；功率因数角为 负时，永磁同步电动机工作在容性状态。 2 、去磁和增磁内功率因数角为正时，永磁同步电动机工作在增磁状态；内功率因数 角为负时，永磁同步电动