（电机与电器专业论文）永磁同步电动机转子磁场分析与计算.pdf

哈尔滨理t 人学t 学顾 ：学位论文 t h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no f m a g n e t i cf i e l df o rt h e r o t o ro fp m s y n c h r o n o u sm o t o r a b s t r a c t m a g n e t i cf i e l dn e e d e db ye l e c t r o m e c h a n i c a le n e r g ye x c h a n g ei np 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 ri sp r o v i d e db yp e r m a n e n tm a g n e t p e r m a n e n t m a g n e t i s ms y n c h r o n o u sm o t o rh a sl o t so fc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ， h i g hr e l i a b i l i t y , h i g he f f i c i e n c ya n dp o w e rf a c t o r , s m a l lv o l u m e ，l i g h tw e i g h ta n d s oo n c o m p a r e dw i t he l e c t r i cm a g n e t i s ms y n c h r o n o u sm o t o ra n dt h r e e - p h a s e i n d u c t i o nm o t o r ，p e r m a n e n tm a g n e t i s ms y n c h r o n o u sm o t o rh a ss p e c i a lv i r t u e 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 ri sd e v e l o p i n gf a s ti nt h e s ey e a r s ，a n dw i l l b ei m p o r t a n td i r e c t i o nf o rd e v e l o p m e n to fe l e c t r i cm o t o r t h e r ea r em a n yk i n d so ft h em a g n e t i cc i r c l es t r u c t u r ei nt h er o t o ro f p e r m a n e n tm a g n e t i s ms y n c h r o n o u sm o t o r sa n dt h el e a k a g em a g n e t i cf i e l di s c o m p l e x i nt h i sp a p e r , p u r p o s ea n dm e a n i n go fs t u d y i n gf o rp e r m a n e n t m a g n e t i s ms y n c h r o n o u sm o t o ra n dd e v e l o p m e n ti na n da b r o a da r ei n t r o d u c e d ， s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i co fp e r m a n e n t m a g n e t i s ms y n c h r o n o u sm o t o ri s d e f i n i t e t ob u i l t - i nt y p ep e r m a n e n tm a g n e tr o t a t o rm a g n e t i cp o l es t r u c t u r e ，r o t o r m a g n e t i c f i e l do fo n e18 k wp e r m a n e n tm a g n e t i s ms y n c h r o n o u sm o t o ri s s i m u l a t i o n a n a l y z e da n dc a l c u l a t e d o nc o n s i d e r i n gt h e e f f e c to fl e a k a g e m a g n e t i cf a c t o r ，t w od i m e n s i o na n dt h r e ed i m e n s i o ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l df i n i t e e l e m e n tm e t h o d sa r ea d o p t e d ，a n ds t a t i cr o t o rl e a k a g em a g n e t i cf i e l d sb e t w e e n t h ep o l e si nt h er o t o ra n da r o u n dt h ee n dw i n d i n g sa r ea c c o u n t e d al o to f c a l c u l a t i o ni sc a r r i e da n ds e r i e so fl e a k a g ec o e f f i c i e n tc u r v e sa r ea c h i e v e d ，t h o s e a r ep r e p a r e dt oi m p r o v ec o m p u t a t i o no fm a g n e t i cc i r c u i t a n dt h e nt h ek e yf a c t o r w h i c ha f f e c tl e a k a g ef i e l do ft h er o t o ri sf o u n d ，t h em e t h o da n da p p r o a c ho f i m p r o v eo nl e a k a g ef l u xa n df i n i t e e l e m e n tm o d e li sb u i l d t h r o u g hc h a n g i n g p a r a m e t e rw h i c ha f f e c t sr o t o rl e a k a g ef i e l ds i z et oc h o o s el o g i c a ls t r u c t u r eo f r o t o ra n dr e d u c ep e r m a n e n tm a g n e t i c l e a k a g ef l u x ，t h e u t i l i z a t i o nr a t eo f i i 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 p e r m a n e n tm a g n e t i ci si n c r e a s e da n dt h ed e s i g nc o s t so fm o t o ri sr e d u c e d a tt h e s a m et i m et h ef a b r i c a t et e c h n i q u e so fm o t o ri si m p r o v e d t w od i m e n s i o n sa n dt h r e ed i m e n s i o ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l df i n i t e - e l e m e n t m e t h o d sa r ea d o p t e dt or e s e a r c ht h ep r o t o t y p em o l do fp e r m a n e n tm a g n e t i s m s y n c h r o n o u sm o t o r a n dt h e nl e a k a g ec o e f f i c i e n ta n d i t sc o r r e l a t i o np a r a m e t e ra r e u s e dt od e s i g np r o c e s so fm o t o r t h em a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa r ec o n t r a s t e d ， w h i c hp r o v i d e dd e s i g nb a s i sa n df e a s i b l ep r o g r a mf o rs t r u c t u r ed e s i g no f p e r m a n e n tm a g n e t i s ms y n c h r o n o u sm o t o r k e y w o r d s p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o r ，l e a k a g ef i e l d ，f i n i t e e l e m e n t ，n o l o a df l u xl e a k a g ec o e f f i c i e n t 1 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文永磁同步电动机转子磁 场分析与计算，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不 包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：日期：2 0 0 9 年月同 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 永磁同步电动机转子磁场分析与计算系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期问在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工 大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或 部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名： 腾秀粕 参太弗 日期： 2 0 0 9 年争月了同 日期： 2 0 0 9 年够月岔同 哈尔滨理工人学t 学硕i j 学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的研究目的和意义 能源问题是二十一世纪的重点问题之一。电机作为电力能源最大的消耗对 象，而备受世界各国的关注。设计和开发出高效节能的电机对能源问题的解决 具有重要的推动作用。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，具有结构简单、可靠性高、效率高、功率因数高、体积小、重量轻等特 点。研制高效永磁同步电动机替代电励磁同步电动机和普通异步电动机，有利 于一些重工业行业的电机拖动节能改造，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，使永磁同步电动机在节能减排中 发挥重要作用。由于永磁同步电动机具有高效、节能等一系列优点，对永磁同 步电动机的开发和研究成为世界各国电机电器等相关产业以及科研院所的研究 孰占1 2 l 、v 磁场是电机实现机电能量转换的基础，永磁电机由安装在定子或转子上的 永磁体励磁，取消了电励磁绕组，与普通电机相比结构简单，尺寸和形状更加 灵活，但是却带来了磁场分布复杂，漏磁，磁通的不可控性及加工工艺复杂等 问题。本课题针对内置式永磁同步电动机转子磁极结构和设计计算的相关问 题，应用电磁场有限元法对永磁同步电动机的转子磁场进行了分析与计算，找 到了影响转子静态漏磁场分布的因素，为磁极结构的设计提供了依据和可行方 案。达到了充分发挥稀土永磁的优异磁性能，用最少的永磁材料和加工费用制 造出高性能的永磁同步电动机的目的。应用大型有限元仿真和分析软件，结合 现代设计方法提高了设计计算的准确度。为节能、高效、高性能的永磁同步电 动机的开发和推广奠定了基础。 用电磁场数值计算和分析取代传统的磁路计算，能够获得币确的磁场分 布，提高了计算的准确度和精度，可以准确的得到永磁同步电动机的参数和性 能。本文采用二维和三维电磁场有限元法，对转子磁场进行了分析和计算，得 到了永磁同步电动机的一个重要参数，即空载漏磁系数。为将来类似结构永磁 同步电动机的设计和开发提供一系列空载漏磁系数曲线，从而节省了设计时 间，以便对高效、高性能永磁同步电动机进行深入开发，为下一步超高效永磁 同步电动机的研究和开发做准备。 哈尔滨理t 大学t 学硕? 卜学位论义 1 2 永磁同步电动机的国内外研究现状 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。随着高性能永磁 材料的不断开发和相继问世，其优异的性能又使永磁电机的开发和应用得到迅 速发展。特别是第三代稀土永磁材料的研制成功后，为高效永磁同步电动机的 开发提供了重要条件。国内外利用稀土永磁的优异磁性能研制开发高效永磁同 步电动机已有2 0 多年的历史。1 9 7 8 年，法国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 - - - - 8 ，功 率因数提高0 0 5 0 1 5 ，起动转矩倍数为1 6 - - 一2 2 ，英国、前苏联、美国等也 相继推出类似系列，但功率普遍做得不大。 与电励磁电机相比，永磁同步电动机具有节能高效等一系列优点。永磁同 步电动机已成为电机行业的发展热点，随着应用领域的不断扩展，国内外研究 人员在永磁同步电动机的优化设计、性能分析方面作了很多研究工作，在电机 性能电磁场数值计算方面取得了大量的成果。 1 9 8 3 年，英国著名学者t j e m i l l e r 在墨西哥i e e e 会议上首次提出异步起 动永磁同步电动机的概念，并于次年在杂志上发表文章对异步起动永磁同步电 动机的工作原理进行了简要阐述口1 。 1 9 8 7 年，t o m m ys e b a s t i a n 发表了一篇关于永磁同步电动机调速系统的动 态建模的文章，从理论上系统分析了永磁同步电动机利用p a r k 模型随转子一 起旋转的d ，q ，0 系统。 1 9 9 0 年，加拿大学者m a r a h m a n 等给出了较为全面的异步起动永磁同步 电动机似稳态分析的等值电路。 1 9 9 4 年，英国学者b j c h a l m e r s 等提出永磁同步电动机采用“v ”型永磁体 结构，该结构在保证足够的起动笼设计空间的前提下增加了磁钢的有效利用体 积。 1 9 9 4 年，z h o ue 等发表了用有限元法计算永磁同步电动机参数和性能的 文章引，指出以往的不计永磁作用、不计交直轴交叉耦合影响，单独计算交直 轴电枢磁场求取电机参数的方法是不合理的。提出了采用负载法进行交直轴电 枢反应电抗计算，是参数真实反应负载时电机材料的饱和程度。 1 9 9 4 年，k u r i h a r ak 。在i e e e 上发表文章m 1 ，提出采用场路耦合时步有限 元法分析永磁同步电动机的稳态运行性能，探讨了由于谐波磁场存在而引起的 哈尔滨理t 人学工学硕l 学位论文 电流谐波和转矩波动问题，开辟了永磁同步电动机新的研究方法。 1 9 9 8 年，g e 公司提出一种新的转子结构：起动绕组内置，而永磁体分块 面贴，从而达到好的起动性能。 从8 0 年代起，国内学者对永磁电机也进行了大量的研究，沈阳工业大学 特种电机研究所的唐任远教授编著的现代永磁电机理论与设计一书中采用 以等效磁路解析求解为主，结合磁场数值计算的方法对多种永磁电机的原理、 结构、设计进行了研究，总结了近年来永磁电机的研究成果。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稀土永磁电机的特殊性，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化纤用外转子永磁同步电动机，这是一 种高速纺机，作变速卷绕头传动装置的专用电机，调速范围1 5 0 0 , 、- 9 0 0 0 f f m i n 或1 5 0 0 - - 1 2 7 2 0 r m i n ，调速平稳、性能稳定、运行可靠。 1 9 9 6 年，邱捷等发表用有限元法分析永磁同步电动机的文章8 1 。计算实 心转子永磁同步电动机的稳态电抗参数，动态转子参数和起动性能。 1 9 9 9 年，王秀和等发表用有限元法确定用永磁电机漏磁系数的文章| 9 1 。提 出了单位端部漏磁系数的新概念。 2 0 0 3 年，张东等发表关于u 形转子磁路结构永磁同步电动机极间漏磁分 析的文章。计算分析了u 形永磁体转子磁路结构永磁同步电动机的隔磁措施 对极问漏磁系数的影响。 2 0 0 4 年，窦满锋等发表高效节能稀土永磁同步电动机设计技术研究的文章 1 。提出了油田抽油机专用稀土永磁同步电动机的设计方法和特点。 2 0 0 5 年，王秀和等发表关于自起动永磁同步电动机齿槽转矩研究的文章 “引。提出了一种针对自起动永磁同步电动机的解析分析方法，得到了齿槽转矩 的解析表达式。 2 0 0 6 年，王步来等发表稀土永磁同步电动机的工程设计研究的文章引。提 出了适用于电机制造公司的工程设计方法。 随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁材料的热稳定性 和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永 磁电机开发经验的逐步成熟，除了大力推广和应用已有的研究成果，还促进了 永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面的广泛的应用，使稀土永磁电 机的研究开发进入一个新阶段。一方面，正向大功率( 高转速、高转矩) 、高 功能化和微型化发展。另一方面，促使永磁电机的设计理论、计算方法、结构 工艺和控制技术等方面的研究工作出现了崭新的局面，有关学术论文和科研成 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 果大量涌现，形成了以电磁场数值计算和等效磁路求解相结合的一整套分析研 究方法和计算机辅助设计软件。在永磁电机电磁场有限元软件方面，研制具有 友好用户界面、充分考虑永磁特性、结构复杂性等特点的软件成为热点。国内 外学者在这方面做了许多工作，在国内沈阳工业大学、西北工业大学、合肥工 业大学、东南大学以及北京飞箭软件公司等一些单位在这方面都做了有益的探 索并取得了相应研究成果n 4 1 5 1 引。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题针对永磁同步电动机的转子磁极结构的特点，采用二维和三维电磁 场有限元法对转子磁场进行了分析和计算，将所得结果与样机实验数据对比， 验证了该方法的正确性和精确度。同时，在总结前人研究成果的基础上，进一 步分析了影响转子漏磁场分布的因素，对转子磁路结构和设计进行了有益探 索。所做的具体工作有以下几个方面： 1 以一台1 8 k w 8 极永磁同步电动机为例，建立其二维、三维电磁场数学 模型和有限元模型，采用大型有限元分析软件对其进行电磁场分析； 2 多角度、多侧面地综合表达了二维、三维磁场的场矢量图； 3 利用电磁场有限元分析和计算结果，求得了永磁同步电动机空载漏磁 系数； 4 通过改变影响永磁同步电动机空载漏磁系数的参量，进行了大量的计 算，得到一系列空载漏磁系数曲线； 5 将采用二维、三维电磁场有限元法计算的空载漏磁系数的结果代入永 磁同步电动机的设计程序，得到性能参数进行对比。 第2 章永磁同步电动机的基本理论 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它由永磁体提供 机电能量转换所需要的磁场，替代后者的励磁绕组励磁，使电动机的结构较为 简单，运行的可靠性、效率和能量密度显著提高。目前国内外对稀上永磁同步 电机设计和研究主要集中在结构设计方面，转子结构是稀土永磁同步电动机设 计的关键和核心。选择合理的转子磁极结构，在保证稀土永磁同步电动机起动 性能的前提下，提高力能指标，减小永磁体用量，是稀土永磁i 司步电动机设计 的主要任务。因此掌握永磁同步电动机的结构及设计特点是相当重要的。 21 永磁同步电动机的总体结构 水磁同步电动机与其它旋转电机一样，也由定子、转子和端盖等部件组 成，定转子之日j 存在空气隙。以一台1 8 k w 8 极样机为例给出永磁同步电动机 结构示意图，如图2 - 1 所示。 定子铁心；2 一定子槽；3 一转子槽：扛转子铁心；5 一永磁体：6 一轴 圈2 - 1 永磁同步电动机结构示意幽 f i g2 1s t r u c t u r ed r a w i n go f 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 211 定子结构 永磁同步电动机的定子结构与感应电动机相同。为减小磁场引起的涡流损 耗和磁滞损耗，定子铁心通常由o5 m m 厚的硅钢片叠压而成，上面冲有均匀 哈尔滨理f t 人学t 学硕卜学位论文 分布的槽，内嵌三相对称绕组。定子槽型通常采用半闭口槽，如图2 2 所示， 其中梨形槽的槽面积利用率高，冲模寿命长，且槽绝缘的弯曲程度较小，不易 损伤，应用广泛。定子绕组由圆铜线绕制而成，通常采用星形接法的双层短距 绕组以避免电动机绕组中产生环流，并削弱电动势谐波，减小杂散损耗。 a ) 梨形槽 b ) 梯形槽 图2 - 2 定子槽形 f i g 2 2s h a p eo fs t a t o rs l o t 为提高零部件的通用性、缩短开发周期，在进行永磁同步电动机设计时， 常常选用感应电动机的定子冲片、机壳、端盖和轴等。 2 1 2 转子结构 按照转子是否有起动笼，可将转子结构分为实心永磁转子和笼型永磁转子 两种。实心永磁转子结构铁心由整块钢加工而成，上面铣出槽以放置永磁体。 这种结构靠旋转磁场在转子铁心感应的涡流产生的转矩起动，无需起动绕组。 有时为提高起动转矩，采用表面镀铜的方法增大涡流。 笼型永磁转子是最常见的结构，转子铁心由0 5 m m 厚的硅钢片叠压而 成，上面冲有均匀分布的槽，通常采用半闭1 3 槽，如图2 - 3 a ) - d ) 所示。小功率 电动机可采用图2 3 a ) 、图2 - 3 b ) 所示的槽型。为增强集肤效应、提高起动转 矩，可采用图2 - 3 c ) 所示的凸形槽和图2 - 3 d ) 所示的刀形槽。但由于转子上要放 置永磁体，槽一般不深，电流的趋肤效应没有同功率感应电动机那么明显。图 2 - 3 e ) 、图2 - 3 f ) 所示的闭口槽也有一定的应用，它可以简化冲模制造、减小杂 散损耗，且不影响运行时的功率因数，但转子漏抗较大，对起动性能有一定影 响。需要注意的是，当选用内置径向式转子磁极结构且转子槽形尺寸较小时， 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。 哈尔滨理t 大学t 学硕七学位论文 a )b ) c )d )e ) 图2 - 3 转子槽形 f i g 2 - 3s h a p eo fr o t o rs l o t 感应电动机中通常采用转子斜槽，但在永磁同步电动机中，鉴于因有永磁 体槽而不便斜槽，一般将电动机的定子叠片沿轴向扭斜一定距离以削弱谐波， 减小电动机杂散损耗和附加转矩。 转子笼型绕组有铜导条焊接式和铸铝式两种。前者在转子槽内插入铜导 条，在转子铁心两端各放置一个铜端环，将铜端环和导条焊接在一起；后者采 用离心铸铝或压力铸铝工艺，将导条、风扇和端坏一次铸出。与焊接法相比， 铸铝式具有工艺简单、成本低的优点，因此永磁同步电动机通常采用铸铝转 子。永磁体的固定方式有两种：一是在永磁体上涂树脂，然后插入转子铁心， 树脂凝固后将永磁体和转子铁心固定在一起；二是先将永磁体插入转子铁心， 然后在铁心两端加非磁性端环，端环固定在转子铁心上n 7 1 引。 2 2 永磁同步电动机的转子磁极结构型式 永磁同步电动机转子磁极结构不同，则其运行性能、控制系统、制造工艺 和适用场合也不同。永磁同步电动机可采用多种转子磁极结构，通常永磁体放 置在转子上，其放置的方式影响到气隙磁通、漏磁乃至电机的性能，是永磁同 步电动机设计中的核心问题。 根据永磁体在转子上放置的位置不同，分为表面式和内置式两种转子磁极 结构。 2 2 ，1 表面式转子磁极结构 表面式转子磁极结构永磁体用高强度非导磁圈固定在笼型转子的外部，磁 极之问可以用非导磁材料，如树脂、铝、铜等填充，也可用导磁材料填充，其 结构如图2 4 所示。这种结构中，永磁体通常呈瓦片形，永磁体提供磁通的方 向为径向，且永磁体外表面与定子铁心内圆之间一般仅套以起保护作用的非磁 哈尔滨理t 人学t 学硕十：学位论文 性圆筒，或在永磁磁极表面包以无纬玻璃丝带作保护层。当极数较少时，每极 永磁体圆弧角度较大，材料利用率低、a n - r _ 困难，可以采用拼块式结构，由多 块永磁体拼成整个磁极。表面式转子磁极结构的缺点是：导条在转子内部，产 生的异步转矩较小，仅适合于对起动性能要求不高的场合。 2 a )b ) l 一铁心；2 一永磁体：3 一导条；4 护环；5 一极间填充物；6 轴 图2 - 4 表面式转子磁极结构 f i g 2 4s t r u c t u r eo fr o t o rs u r f a c e dm a g n e t i cp o l e 2 2 2 内置式转子磁极结构 2 在内置式转子磁极结构中，永磁体位于导条和铁心轴孔之间的铁心中，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，起动阻尼或( 和) 起动作用，动、稳态性能好，广泛用于要求有 异步起动能力或动态性能高的永磁同步电动机。 按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子磁极结构可分 为径向式、切向式和混合式三种。 1 径向式结构径向式结构是指稀土永磁体产生的磁通方向是沿转子圆的 半径方向，优点是漏磁路磁阻较大，漏磁系数小，转轴上不需采取隔磁措施， 极弧系数易于控制，转子冲片的机械强度高等。如图2 。5 所示为典型的径向式 转子磁极结构，其永磁体轴向插入永磁体槽并通过隔磁磁桥限制漏磁通，结构 简单，运行可靠，转子机械强度高，近年来得到广泛应用，其中图2 - 5 a ) 所示 径向式结构为美国的专利，图2 - 5 b ) 所示的v 形结构最早见于英国某产品中， 该结构有效的利用了转子空间。 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 a ) b ) l 转轴；2 永磁体槽；3 一永磁体；4 转子导条 图2 5 内置径向式转予磁极结构 f i g 2 - 5m a g n e t i cc i r c u i ts t r u c t u r eo f t h ei n s i d er a d i a lr o t o r 2 切向式结构切向式结构是指稀土永磁体产生的磁通方向是沿转子圆周 的切线方向，这种结构的漏磁路磁阻相对小一些，漏磁系数较大，并需采取相 应的隔磁措施，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，尤其是当电动机极数较多、径向结构不能提供足够的每极磁通 时，该结构的优势更为突出。图2 6 所示为两种典型的切向式转子磁极结构， 其中图a ) 所示切 a )b ) l 一转轴；2 一空气隔磁槽；3 一永磁体：仁转子导条 图2 - 6 内置切向式转子磁极结构 f i g 2 6m a g n e t i cc i r c u i ts t r u c t u r eo f t h ei n s i d et a n g e n t i a lr o t o r 哈尔滨理t 大学t 学硕一卜学位论文 向结构永磁体内侧采用非磁性套筒或非磁性转轴；图b ) 所示切向结构利用空气 隙隔磁，省去了图a ) 中的隔磁套，转子冲片具有整体性，当励磁不足时还可在 隔磁槽中放置永磁体来增加励磁。 3 混合式结构混合式结构集中了径向式和切向式转子磁极结构的优点， 但其结构和制造工艺均较复杂，制造成本较高。 a ) b 、 c ) d ) l 一转轴：2 一永磁体槽；3 一永磁体；4 一转子导条 图2 7 内置混合式转子磁极结构 f i g 2 6m a g n e t i cc i r c u i ts t r u c t u r eo ft h ei n s i d em i x e dr o t o r 如图2 7 所示为四种典型的混合式转子磁极结构，其中图a ) 所示结构是由 德国西门子公司发明的，需采用非磁性转轴或采用隔磁铜套，主要用于剩磁密 度较低的铁氧体永磁同步电动机，随着永磁材料的高速发展，这种结构已失去 其优势；图b ) 所示结构近年来用得较多，也采用隔磁磁桥隔磁，这种结构的径 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 向部分永磁体磁化方向长度约是切向部分永磁体磁化方向长度的一半；图c ) 和 d ) 是由图2 5 径向式结构衍生来的两种混合式转子磁极结构，其永磁体的径向 部分与切向部分的磁化方向长度相等，也采取隔磁磁桥隔磁。图2 - 5 a ) 和b ) 、 图2 - 7 c ) 和d ) 这四种结构中，转子依次可为安放永磁体提供更多的空间，空载 漏磁系数也依次减小，但制造工艺依次更复杂，转子冲片的机械强度也依次有 所下降引。 2 。3 永磁同步电动机的转子磁极结构的选择原则 无论何种磁极结构，都需要放置足够的永磁体。在保证永磁体放置空间的 前提下，尽量选用结构简单、机械性能好、隔磁效果好的磁极结构。内置式永 磁电机的磁极结构多种多样，各有其特点，永磁同步电动机设计的第一步就是 选择合适的转子磁极结构，转子磁极结构的选择原则如下： 1 能放置足够多的永磁体以保证电机的性能。要保证电机性能，必须保 证一定的气隙磁密，气隙磁密与每极永磁体的宽度直接相关，每极永磁体的宽 度越大，聚磁效果就越明显，气隙磁密越高。但需要注意的是，在设计永磁同 步电动机时，往往采用感应电动机的定子冲片，气隙磁密的提高必然引起定子 齿部和轭部磁密的提高，从而导致铁耗的增加，必要时需要重新设计定子冲 片。 2 隔磁措施要可行。由于内置式永磁同步电动机的永磁体在转子铁心内 部，漏磁较大，永磁体利用率低，必须采取相应的隔磁措施。隔磁使转子结构 趋于复杂、机械强度变差，因此在保证隔磁效果的前提下，隔磁措施越简单越 好。常用的隔磁方式如图2 8 所示，其中图a ) 采用非导磁轴和隔磁磁桥隔磁， 图b ) 采用空气槽和隔磁磁桥隔磁，轴可采用导磁材料，图c ) 为用转子槽和永磁 体槽之间的隔磁磁桥隔磁。图中虚线圈起的铁心部分为隔磁磁桥，隔磁磁桥很 窄，通过较小的磁通就可以使其达到饱和，从而限制漏磁，磁桥的宽度越小， 隔磁效果越明显，但机械强度越差，通常为1 1 5 m m 左右| 2 1 黜1 。 3 要有足够的机械强度。 4 交、直轴同步电抗及其比例x 。x d 要适当。 哈尔滨理t 大学t 学硕七学位论文 2 6 a ) b )c ) l 一转子铁心；2 轴；3 永磁体；4 一隔磁磁桥；5 一空气槽；6 转子槽 图2 8 常用的隔磁方式 f i g 2 - 8c o m m o nm e t h o d so fm a g n e t i ci s o l a t i o n 2 4 永磁同步电动机的设计特点 与感应电动机相比，永磁同步电动机性能方面有诸多优点，但在产品种 类、使用场合和设计技术的成熟度方面都存在一定差距。永磁同步电动机主要 应用于要求高效节能的场合替代感应电动机，因此其设计的目标是高功率因 数、高效率、高起动品质因数( z ，j 。) 、经济性好、可靠性高。永磁同步电动 机电磁设计的主要任务是确定电机主要尺寸、选择永磁体材料和转子磁极结 构、设计定转子的冲片和绕组数据等设计参数以满足设计要求。 在永磁同步电动机设计工作中应注意以下几个方面的问题。 1 对于用在航空、航天等军工领域的各种稀土永磁同步电动机，除了必 须保证要求的功率和转速之外，还应该保证尽量小的体积重量，适应大幅度变 化的环境温度( 6 0 。c + 8 0 ) ，以及高空、高速运行的高可靠性。为了保证上 述特定要求，通常应选择较高的电磁负荷；选用适宜于高温工作的稀土钴永磁 体；选择高饱和软磁材料以及高温绝缘介质( 漆包线、槽绝缘以及浸渍漆) ；转 子外常热压一个紧圈；力求使电机各部分有效材料的利用恰到好处。这类电机 的价格因素常常是放在第二位的； 2 高效节能是稀土永磁同步电动机的基本特点，对高效节能要求较高的 场合，当电机负荷变化不大时，只需将电机的最高效率点设计在额定点附近即 可。当电机负荷变化范围较大时，就需要充分考虑在较大的负荷范围内取得较 高的效率，此类电机一般针对性强，设计复杂，但能充分利用稀土永磁同步电 哈尔滨理- 丁人学t 学硕 ：学位论文 动机高效节能的特点； 3 在一般民用场合，常常需要考虑成本问题。这类电机可选用能够满足 要求的价格相对低廉稀土永磁体，如铁氧体永磁体或钕铁硼永磁体等，并力求 提高永磁体利用率；绝缘材料常用e 级或f 级，与稀土永磁体的允许工作温度 相匹配；一般情况下，这类电机无需设置紧圈，只需考虑转子本身的结构强 度； 4 要注意永磁体在高温或低温状态时的不可逆退磁问题，选择合理的工 作点，提高永磁体工作点的磁能积，使永磁体的利用率提高； 5 当用户有严酷的起动性能要求时，常以选用交、直轴电枢反应电抗较 接近的转子结构为好；而对于强调力能指标的应用场合，可以用具有明显凸极 结构的转子形式： 6 在进行转子结构设计时，需兼顾稀土永磁体和鼠笼条的放置空间； 7 针对稀土永磁同步电动机转子结构的复杂性，用有限元法对稀土永磁 同步电动机的设计方案进行磁场分析心渊1 。 2 。4 1 主要尺寸和气隙长度的选择 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 内径口，和电枢计算长度厶，。一般来说，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的电动机同中心高，故可在原 来电动机主要尺寸的基础上进行初步的估算，然后再调整设计，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待定的定子冲片，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，再由电动机的功率和电机常数选择电枢计算长 度b ； 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很多。根据预估的电磁负荷，由电动机的功率和转 速可选定电动机的珑t ，然后凭经验选取一定的主要尺寸比三q ，得出电 动机的主要尺寸。一般来说，如无其它限制，电动机的主要尺寸比应选小一 点，以便于转子内部放置更多的永磁材料心5 1 。 哈尔滨理t 大学t 学硕 ? 学位论文 在感应电动机中，为减小励磁电流、提高功率因数，通常使气隙长度尽可 i l l , j , ，而在永磁同步电动机中，功率因数可以通过调整绕组匝数和永磁体进行 调整，气隙长度对杂散损耗影响较大，因此通常比同容量的感应电动机气隙长 度大0 1 0 2 m m 。在永磁体尺寸一定的前提下，适当增大气隙，对每极基波 磁通影响较小。 2 4 2 定、转子槽数的选择 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。在选择槽配合时，通常遵循以下原则。 1 考虑到转子磁路的对称性，转子槽数q 2 为极数的整数倍，且采用多槽 远槽配合： 2 为避免起动过程产生较强的异步附加转矩，应使q ：1 2 5 ( q ，+ p ) ： 3 避免产生同步附加转矩，应使q q ，鲮q l p ； 4 为避免单向振动力，应使q 2 q 1 + 1 ，q q 1 p l 。 鉴于永磁同步电动机转子因有永磁体槽而不便斜槽，一般将电动机的定子 叠片沿轴向扭斜一定距离以削弱谐波，减小电动机杂散损耗和附加转矩。具体 所斜距离应根据需要消除的谐波次数来定。比如，有些电动机采用的斜槽距离 k 。 ，1f 缸= 毒生 ( 2 一1 ) 场十p 式中：为定子齿距，单位：i l l n l 。 2 4 3 转子设计 永磁同步电动机可采用多种转子磁极结构，设计时应根据待设计电动机的 具体性能指标按照不同转子磁极结构的特点选用，或者研究、开发新的转子磁 极结构。 由于永磁同步电动机的转子导条主要用于起动，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 定转予槽形时就应注意不能使电动机接近同步转速时的t 一刀特性曲线陡度过 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。理论上永磁同步电动机可采用任一种感应电动机的转子槽 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 形，但当选用的内置径向式转子磁极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 和提高电动机的起动品质因数心6 2 7 1 。 永磁同步电动机的转轴可由电动机的转轴确定或参考同规格的感应电机的 转轴尺寸确定。由于永磁体是从转子端部放入转子铁心的，从工艺方面考虑， 通常永磁同步电动机转子上永磁体槽与永磁体之间( 磁化长度方向) 留有一定的 间隙，其大小取决于冲片的加工和叠压工艺水平，通常为0 1 o 2 m m 。 2 。4 。4 永磁体设计 现代永磁电机中，稀土永磁应用广泛，但价格相对较高，因此在永磁体设 计时应充分发挥永磁材料的作用，用尽可能少的永磁体获得所需要的特性。 1 永磁体的形状永磁体的形状与所选择的磁极结构有关，对于表面式磁 极结构，多采用瓦片形永磁体：对于内置式磁极结构，多采用矩形永磁体。 2 磁极结构一般根据本章2 3 永磁同步电动机的转子磁极结构的选择原 则，并考虑电机的应用场合和实际工况，进行磁极结构的选择。 3 永磁体尺寸的确定永磁体的尺寸主要包括永磁体的轴向长度厶，磁 化方向长度吃和面积s ，。永磁体轴向长度一般取与电机轴向长度相等或稍小 于铁心轴向长度；对于稀土钻永磁材料和常温下的钕铁硼永磁材料，永磁体磁 化方向长度和面积的选择，可利用式( 2 2 ) 粗略估算。 式中：k 。为外磁路的饱和系数；k 占为气隙系数；b 为气隙磁密；万为气隙长 度；a 。= 4 刀1 0 。7 h m 为真空磁导率；h 。为矫顽力；c r o 为空载漏磁系数；& 为每极气隙的面积：b ，为剩磁密度。 除要求永磁体具有合适的尺寸公差外，还要求永磁体在使用前先进行老化 处理和表面涂层处理，计算时所用的应为材料老化处理后工作温度下的数值。 万一 互 彬一也一髟w一朋m一耳 堕塾 m 吃 s 哈尔滨理i t 大学t 学硕i ? 学位论文 2 4 5 电枢绕组设计 永磁同步电动机的绕组可采用与普通交流电动机一样的三相绕组。由于永 磁同步电动机由永磁体励磁，气隙磁场谐波较多。因此为设计高性能的电动 机，必须在绕组上采用一定的措施。永磁同步电动机通常采用y 接的双层短距 绕组以避免电动机绕组的环流，并削弱电动势谐波。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 5 本章小结 本章详细地介绍了永磁同步电动机的结构、转子磁极结构的选择原则和设 计特点。首先介绍了永磁同步电动机的总体结构，在掌握了永磁同步电动机总 体结构的基础上重点针对转子磁极结构展开了论述，比较了各种转子磁极结 构，分析出各种结构的优缺点、应用范围和发展趋势。最后介绍了转子磁极结 构的选择原则和设计特点，为永磁同步电动机的设计和研究提供了重要的理论 基础。 哈尔滨理t 人学丁学硕i j 学位论文 第3 章永磁同步电动机转子磁场有限元分析 在永磁同步电动机设计中，磁场分析是极为重要的。它是电机设计与计算 的基础，直接影响到所设计的永磁同步电动机的性能。在常规的电机设计中， 一般是将磁场简化为磁路来计算，同时引入一些修j 下系数，将电机中复杂的磁 场问题进行简化和近似，转化为一些集中参数，再利用等效电路计算电机的性 能。 然而，随着电机技术的不断发展，新结构、新原理的电机不断出现，尤其 是在永磁电机中，磁极结构多种多样、磁场分布复杂，给磁路计算带来了较大 的困难，难以得到准确的磁路计算结果。要保证设计计算的准确性，需要进行 磁场的数值计算与分析。 电机磁场数值方法包括有限元法、有限差分法、边界单元法等，目前应用 最广泛的是有限元法。本文在充分考虑转子磁极结构及特点的基础上，基于有 限元法对永磁同步电动机转子漏磁场进行分析与计算。 3 1 有限元分析法 3 1 1 有限元分析法的特点 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 由美国的c l o u g h 于1 9 6 0 年在一篇题为 “平面应力分析的有限元法”的论文中首先提出。以变分原理为基础建立起来的 有限元法，因其理论依据普遍性，经过近五十年的发展，不仅被广泛地应用于 各种结构工程，而且作为一种声誉很高的数值计算方法已被普遍推广并成功地 用来解决其它工程领域中的问题，例如热传导、渗流、流体力学、空气动力 学、土壤力学、机械零件强度分析和电磁场工程问题等。