（电机与电器专业论文）内置式永磁同步电动机的设计与分析.pdf

东南人学硕i 二学位论文 a b s t i 矾c 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 ( p m s m ) h a v em a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l e c o n f i g u r a t i o n , 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 ot h e yma p p l i e dw i d e l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ep a r a m e t e r sa n dp e r f o r m a n c e so f p m s ma r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d ，a n da1 5 k wp m s mi s d e s i g n e d t h es o f t w a r ei sm a d e 。w h i c hi su s e dt od e s i g na n da n a l y z ep m s mb yc i r c u i t - f i e l d c o m b i n e dm e t h o d f i r s t l y , am a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s mi sm a d ei nd q oc o o r d i n a t e s a n dt h eo p e r a t i o n p e r f o r m a n c e s8 4 ea n a l y z e d s e c o n d l y ，af e mt w o - d i m e n s i o nm o d e lo nt h eb a s i so fa n s y si sm a d e t h ep a r a m e t e r s ， i n c l u d i n gn o - l o a dl e a k a g em a g n e t i cf a c t o r , p o l ea t ef a c t o r , d - a x i sa n dq - a x i sr e a c l m l c e , a r c c a l c u l a t e d ，a n dt h ep a r a m e t e r sa r eu s e di nt h em a g n e t i cc i r c u i tc a l c u l a t i o n sb a s e dm lt h e c i r c u i t f i e l dc o m b i n e dm e t h o d a p d lp a r a m e t e rl a n g u a g e sf o ru ，wr o t o rm a g n e d cc i r c u i t s t r u c t u r e sa g es e p a r a t e l ym a d ei nt h em a g n e t i cf i e l da n a l y s i s t h i r d l y ，t h es o f t w a r ei sm a d et or e a l i z ed e s i g na n da n a l y s i so fp m s mb yf i e l d c i r c u i t c o m b i n e dm e t h o d t w oi n t e r f a c ep r o g r a m sa l ee s t a b l i s h e dw i t ht h es o l , w a r e o n ei st oc o n n e c t a n s y sa n dt og e ts o m ep a r a m e t e r s ，a n o t h e ri st oc o n n e c tm a t l a ba n dt os i m u l a t et h es t a r t i n g c h a r a c t e r i s t i e so ft h em o t o r a tt h es a m et i m e t h ep r o g r a m st or e a l i z em e d e lm o d i f i c a t i o na n d r e s u l t sd i s p l a ya r ea l s oe s t a b l i s h e d t h es h a p e sa n ds i z e so fs t a t o r s ，r o t o r sa n dp e r m a n e n t m a g n e t sc o i lh ed i r e c t l ym o d i f i e di nt h es o f t w a r e t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t sa n dt h ep e r f o r m a n c e c a l v e se a r lh ed i s p l a y e d a f t e rt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l di sc a l c u l a t e db yt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) t h ed i s t r i b u t i o n so fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n df l u xd e n s i t ym a l s og a i n e da n d d i s p l a y e d l 罄t l y , t h ee f f e c t so f t h es t r u c t u r e so f p m s mo nt h eo e r f o r m a u c e sa r ea n a l y z e di nd e t a i l k e yw o r d s ：p m s m ，c i r c u i t f i e l dc o m b i n e dm e t h o d , f e m ，a n s y ss o f t w a r e ，s i m u l a t i o n l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师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，也不包含为获得东南大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。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。 研究生签名：i 星j 日期：j 塑尘，万 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印什和电了文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研黜签名：缝盈导师签名：弛型踅 日期问m 第一牵绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及选题意义 钕铁硼( n d f e b ) 稀十永磁材料从2 0 世纪8 0 年代中后期产生以来已经成为国民经 济各产业尤其是电子和汽车i ：业的一种不可替代的基础材料，属国家鼓励发展的新材料， 被广泛_ l j 丁电子、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。我国的稀十产量居世界首位，其中，国内_ j 簟约占总产量的l ，3 。 用丁电机的比例更低。与传统电机比较，稀十永磁同步电动机无需电流励磁，不设电枢和 滑环，结构简单，可靠性高。同时转子上无励磁损耗，无电刷和滑环之间的摩擦损耗和接 触电损耗，效率比电磁式同步电动机高。永磁同步电动机结构多样，可以根据需要选择不 同的转子结构形式。在一定的范围内，可以比电磁式同步电动机具有更小的体积和重域。 与异步电机相比，永磁同步电动机运行时无滑筹，转子上无基波铁耗和铜耗，为双边励磁 电机，功率冈数可高达l 。功率冈数的提高，一方面减少了无功功率，另一方面也使定子 电流f 降，定子铜损耗减小。效率提高。因而，稀十t 永磁同步电动机作为开发重点，是充 分利川本十资源推进现代化步伐的一个有效措施1 1 1n 1 4 j i ”。 近年来，作为宵能产品，稀十永磁同步电动机的应用越来越，“泛。对稀十永磁同步电 机的开发和研究也成为世界各国电机电器相芙产业以及科研院所的研究热点，对稀十永磁 同步电机的设计、控制、精确性能分析成为研究的土要内容。由f 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人的 变化，所以永磁同步电机的分析计算要比酱通电机复杂，研究有效的永磁同步电机分析设 计方法十分必要。 此外，稀十永磁电机磁性能优异，结构特殊而多种多样，传统电机的设计理论、计算 方法和设计参数已经不能适应设计研制高性能电机的需求，需要运 现代设计方法完善和 发展稀十永磁电机的设计理论、磁路结构和计算方法，在此基础上建立i ：程实用的电磁设 计计算程序和计算机辅助计算机软件包，包括电磁场分析计算、电感参数计算、动态性能 仿真和优化设计等。 1 2 国内外研究进展情况 1 8 3 1 年，世界上出现的第一台电机是由b a r l o w 发明的永磁电机，但是，由于当时采 用的天然磁铁磁性能太著，永磁体的磁能积很低，制成的电机体积庞大而容晕很小，很快 被电励磁电机所取代。到二十1 进纪2 0 年代美国g e 公司利用铁氧体磁钢研制出一系列微 型永磁同步电动机，但功率很小。到了二二十世纪6 0 7 0 年代，第一代和第二代稀十钐钴永 磁材料s m c 0 5 ，s m c 0 1 7 相继问世，其优异的磁性能使得永磁电机的发展呈现出新的、繁 荣的生机，但是钐、钴均为稀有金属，价格昂贵，给实际麻用带来了困难。 1 9 8 3 年，日本住友特殊金属公司、美国通用汽车公司分别研制成功n d f e b 稀十永磁 材料，国际上称为第二代稀十永磁材料。n d f e b 磁钢磁能积高，性能优越，而且原材料丰 富，价格较便宜。从1 9 8 4 年起，各i ：业发达国家竞相研制高性能永磁电机。日本住友公司 和美国通用电气公司分别批量制造用于计算机外存储器的音罔电机及n d f e b 永磁汽车起 动电机。德国【 l i 门子公司经十多年努力，采刚多种结构，研制成功用于化纤工业的高速永 磁电动机和_ f j 于交流调速系统的永磁同步电动机。 8 0 年代前后，应_ f jn d f e b 材料制造高性能永磁同步电动机的研究发展很快。其中对 东南入学硕i ：学位论文 予l i i | 定频率下永磁同步电动机的运行特性、自起动特性的研究，发表了较多的论文0 - 4 1 ，对 电机稳态特性分析沿_ i j 的方法与传统交流电机的分析方法相近。 8 0 年代期间。国际匕发表了大域永磁电规的论文，对永磁同步电动机的数学模型建立、 稳态特性和动态特性分析进行研究1 5 - 6 j 。 1 9 8 6 年，t o m ys e b a s t i a n 发表了永磁同步电动机( p m s m ) 建模的文章i ”。 1 9 8 7 年，t o m y s e b a s t i a n 义发表了关于永磁同步电动机调速系统的动态建模的文章嗍， 从理论上系统分析了随转子一起旋转的d q 0 坐标系卜永磁同步电动机的p a r k 模型，他将 d ，q 轴等效绕组作为两个无耦合、参数恒定的独立部分来处理。 b s n e y e r s 等学者最早提出了在建立p m s m 数学模型时。考虑到由电机电枢电流交轴 分鬣引起的交义耦合问题 9 1 。其中，f p a r a s i l i t i 等采用有限元法研究p m s m 的模型，同时 计及磁路交义饱和的影响修正电机模璎，被认为是较为有效的分析研究方法i i 。i 。 在高性能永磁电机产器方面。国外利用稀十永磁材料的优异性能研制开发高性能永磁 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 稀十钻永磁同步电动机，效率比一般异步电动机高2 8 ，功率因数提高0 0 5 o 1 5 ， 但因当时采_ i j 钐钴永磁体成本太高，未能推，“应用 我国许多高校如清华人学，西北一i ：业人学、沈阳丁业大学和科研单位，自1 9 8 0 年开始 就进行高性能永磁同步电动机的研制，取得了明显的效果。先后开发了用于纺织行业中织 布机、化纤机械、风机泵类的多种规格和型号的高性能钕铁硼永磁同步电动机产品，取得 了良好的社会经济效益，特别是0 8 k w 纺织专用永磁同步电动机，效率高达9 1 ，功率因 数高y - 0 9 5 符电率高达1 0 以上。 随着永磁电机的j “泛应用，其研究内容也越来越广。目前。国内外对永磁同步电机的 研究主要有以f j l 个方面： ( 1 ) 结构设计研究 由丁稀卜永磁材料具有 挺高的剩磁密度和矫顽力，故充磁方向很薄的永磁体就可提供 较高的气隙磁密和磁势。因此。除了传统的径向磁路结构外，当极数较多时。可采用切向 磁路结构或混合式结构。目前，国内外部在研究永磁同步电动机的各种转子形状，其设计 准则都是通过增加磁通、减弱电枢反应或高速运行来提高效率和功率密度。 ( 2 ) 优化设计 在稀十永磁材料价格昂贵的情况下，麻考虑如何合理地选择永磁体的工作点，使之在 满足电机性能指标前提卜，所用的永磁材科最少，即电机的成本最低或体积最小。由于永 磁体尺寸大小直接影响电机的各项性能指标，冈而可直接选用永磁体形状作为设计变晕， 而将其他尺寸都只j 这些变链来表示。在约束条件中，电抗参数，定子齿部和轭部磁密、定 子电密、起动电流以及槽满率等都虑限制在一定范围内，而效率、功率因数和起动转矩等 则应人于某一给定值。 ( 3 ) 磁场分析计算和数值方法的研究 永磁电机设计中，除了电机新结构的发明创造外，最重要的发展可说是用有限元方法 进行磁场计算。为了充分发挥永磁材料的优异性能，永磁电机的结构和传统电机有很人的 差别。计算永磁电机性能时不但不能套用传统的磁路计算方法，而且和一般电机磁场分 析也有很大的不同。永磁电机结构复杂，永磁材料的磁特性为各向异性等，这些都给磁场 分析带来了新的课题。对丁某些人容鼙或特殊结构的稀土永磁电机，为了提高它的设计精 度，不仅要进行二维磁场分析，还需进行三维磁场分析；不但要进行静态磁场分析，还要 进行瞬变磁场分析。 ( 4 ) 测砖技术的研究 由于永磁电机由永磁体励磁，磁场不能调节。而且有一些永磁电机需要充磁后再装配 2 第一章绪论 和检测，因此某些传统的参数和性能测试方法不能直接应用。近年来，永磁电机的测试技 术得剑了很大的发展，例如电机稳态和暂态参数的测定、电机端部三维静磁场的测试等。 永磁同步电动机交、直轴参数。特别是超瞬变参数的分析和测试方法是当前的重要研究课 题。 随着稀十永磁电机电磁结构越来越复杂，其霞计和制造t 艺需不断地进行创新，使制 造：艺更加先进实_ 【i j 。需运h j 多学科理论和系统i j 犟进行优化设计，提高电机的性价比， 使计算结果更为精确，促进电机学科和行业的进一步发展。 1 3 课题研究的主要内容 本文运_ 【1 1a n s y s 有限元分析软件建立电机二维模璎，对其进行静态分析，然后采用 场路结合法计算永磁同步电动机的磁路。在此基础上，编制了一套较完善的基于场路结合 法的稀十永磁同步电动机设计分析软件。并且。在异步电机条件的基础上，派生设计了一 台1 5 k w 的稀十永磁同步电动机。 研究内容主要包括以卜几部分： 1 、运用有限元分析软件a n s y s 建立电机二维模型，进行电磁场数值计算。计算空载 漏磁系数、计算极弧系数、空载电动势、交，直轴同步电抗等参数，并在u 、w 形内置式 转子磁路结构有限元分析的基础上，编写了以a p d l 参数化语言为基础的命令流榉序。 2 、利_ 【f jv i s u a lb a s i c 6 0 编制了基r 场路结合法的稀七永磁同步电动机设计分析软件。 该软竹能调则a n s y s 命令流程序，获取电机电磁场数值计算结果，并且能够调用 m a t l a b s i m u l i n k 建立永磁同步电动机模型，对样机暂态起动性能进行仿真。此外，设计 操作简单的输入界面，使定、转子及永磁体磁路的形状、尺寸等参数，通过设计界面进行 直接修改。可以直接南看磁路计算结果和电机性能曲线，用图形方式显示有限元分析后的 电磁场磁场分布图和磁密分布图。 3 、利川编制的p m s m 设计分析软件。计算分析所设计的1 5 k w 样机，调整电机设计 参数，使电机的电磁设计方案符合技术经济指标要求。 4 、研究电机结构参数对电机运行性能的影响。 东南大学硕 ：学位论文 第二章永磁同步电动机的基本工作原理 永磁同步电动机的运行原理和电励磁同步电动机相同。但它以永磁体提供磁通代替后 者的直流励磁。电动机结构较为简单。降低了加i ：和装配成本，并且省去了容易出问题的 集电环和电刷提高了电机运行的可靠性。永磁同步电动机由于不需要励磁电流，去除了 励磁损耗，提高了电动机的效率和功率冈数。 永磁同步电动机的分类方法较多：按i ：作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴 向磁场式：按电枢绕组t i ) = 置的不同，可分为常规式和外转子式；按转子上有无起动绕组， 可分为异步起动永磁同步电动机和调速永磁同步电动机；按供电电流波形的不同，可分为 矩形波永暇同步电动机和上e 弦波永磁同步电动机。 设计永磁同步电动机，首先要了解它的基本结构和i ：作原理，本章主要介绍三相正弦 波永磁同步电动机的基本结构和j 作原理，作为设计和派生新电机的理论基础。 2 1 永磁同步电动机的基本结构 永磁同步电动机主要由定子、转子、机座和端盖等部件构成，图2 - i 为一台永磁同步 电动机的横向截面示意图。 图2 一l 永磁同步电动机横向截面图 l 一定子2 一转子铁心3 ，转轴4 - 永磁体 永磁同步电动机的定子一般与三相异步电动机相同，采用替片结构。对于正弦波永磁 同步电动机电枢绕组常用分布短距绕组，为了减少电动机杂散损耗，定子绕组通常采用星 形接法。定子实物图如图2 - 2 所示。 永磁同步电动机的结构趔式一般是指转子磁路结构。p m s m 转子结构一般要求转子冲 片具有整体性、简单性，并能充分提高永磁体的利用率。按照永磁体在转子位置上的不同， 永磁同步电动机转子磁路结构可以分为三种：表面式，内置式和爪极式图2 - 4 为内置式 u 型磁路结构的转子冲片三维模型，转子实物图如图2 - 3 所示。 表面式转千磁路结构的制造i ：艺简单、成本低。戍用较为广泛，尤其适宜矩形波永磁 同步电动机。但冈转子表面无法安放起动绕组无异步起动能力，不能用于异步起动永磁 同步电动机。内置式转子磁路结构由r 有铁磁物质制成的极靴，极靴中可以放置铸铝笼或 4 第一二章永磁同步电动机的摹本t 作廉理 铜条笼，具有起动作埘。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，并且 由r 转f 磁路的不对称产生的磁阻转矩有利丁提高电动机的过载能力和功率密度，而且易 于“弱磁”扩速。爪极式转子磁路结构具有结构和i ：艺简单的特点，但性能较筹义不具备 异步起动能力。按永磁体磁化方向与转于旋转方向的相互关系，内置式转子磁路结构义可 以分为径向式、切向式和泄合式三种。径向式结构漏磁系数小，转轴上不需要采取隔磁措 施，极弧系数易丁控制。转子的机械强度高。安装永磁体后转子不易变形。切向结构一个 极距卜可得到更人的每极磁通，但涮磷系数较人，需要采用相应的隔磁措旌，制造成本也 较径向式有所增加。混合式集中径向式和切向式的结构优点，但制造上艺复杂，制造成本 较高。 图2 2 定子实物幽2 - 3 转子实物 图2 4 内置式u 型磁路结构的转子冲片三维模型 2 2 永磁同步电动机的d q o 数学模型 进行电机设计，首先建立永磁同步电动机的数学模弛。为了建立永磁同步电机的数学 模型，假漫： ( 1 ) 电机铁心的导磁系数为无穷人，不考虑铁心饱和的影响，从而可以利用叠加原理 来计算电机备个绕组电流共同作用卜的气隙合成磁场； ( 2 ) 定子和转子磁势所产生的磁场沿定子内圆正弦分布，即略去磁场中的所有空间谐 波； ( 3 ) 备相绕组对称，即各相绕组匝数相同，备绕组轴线两两相差1 2 0 电角度，阻尼绕 东南人学硕l ：学位论文 组( 起动鼠笼) 的阻尼条及转子导磁体对转子d 、g 轴对称： ( 4 ) 不计涡流和磁滞的影响。 永磁l 司步电动机的定子和1 许通电励磁二相同步电动机的定子相似，如果永磁体产生的 感应电动势( 反电动势) 与励磁磁通产生的感应电动势一样也是止弦的，那么p m s m 的数 学模型就与电励磁同步电动机基本相同。为分析永磁同步电机，首先将三相永磁同步电动 机模型通过坐标变换转化为等效两相模型即d 、q 模型，其模型简图如图2 - 5 所示。 q 图2 - 5 p m s m 的由物理模型 图2 - 5 中每相磁势的轴线即是该相绕组的轴线。取永磁体基波磁场的方向为d 轴，而g 轴顺着旋转方向超前d 轴9 0 。电角度。转子参考坐标的旋转速度即为转轴速度，d 轴与定 子a 相绕组轴线问的夹角为晓电角度。 2 2 1p m s m 的p a r k 方程 根据假设得定转子电压方捍如f ： t i d = d 中d ld t + r # d 一矽q 、 u q = d 妒q 扣f + 脚q + m d 2 = 0 = d 弘0 2 西+ 白2 屯2i 2 = 0 = d 饥2 西+ ，：，2 2j 定转子磁链方程为： 6 ( 2 1 ) 第二章永礁同步电动机的摹奉工作原理 式中缈，为转子的电角速度：u s 、- 岛、厶分别为定子绕组d 、 q 轴的电压、电流、磁链和电感；t d 2 、2 、2 、2 、2 、2 、厶2 、2 分别为转 子阻尼( 起动) 绕组d 、g 轴的电压、电流、磁链和电感；k 、厶w 分别为d 、口轴定 转子绕组之间的互感；r - 定于绕组电阻；i 为永磁体等效励磁电流 = & = 岛c a l k ：最空载励磁电势：嘶同步电角速度。 2 2 2 运动方程 电磁鞲建的表述式为； 乙= 3 p ( u s i q i u j s ) 2 其中，p 为电机极对数。将磁链方程式( 2 2 ) 代入式( 2 3 ) ，得到： 乙2 芸 ( 而一) + ：一x q i j 。：+ 岛】 电动机的运动方程为： 乙= 瓦+ 曰q ，+ ，警 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中瓦为负载转矩；b 枯滞摩擦系数；，转子和所带负载的总转动惯量；q ，机械角速 度。 电角速度与机械角速度的关系为： q = p q ， ( 2 6 ) 将式( 2 5 ) 代入式( 2 6 ) ，得到： d a , , a t = 等一孚 b = o 时 d , c l t ：p 掣 2 3 永磁同步电动机的稳态性能分析 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，故可采用 双反应理论来研究止弦波永磁同步电动机的稳态运行性能。 7 k 以 蝴驸训 刮 纠 = 1 i ” 东南人学硕i ：学位论文 2 , 3 1 永磁同步电机稳态运行性能 电动# l 稳定运行】+ f 司步转速时，根据双反麻理论可弓出永磁同步电动机的电压方程： u = e o + l 、墨+ j i 、x i + j i 口x 耐+ j l q x 叼 = e o + l ，r 、七j l d x d + j i q x q 2 ) 式中晶永磁气隙基波磁场所产生的每相空载反电动势；u - 外施相电压；一定子相电流； l 、k 直，交轴电枢反应电抗；墨定子濑抗；局、直、交轴同步电抗。其中 髟= k 十墨 ( 2 8 ) = + 墨 ( 2 9 ) l 、l 一直、交轴电枢电流 ? 。i ，, s i n ( 2 1 0 ) = c o s 妒j 式中为 与磊间的夹角( 。) ，称为内功率因数角，i i 超前岛时为正。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，如图2 - 6 所示。图中t 岛 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；易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：口为u 超前民的角度，即功率角，也称转 矩角；妒为电压c ，超前定子相电流的角度r 即功率冈数角；y 为与厶间的夹角，称 q 删 l 厶 厶 目 d 轴 堇i2 - 6 永磁同步电动机相簧图 8 第= 二章承磁硒步电动机的壤奉t 怍原理 永磁同步电动机的稳态运行特性包括效率、功率因数、输入功率和电枢电流等与输出 功率之间的关系，电动机的这些特性均可以从其基本电磁关系或相量图推导而得 一、输入功率与电磁转矩 从图2 - 6 可得出如f 天系： u s i n o = i 口x q + l d r u c o s o 。b o i d x d + l4 墨 从式( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 中不难求出电动机定于电流的直、交轴分量： ，：r,usino+xq(eo-ucoso) 、 辞+ x d xq ，：=xausino-r1(eo-vcoso)lq + x d xd 定子相电流： l 、= 3 l ? + l ； 而电动机的输入功率； 暑= j ，1 c o s 矿= m l c o s ( o 一缈) = 辫( 毛s 恼p + s 毋) = 竺竺 鱼! 墨竺! 二苎竺! ! ! 二苎竺：竺! 墨二墨! 竺竺丝3 + xd x 。 忽略定子电阻，由式( 2 1 8 ) 可得电动机的电磁功率： * 毋m 局e o u 面肌半陪舟n 抬 除以电动机的机械角速度q ，即可得电动机的电磁转矩： 乙= 每= 薏警s 砌- m ：p q u 2l ( 石1 一玄 s ；n z 口 二二、效率分析 稀七永磁同步电动机的功率流程如图2 - 7 所示： 9 ( 2 1 1 ) ( 2 ，1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 厶一 锄 矿 砌 一 跏 甜 妒 矿 东南大学硕t ：学位论文 n 厂 n 厂 毒知毒h a ) 永磁同步电动机”电励磁同步电动机 图2 - 7 功率流程图 由图2 - 7 可见，与电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机转子无励磁铜损耗鼠- 2 。 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 = m l , 2 足 ( 2 ，2 1 ) 永磁同步电动机的铁耗p 。不仅与电动机所采用的硅钢片材料有关。而且随电动机的 i ：作温度、负载大小的改变而变化。这是因为电动机温度和负载的变化导致电动机中永磁 体f ：作点改变定子齿、轭部磁密也随2 变化，从而影响剑电动机的铁耗。永磁同步电动 机i ：作时，定子齿、轭磁路饱和严重，谐波含鲑丰富，冈此，永磁同步电动机铁耗的准确 计算作常困难，i ：程上常采用与感应电动机铁耗计算类似的公式，然后根据实验值进行修 上l 三。永磁同步电动机的机械损耗p 与其他电机类似，与所采用的轴承、润滑荆等有关， 根据实测值或参考其他电机机械损耗的计算方法计算。永磁同步电动机杂散损耗j p 0 根据 经验值和具体情况取定。 三、i ：作特性曲线 计算出电动机的e o 、局、咒和置等参数后给定一系列不同的转矩角一，便可求 出相应的输入功率、定子相电流和功率因数等，然后求出电动机的损耗。得到电动机的输 出功率足和效率叩，获得电动机稳态运行性能曲线( 毋、刁，c o s 矿和等与输出功率e 之间的关系) 。 2 3 2 永磁同步电动机异步起动性能 由式( 2 i ) ，永磁同步电动机稳态异步起动时的电压方程可写成： 之：端嚣吕：鬻 眨z z ， = 咖0 出十置+ ( 1 一s ) q p oj 式中s - 电机转差率。 p m s m 异步起动过程中d 、g 轴电压与转差率s 有关。为简单起见，先不考虑永磁 体的作用，把永磁同步电动机看成一台转子磁路不对称的感应电动机。起动过程中，当定 i o 第_ 二章永磁问步电动机的筚奉r 【作原理 子绕组通以频率为石的三对称交流电流时，气隙中产生以同步转速啊旋转的磁场设起动 某一瞬间电动机的转差率为s 电动机的转子以”= ( 1 一s ) 喝的转速旋转。在转子起动绕 组中感应出频率为瓯的交流电流。由f 转子磁路的不对称，即k 以，转子电流所产 生的磁场可分解成正、反向旋转的砖个旋转磁场，相对转子的转速分别为s 强和一s 嚆。而 相对丁定子的转速分别为n + s n l = 啊和疗一s 码= ( 1 - 2 s ) r 6 。转子的正向旋转磁场与定子 旋转磁场的转速都是啊( 相对于定子) ，彼此相对静止，相互作用产生感应电动机那样的异 步转矩乃转子的反向旋转磁场在定子绕组中感麻出频率为( 1 - 2 s ) f 。的电流厶，厶所 产生的定子旋转磁场转速也是( 1 2 s ) n t ，与转子反向旋转磁场也相对静止，两者相互作用 产生另一异步转矩瓦。这相当于又台感应电动机，但转子是初级绕组t 定于是次级绕组。 当 = ，i l 2 ，即s = o 5 时，( 1 2 s ) f 1 = 0 ，于是这台感应电动机运行于同步转速，在次级 绕组( 定子) 中无感应电流，转矩为零。当n 啊2 ，即s o 5 时，( 1 - 2 s ) n i 为止值，表示 这一旋转磁场的转向与啊相同，作为次级绕组的定子受到沿啊方向的异步转矩，但实际上 是定子不动，故转子受剜一个与啊方向相反的制动转矩即瓦 4 时电机不能正常起动， 出现“夤住”现象。在相同条件下，内置式转子磁路结构电动机的直轴同步电抗k 相差不大， 1 4 第三章基于场路结合法的永磁问步电动机馥计与分析 但它们的交轴同步电抗却相筹较大切向式转子结构电动机的k 最大，径向式转子结构 电动机的x 。次之。磁路结构和尺寸多种多样，丙此局和j 0 的大小需要撤据所选定的结构 和具体尺寸运用电磁场数值计算求得。 转子开楠设计使电机具有自起动功能，为了节省铝材料和给转于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。当设计 高牵入同步能力的电动机时。确定转子槽形时就不能使电动机接近同步转速时t 一，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。因此转子榴不能太浅和过窄。理论上 异步起动永磁同步电动机可采用任一种感麻电动机的转子槽形，但当选用内置径向转子磁路 结构且转子梢形尺寸较小时，通常采用平底槽，以保证合适的隔磁桥，避免过夫的测磁系数。 根据以上分析，设计1 5 k w 自起动钕铁硼稀七永磁同步电动机。性能技术指标；额定效 率：r n = 9 0 ，额定功率冈数：c o s 九= 0 9 1 ，起动转矩倍数：瓦，巧2 0 ，失步转矩 倍数：乙瓦1 8 。 本文中设计的样机在同类异步电动机的基础上派生，其主要尺寸为： 极数：4 ； 定子：d l = 1 3 5 m m ，口i = 8 0 m m ； 转子：d 2 = 7 9 2 r a m ，d 1 2 = 3 5 r a m ； 定、转子槽数：z i z 2 - - 2 4 2 0 ； 磁钢性能指标：剩磁密度b ，= 1 1 7 t ，计算矫顽力h 。= 8 1 8 1 8 4 k m m 图3 1 样机截面l 窒 内置式永磁体位丁转子内部，永磁体表面与定子铁心内圆之间有铁磁材料制成的极靴， 极靴中可以放置铜条笼或铸铝笼，起阻尼或起动作用，动、稳态性能好，广泛用于要求有自 起动能力或动态性能高的永磁同步电动机。在该结构中，永磁体受剑板靴的保护，其转于磁 路结构的不对称所产生的磁阻转矩也有助丁提高电机的过载能力和功率密度。冈而，本设计 采用内置径向u 形转子磁路结构。样机的截面酗如图3 一l 所示。 1 5 东南人学硕i ：学位论文 3 1 2 永磁体尺寸计算 1 ) 永磁体模型 为了便丁1 分析研究，在永磁电机的磁路分析中将永磁体等效成一个恒磁动势源c 与一个 恒定的内磁导a o 相串联的磁动势源。为每对极磁路中永磁体两端向外磁路提供的磁动 势。永磁体向外磁路提供的总磁通丸可分为两部分，一部分为主磁通办，另一部分为漏磁 通力，对麻的磁导分别为主磁导a j 和漏磁导a ，分析时可根据磁通的流通情况将磁路分 成许多段再经过串、并联组合主磁导和漏磁导是各段磁路磁导的合成。在空载情况下外 磁路的等效磁路如图3 - 2 所示。 丸 九 人j j 驴群 ， i = 嚣甏 “ 第_ 三章摹于场路结合法的永礁同步电动机设计与分析 l = 6 2 8 3 r a m ，磁体轴向长k2 厶，电枢计算& 度o = 厶+ 2 8 ，永磁体剩余磁通密度毋取 为1 1 丌，气隙磁通的波形系数巧为气隙基波磁通磊。与总磁通办。之比取为o 9 5 ，气隙磁通密 度基波幅值展i 取为o 6 9 t ，这样由上面的公式计算出来的k 和k 的值为： ；l 。7 1 3 6 3 m m ，= 3 5 7 6 r a m 3 1 3 电枢绕组的设计 异步起动永磁同步屯动机的绕组可采j i 与瞥通异步电动机相同的型式。为了避免异步起 动电动机绕组中产生环流并且削弱谐波的影响，绕组通常采用y 连接。永磁同步电动机绕组 的匝数和线规可根据电动机的电磁负荷、定子糟形尺寸和槽满率来确定。 同规格异步电动机定子采用的是梨形槽。根据性能指标的要求适鼙调整绕组的匝数和 线规。适当增加绕组匝数可以提高电机的功率闪数和效率。但是相应槽满率增加，给加j ： 带来了一定的难度。减小绕组线规可以减小槽满率，但是会使得定子电阻变大，增加定子 铜损耗。 综合考虑本文中初始方案设定样机线径d = o 8 5 r a m ，并绕根数m = l ，每槽导体 数n = 4 6 。 3 2 永磁同步电动机磁场的有限元分析 永磁同步电动机作为同步电动机的一个机种，对其电磁场问题进行分析时可以做如卜- 假 定： ( 1 ) 磁场沿电机轴向不变，因此可以作为二维场来处理； ( 2 ) 在稳态对称负载卜，同步电机的定、转子基波磁势均以同步速度旋转，它们之间保 持相对静j t ，定子基波不会在转子中感生电流，冈此可以把任一瞬间的磁场作为恒定磁场问 题来处理； ( 3 ) 磁场仅被限制在电机内部，定子的外部边界认为是零矢量磁位线； ( 4 ) 电机的铁心磁导率备向同性。稀十永磁材料平行充磁。 在上述假鼓前提f ，同步电动机的磁场问题的数学形式可表示为如下的二维形式： 丢( y 警) + 号( y 等 = t ：， 这里的z 轴方向为电机的轴线方向。把电机的磁场问题从三维形式转化为二维形式，可以大 人地简化h j f 求解电磁场问题的有限元数学模型和减少计算j ：作域。 边界条件通常有二种情况： ( 1 ) 边界上的物理条件规定了物理鬣“在边界上的甜i 。= a ( s ) ，称为第一类边界条件 当物理鼙在边界上的值为零时，称为第一类齐次边界条件。 1 7 东南夫学硕i ：学位论文 ( 2 ) 边界上的物理条件规定了物理鼙甜的法向微商在边界s 上的值娑i ，= l ( s ) ，称为 u n 第一二类边界条件当群的法阿徼商为零时，称为第二类齐次边界条件 ( 3 ) 边界上的物理条件规定了物理量及其法向微商孚在边界上的某一线性关系 硎 ( f l u + o u