（电机与电器专业论文）低速永磁同步电机的电磁分析.pdf

a b s t r a c t h i 曲t o r q u ep e r f o r m a n c ep 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 ri san e w t y p i c a le l e c t r i c a lm a c h i n e m u l t i p o l e s ，l o ws p e e da n dh i g ht o r q u ei s i t sd i s t i n c t c h a r a c t e r s t h et e c h n i q u eo fp o l e s l o tm a t c hi sa p p l i e dt ot h em o t o r , i tc a nd e c r e a s e t h en u m b e ro fs t a t o r ss l o t ，a n dr e d u c em o t o r sv o l u m e ，a n dr a i s em o t o r sp o w e re v e r y v o l u m e a l o n gw i t ht h er a p i ds c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t ，a n di ns o m e s y s t e m s ，s u c ha s ：e l e c t r i c ，m a c h i n eo f f e e ds y s t e ma n dl i f td e v i c e s ，t h el o w e ro u t p u to f t h ee l e c t r i cm o t o rs p e e di sh o p e d m o r e o v e r , t h et r a d i t i o n a ia cm o t o ri sr o t a t i n ga ta h i g hs p e e d ，a n dt h e yh a v e9 0 o ft h es l o w d o w nw i t ht h eh u g eb o d ym a t c h i n gc a nb e u s e d g e a rm o t o r , i tw i l in o ti n c r e a s et h es y s t e ms i z ea n dw e i g h t ，b u ta l s om a k en o i s e a n di n e r t i ai n c r e a s e f u r t h e r m o r er e d u c ee f f i c i e n c ya n ds e r v i c el i f e b e c a u s eo ft h e p r e c i s i o ng e a rm e s h i n gr e s t r i c t i o n sa n dt h er e q u i r e m e n ti np o s i t i v ea n ds t e a d ya n d r a p i dr e s p o n s e ，g e a rr o t a t i o n a lo f t e na f f e c ts y s t e mp e r f o r m a n c e t h em o t o re q u i p sw i t hm o d u l a rf r a c t i o n a ls l o tw i n d i n g s t h ec o n c e n t r a t e d w i n d i n go fe a c hp h a s ei ss e p a r a t e l yw o u n do nc o n s e c u t i v et e e t hs ot h a tt h ep h a s e w i n d i n g sd o n th a v eo v e r l a p t h i si sn o to n l yac o n v e n i e n c eo f m a n u f a c t u r e ，b u ta l s o t h ee n do fw i n d i n gi ss h o r t e r t h ea m o u n to fc o p p e ra n dc o p p e rl o s si sr e d u c e d ，s o e f f i c i e n c yi sh i g h i ta d o p t st h i ss t a t o rs t r u c t u r es ot h a ti tc a n b em a d ei n t or e l a t i v e l y m o r ep o l en u m b e r f i n i t ee l m e n tm e t h o di san u m e r i c a lm e t h o d , w h i c hi su s e dt oa n a l y s es t r u c t u r eo r f i e l d i t sm a i ni d e at h a ts t r u c t u r eo rf i e l d w h i c hi sm a d eo fc o n s e c t i v ed i e l e c t r i c ，i s d i s c r e t e di n t oe l e m e n t st h a tc o n n e c t e db yl i m i t e dn o d a lp o i n t st oa n a l y s e t h em e t h o d ， w h i c hb a s e do nt h et h e o r yo fv a r i a t i o na n dt h em e a s u r eo fd i s c r e t i z a t i o n a lr e s o l v e r , i n v e r tc o n d i t i o n a lv a r i a t i o ni n t oo b j e c tt or e s o l v ei n n e re l e c t r o m a g n e t i co ft h e m a c h i n e t h ei n n e re l e c t r o m a g n e t i co fh i g ht o r q u ep e r m a n e n tb r u s h l e s sm o t o ri s r e s o l v e di nt h i sp a p e r f r o mt h i ss t u d yt h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h ee l e c t r i c a la n db a s i ct h e o r y , t h i sp a p e r d i s c u s s e st h es t e a d y s t a t ep e r f o r m a n c eo ft h em o t o r , a n da n a l y z e st h ee l e c t r o m a g n e t i c p a r a m e t e r si m p a c t i n gp e r f o r m a n c eo fm o t o r t h r o u g ht h ea i rg a pl e n g t h ，p o l e a r c c o e f f i c i e n t ，r o t o rm a g n e t st h i c k n e s s ，w i d t ho fs t a t o rt e e t ha n ds l o t ，t h ep a p e ra n a l y z e s t h ei m p a c to fe l e c t r o m a g n e t i ca n db a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c eo ft h em o t o r , s u m m e d u pad i f f e r e n ts t r u c t u r eo ft h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r so ft h em a g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o n k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，l o ws p e e d , p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r ，e l e c t r o m a g n e t i ca n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得：墨洼盘堂：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 作亍明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：秀边修签字日期：枷7年厂月歹自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位诌文作者签名：罐谴侈 导师签名： 签字日期：卯7 年7 厂月哆日签字p 翌： 1 迭、勃亏 加7 年 | r 月计日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 众所周知，电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为 了在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法。一种是 在电机绕组内通以电流来产生磁场。例如普通的直流电机和同步电机。这种电励 磁的电机既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电流流 动；另一种是由永磁体来产生磁场。由于永磁材料的固有特性，它经过预先磁化 ( 充磁) 以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。这既可简化电机 结构又可节约能量。与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电 机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗少，效率高；电机的形状和 尺寸可以灵活多样等显著优点。 1 1 永磁电机的简单原理和特点 电机的气隙磁场( 或主磁场) 是能够产生感应电势和电磁力矩的不可缺少的 因素。为了建立所需的气隙磁场，电机磁路须有一定的磁势源来励磁。例如，一 般的直流电机和交流同步电机采用直流电流励磁，叫做电励磁，电励磁的电机称 为电磁式电机。永久磁铁在经过外界磁场的预先磁化以后，在没有外界磁场的作 用下，仍能保持很强的磁性，并且具有n 、s 两极性和建立外磁路的能力。因此， 可以用来取代发电机或电动机的电励磁。这种采用永久磁铁作为励磁的电机，称 为永磁电机，以区别于电磁式电机。 永磁电机具有以下特点： ( 1 ) 永磁电机不需要直流励磁电源。对于交流同步电机来说，省去了励磁 机、白励系统或附加直流电源；对于直流电机来说，可以减少电源的耗电量；对 于许多整机装置和设备来说，具有很重要的经济价值。 ( 2 ) 永磁电机没有励磁绕组，节省了电机的用铜量，减少了电机铜耗。在 微型和小容量范围内，电机的重量、体积、效率和成本等技术经济指标都将得到 改善。此外，永磁交流电机不需要电刷和滑环等接触装置，这不但减少了机械和 电气损耗，而且实现了无刷或无接触式的电机结构，使得电机运行可靠，无须经 常维修。对于中频或高频电机来说，由于极间没有绕组，采用永磁式极为合适。 永磁电机的有效材料，具有铁多铜少的特点。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 在电磁式电机中，可以采用改变励磁电流的简单办法来调节气隙磁场， 但永磁电机却不同。当永磁材料和磁路的尺寸一定时，气隙磁场或主磁通的大小 是不能任意调节和改变的。因此，永磁发电机的电压调整率比电磁式电机差。为 了实现调压，借得采用其他专门措施。 ( 4 ) 既然永磁电机由永磁材料来励磁，那么，永磁材料磁性能的高低、磁 性能的稳定性，永磁材料的机械性能、工艺性和经济性，就直接影响了永磁电机 的运行可靠性、使用范围、制造容量和经济价值。目前，永磁电机的制造容量以 微型和小容量为主，中容量为次，大容量尚不适宜。 ( 5 ) 电磁式电机的主要尺寸是由电机容量和所选的电磁负荷( 么、b 。) 决 定的。根据经验资料和设计要求，可以选择合理的电磁负荷值。但永磁电机却不 同，其b 。值是由永磁材料的磁特性和磁路尺寸决定的，不能直接地任意选择。 当永磁材料和磁路尺寸一定时，口，值是一定的。由此可知，在设计永磁电机时， 曰。值不是直接任意选定的，而是被间接决定了的【1 1 。 1 2 永磁材料的发展概况 永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的。我国是世界上最早发现永 磁材料的磁特性并把它应用于生产实践的国家。早在两千多年前，我国就已利用 永磁材料的磁特性制成了指南针，在航海、军事等领域发挥了巨大的作用，成为 我国古代四大发明之一。 1 9 世纪2 0 年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁 电机。但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石( f e 3 0 4 ) ，磁能密度很低，用它制 成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。 由于各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机 理、构成和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢( 最大磁能积约 2 7 k j m 3 ) 、钻钢( 最大磁能积约7 2 k j m 3 ) 等多种永磁材料。特别是2 0 世纪3 0 年代出现的铝镍钻永磁( 最大磁能积现可达8 5 k j m 3 ) 和3 0 年代出现的铁氧体永 磁( 最大磁能积现可达4 0 k j m 3 ) ，磁性能有了很大提高，各种微型和小型电机又 纷纷使用永磁体励磁。永磁电机的功率小至数毫瓦，大至几十千瓦，在军事、工 农业生产和日常生活中得到广泛应用，产量急剧增加。相应地，这段时期在永磁 电机的设计理论、计算方法、充磁和制造技术等方面也都取得了突破性进展，形 成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。 但是，铝镍钴永磁的矫顽力偏低( 3 6 - - , 1 6 0 k a m ) ，铁氧体永磁的剩磁密度不 高( 0 2 0 4 4 t ) ，限制了它们在电机中的应用范围。一直到2 0 世纪6 0 年代和8 0 天津大学硕士学位论文第一章绪论 年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁( 二者统称稀土永磁) 相继问世，它们的高剩磁 密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机， 从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期f 2 1 。 1 3 永磁电机的应用 1 3 1 永磁同步发电机 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。采用稀土 永磁后还可以增大气隙磁密，并把电机转速提高到最佳值。这些都可以缩小电机 体积，减轻质量，提高功率质量比。目前，航天用高速稀土永磁同步发电机的功 率质量比可高达2 0 k w k g 。这特别适合于航空、航天( 在现代高空、高速飞行中， 每蝇设备约需1 5 2 0 k g 的辅助质量来支持) 和其他要求高可靠性和高功率质量 比的场合。因而现代航空、航天用发电机几乎全部采用稀土钴永磁发电机。其典 型产品为美国通用电气公司制造的1 5 0 k v a1 4 极1 2 0 0 0 2 1 0 0 0 r m i n 和1 0 0 k 、，a 6 0 0 0 0 r m i n 的稀土钴永磁同步发电机。 稀土永磁发电机的另一重要应用是用作大型汽轮发电机的副励磁机。我国于 8 0 年代初期率先研制成功4 0 1 6 0 k v a 稀土永磁发电机，用以配备2 0 0 6 0 0 m w 汽轮发电机后大大提高了电站运行的可靠性，深受国内外电力运行部门的欢迎。 以7 5 k 、，a3 0 0 0 r m i n 的稀土钴永磁发电机为例，固有电压调整率只有9 7 8 ，空 载线电压波形正弦性畸变率只有0 7 。每k v a 的用钴量仅为相应规格铝镍钴永 磁发电机的5 0 2 4 。 在风力发电、余热发电、小型水力发电、小型内燃发电机组等场合也正在逐 步推广应用永磁发电机。永磁发电机制成后难以调节磁场以控制其输出电压和功 率因数，从而限制了它的应用范围【2 】。 1 3 2 高效永磁同步电动机 永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功 率因数( 可达到l 、甚至容性) ，减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定 运行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇( 小容量电机甚至 可以去掉风扇) 和相应的风摩损耗，从而使其效率比同规格感应电动机可提高 2 8 个百分点。而且，永磁同步电动机在2 5 0 旷1 2 0 额定负载范围内均可保持较 高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。这类电机一般都在转子 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 上设置起动绕组、具有在某一频率和电压下直接起动的能力，又称为异步起动永 磁同步电动机。由于钕铁硼永磁同步电动机价格比同规格的感应电动机贵l 倍左 右，应用前需进行经济比较分析。目前主要应用于纺织化纤工业、陶瓷玻璃工业 和年运行时间长的风帆、水泵等。 我国许多高校和科研单位自1 9 8 0 年开始就纷纷进行高效永磁同步电动机的 研制，取得了明显的节能效果。特别是0 8 k w 纺织专用永磁同步电动机，效率 高达9 1 ，功率因数高于o 9 5 ，节电率高达1 0 以上，已经进行批量生产并获 得用户部门的一致好评。 此外，与电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机省去了励磁功率，提高了 效率，简化了结构，实现了无刷化。特别是1 0 0 1 0 0 0 k w 电动机，还可省去励磁 柜，总成本增加不多，成为高效永磁同步电动机的又一重要应用场合。我国已制 成了1 1 0 k w 和2 5 0 k w 的永磁同步电动机。以1 1 0 k w 的8 极电动机为例，其效 率高达9 5 ，功率因数为0 9 1 6 ，起动转矩倍数为1 5 2 ，永磁体用量为0 1 5 k g k w 。 与永磁发电机一样，永磁同步电动机制成后也难以调节磁场以控制其功率因 数和无功功率，需要从其他方面采取措施【2 】。 1 4 稀土永磁同步电动机的优点 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稀土钕 铁硼( n d f e b ) 永磁材料，国际上称为第三代稀土永磁材料，钕铁硼永磁体磁能 积高，性能优越，而且原材料丰富，价格较便宜，尤其我国是稀土大国，总储量 占世界的8 0 ，因此，研制、开发钕铁硼永磁电机更具有得天独厚的条件。从 1 9 8 4 年起，各工业发达国家竞相研制高性能永磁电机。与传统异步电机相比， 稀土钕铁硼永磁同步电机的优点在于： ( 1 ) 明显的节电效果。效率表示电机运行时有功功率的利用率；而功率因 数则表示电动机运行时的无功功率的利用率。效率与功率因数的乘积综合反映了 电动机在能量转换过程中的电能利用的有效性，是衡量电动机能力水平高低的重 要标准。永磁同步电动机用永磁体取代电励磁，且无励磁损耗；在同步运行时， 转子绕组中无感应电流，就没有铜耗，由于定、转子同步，转子铁芯中也没有铁 耗，因此，永磁同步电机的效率较电励磁同步电机和异步电机为高，而且不需要 从电网吸取滞后的励磁电流，从而大大节约了无功，极大地提高了电机的功率因 数。 ( 2 ) 稀土永磁钕铁硼具有很高的磁能积，它的剩余磁感应强度研、矫顽力 见都较大，用较少的永磁体就能产生足够的电机磁能积，因此电机体积、尺寸 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 可以大为减小，成为高效率、高密度电机。 ( 3 ) 对于采用钕铁硼的永磁同步电机，转子上不需要电励磁装置，大大简 化了转子结构，提高了电机运行时的稳定性【3 】o l 1 5 永磁同步电动机的应用前景 1 5 1 永磁同步电机的发展现状 众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行 的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、 效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在2 0 世 纪7 0 年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。 但是，直流电动机的结构复杂，其定子上由励磁绕组产生主磁场，对功率较大的 直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放 电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成 电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机 体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火 花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花 既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有 害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机 的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。 在交流电网上，人们还广泛使用着交流感应电动机来拖动工作机械。交流感 应电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与 直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场 的产生需从电网吸取无功功率，故功率因数低，轻载时尤甚，这大大增加了线路 和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的 驱动中，感应电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。 过去的电力拖动中，很少采用同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在 电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人 们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在2 0 世纪7 0 年代以 前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同 步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往 往是用来改善大企业的电网功率因数【4 1 。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 5 2 永磁同步电动机的运行控制 永磁同步电动机的运行使用独立的变频电源向永磁同步电动机供电，同步电 动机转速严格地跟随电源频率而变化，此即为外同步式永磁同步电动机运行。外 同步运行常用于开环控制，由于转速与频率的严格关系，此运行方式适合在多台 电动机要求严格同步运行的场合使用。例如，纺织行业纱锭驱动，传送带轨道驱 动等场合。为此可选用一台较大容量的变频器，同时向多台永磁同步电动机供电。 当然，变频器必须能软起动，输出频率能由低到高逐步上升到以解决同步电 动机的起动问题。 永磁同步电动机按电机定子绕组中加入的电流形式可分为方波永磁同步电 动机和正弦波永磁同步电动机两类。方波永磁同步电动机绕组中的电流是方波形 电流，分析其工作原理可知，它与有刷直流电动机工作原理完全相同。不同处在 于它用电子开关电路和转子位置传感器取代了有刷直流电动机的换向器和电刷， 从而实现了直流电动机的无刷化，同时保持了直流电动机的良好控制特性，故该 类方波永磁同步电动机习惯称为无刷直流电动机。 正弦波永磁同步电动机其定子绕组的感应电动势是三相对称的正弦波，则三 相定子绕组只有通入三相对称的交流电流，才能产生平稳的电磁转矩，但是三相 交流电的频率、相位和幅值由转子的位置信号所决定。转子位置检测通常使用光 电编码器、旋转变压器等位置传感器，可精确地获得瞬间转子位置信息。其控制 通常采用单片机或数字信号处理器( d s p ) 作为控制器的核心单元。因其控制性 能、控制精度和转矩的平稳性较无刷直流电动机控制系统为好，故主要用于现代 高精度的交流伺服控制系统d e t 4 1 。 1 5 3 永磁同步电动机在现代工业中的应用 有相当多的工作机械，其运行速度需要任意设定和调节，但速度控制精度要 求并不非常高。这类驱动系统在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、 纺织机械和交通车辆中有大量应用。 在这类调速应用领域最初用的最多的是直流电动机调速系统，2 0 世纪7 0 年 代后随电力电子技术和控制技术的发展，感应电动机的变频调速迅速渗透到原来 的直流调速系统的应用领域。这是因为一方面感应电动机变频调速系统的性能价 格完全可与直流调速系统相媲美，另一方面感应电动机与直流电动机相比有着容 量大、可靠性高、干扰小、寿命长等优点。故感应电动机变频调速在许多场合迅 速取代了直流调速系统。 交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻、高效节能等一系列优点，越来 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 越引起人们重视，其控制技术日趋成熟，控制器已产品化。中小功率的感应电动 机变频调速正逐步为永磁同步电动机调速系统所取代。电梯驱动就是一个典型的 例子。电梯的驱动系统对电机的加速、稳速、制动、定位都有一定的要求。早期 人们采用直流电动机调速系统，其缺点是不言而喻的。2 0 世纪7 0 年代变频技术 发展成熟，感应电动机的变频调速驱动迅速取代了电梯行业中的直流调速系统。 而这几年电梯行业中最新驱动技术就是曳引机采用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与永磁同步电动机产品相配的变频控制 器，功率从0 4 k w 一- - 3 0 0 k w ，体积比同容量感应电动机小l 2 个机座号，力能 指标明显高于感应电动机，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f 4 】【5 】。 由于电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的控制技术亦已成熟并曰 趋完善。以往同步电动机的概念和应用范围已被当今的永磁同步电动机大大扩 展。可以毫不夸张地说，永磁同步电动机已在从小到大，从一般控制驱动到高精 度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机 出现，而且前景会越来越明显。 1 6 本课题研究的背景和意义 一般低速电机是指转子的转速每分钟在几百至几十转以下的电动机。从2 0 世纪6 0 年代起，人们就不断努力研制了不同原理，不同结构的低速电机。由于 它的构造原理独特，性能优越，低速电机己成为当代电机产品的主流之一。1 9 6 3 年，美国联合制鞋机械公司( u s m ) 首先发明了伺服低速电机，并被成功地应 用于宇航、卫星等高技术领域。之后日本引用美国全套技术，并以此原理制成了 谐波传动电动机( r e s p o n s y n ) 。近年来，美国又在研制通用低速电机，并陆续有 样机问世。德国是继美国之后致力于低速电机开发的国家，并在通用低速电机研 究与生产上处于世界领先水平，生产厂主要是h d s g 公司。该公司生产的低速 电机与美国不同，其优点更为突出，该电机输出转速仅为2 8 r m i n 。这一先进技 术代表着电机发展的一个方向，各国都在这一基础上竞相研制开发。 。 我国对低速电机的研究始于2 0 世纪8 0 年代。由南京理工大学率先进行， 完成了原理性样机的试制，通过试用，效果良好，目前正在进行系列化设计，主 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 要技术指标：输出转矩为5 0 - 2 0 0 n m ，功率为0 1 5 5 5 k w ，从而使我国在低速电 机研究和生产上跻身于世界为数不多的国家之列。 目前低速电机比较常见的有滚切式电动机、谐波电动机和电磁减速式同步电 动机。滚切式电动机是把电动机中产生的电磁力与机械上的行星减速原理结合起 来，使输出轴得到低转速的电动机。谐波电动机是利用电动机产生的电磁力与谐 波减速原理结合起来得到低转速的电动机。电磁减速式同步电动机又称低速同步 电动机，则是利用电动机定、转子表面开槽引起气隙磁导变化而得到低转速的同 步电动机。由于材料及制造工艺等原因，前两种低速电动机应用较少，在工程上 应用比较普遍的是低速同步电动机。 低速同步电动机可分为磁阻式和励磁式两种。磁阻式低速同步电动机的定子 绕组可分为两相或三相绕组，转子铁心有开口槽，但不放绕组。定、转子铁心均 用硅钢片叠成，转子也可以是实心结构，励磁不可以调节。励磁式低速同步电动 机根据励磁方式不同，可以分为电励磁式和永磁式两种。电励磁时，可以把励磁 绕组放在定子铁心中间，也可以放在端盖内侧的凸台上。这种电动机需要直流励 磁电源，因此电动机结构复杂，只适用于较大容量的特殊使用场合。永磁励磁时， 不需要直流励磁电源及励磁绕组，使结构大为减化。在我国，上海微电机厂、西 安微电机厂、四川仪表厂、本溪市微型电机厂等单位已批量生产永磁低速同步电 动机，早期生产的永磁低速电动机主要使用铁氧体和铝镍钴永磁，目前有些工厂 己经把钕铁硼永磁应用于该种电机中。现在生产的永磁低速同步电机多为轴向励 磁结构，其定子绕组为两相或三相绕组，定子铁心由硅钢片叠成，内圆有开口槽。 转子中间有一段轴向磁化的永磁体。永磁体两端各装有一段电工纯铁制造或用硅 钢片叠成的转子磁轭，磁轭表面铣有开口槽，两个磁轭相互错开半个齿距。永磁 体产生的励磁磁通在每一气隙圆周上都是单方向通过气隙，作用在气隙的磁动势 是同极性的，但作用在左端气隙中的磁动势与作用在右端气隙中的磁动势方向相 反。由于轴向励磁，在一定直径下要求电机轴向尺寸较长，占地面积相对较大【6 】。 d a v i dh o w e 首先提出了m o d u l a r 定子结构永磁电机，这种电机可以在不增 大电机体积的情况下选取较多的极数，从而实现低速大转矩的要求。这种电机的 外形和普通电机完全两样，通常做成扁平结构，电枢长度与直径之比仅为o 2 左 右。选用扁平结构是为了使电机在一定的电枢体积和电枢电压下能够产生较大的 转矩和较低的转速。电机定子齿距接近1 个电机极距；而且，每相绕组分别在相 邻的几个齿上连续绕制，三相绕组端部不重叠。与传统电机相比，这种电机可以 在不增加体积的情况下选取较多的极对数，而且各相绕组之间相互独立，没有交 叉。这样不仅制造方便，而且减少了端部之间的连线，可以节省用铜量。由于减 少了用铜量，相应的铜耗也减少了，所以效率也得到了提高。由于电机的极数较 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 多，故转速较低，转矩较大引。 迄今为止，国内外涉及m o d u l a r 定子结构的低速永磁同步电动机的文献资料 还比较少。随着高性能的稀土永磁材料的发展和对稀土永磁同步电动机的研究及 c a d 技术的进一步完善，为开发这种新型的低速永磁电动机提供了有利的条件。 本课题是在这种情况下，提出了一种新型m o d u l a r 定子结构的径向磁场低速永磁 同步电动机，对它的基本结构、基本理论、电磁设计方法进行了较为深入地研究。 1 7 本课题研究的内容以及结构安排 本文提出了一种新型定子结构低速永磁同步电机。由于这种电机不同于传统 电机，常规电机的某些设计规则在这里不能直接使用，本文主要针对这种电机的 结构进行了分析，并对电机的性能进行了理论分析；然后利用有限元软件对电机 电磁场进行了计算和分析，完成的主要工作如下： 1 、低速永磁同步电机的设计思想，给出了定子的结构与极数的关系。 2 、低速永磁同步电机的磁场分析： ( 1 ) 分析了永磁体和气隙等电机结构参数的变化对低速永磁同步电机性能 的影响，给出了永磁体尺寸和磁路结构尺寸的选取原则。 ( 2 ) 利用有限元软件分别计算了空载和加载时模型电机内部磁场的分布情 况，计算结果说明所提出的设想是可行的。 本文的各章内容安排如下： 第一章介绍了永磁电机的特点、应用、发展状况和应用前景，同时介绍了课 题研究的背景和意义。 第二章介绍了低速永磁同步电机的基本结构和工作原理，在这一章里，首先 简单叙述永磁材料的特点，以及本文所选用的稀土永磁材料钕铁硼；然后介绍了 永磁同步电机的结构特点，最后详细介绍了低速永磁同步电机的电磁设计方法； 第三章叙述了低速永磁同步电机的有限元分析。介绍了电磁场的理论基础和 使用有限元软件对电机进行建模、剖分、加载和计算的过程。 第四章介绍了关于电机的重要电磁参数，通过有限元软件分析了气隙长度、 永磁体宽度、永磁体厚度、定子槽1 2 1 宽度和定子齿宽等电机结构的变化，对空载 感应电动势、气隙磁场、漏磁和齿槽转矩等电磁参数的影响，然后给出了电机电 感的计算方法，最后介绍了满载时输出的电磁转矩。 第五章是结论部分，总结了主要的研究成果、所完成的工作及不足。 天津大学硕士学位论文第二章低速永磁同步电机的基本结构 第二章低速永磁同步电机的基本结构 2 1 永磁材料的性能和选用 永磁电机的性能、设计制造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，只有合理选用、设计永磁材料才能保证电机的各 项性能指标。因此，本部分首先从永磁材料的一般原理出发，然后着重介绍本课 题选用的钕铁硼稀土永磁材料。 2 1 1 永磁材料的主要特点 稀土永磁电机指采用稀土永磁材料代替电励磁绕组的电机。稀土材料主要是 指钕、钐等1 7 种在地壳中含量极少的元素，在制造永磁材料时加入这些稀土元 素能显著地增加永磁材料的磁能积。自2 0 世纪3 0 年代以来，人们先后开发和利 用了铝镍钻( a l n i c o ) ，铁氧体( f e r r i t e ) ，钐钴( s m c 0 5 和s m 2 c o l 7 ) 及钕铁硼 ( n d f e b ) 等稀土永磁材料。铝镍钴虽然最大磁能积达到8 5 k j m 3 ，但是由于其 性价比较低，目前己经很少使用。铁氧体永磁材料虽然剩磁不高，但由于其价格 便宜，且有较高的矫顽力，具备一定的抗去磁能力，所以被大量的应用于一些低 成本，系列化的微小型永磁电机当中。钐钻永磁体由于其良好的性能，工作温度 范围很大，因此钐钴永磁体经常被应用在工作条件比较恶劣以及性能要求很高的 场所，但是其目前价格昂贵，且材料本身硬而脆，抗拉强度和抗弯强度均较低， 所以在成本及装配上应多加注意。钕铁硼材料集优良的性能和相对低廉的价格于 一身，己成为永磁电机的首选材料，而且其性能也在不断的改进当中。以稀土永 磁材料替代铁氧体制造出来的稀土永磁同步电动机具有效率高、结构灵活多样、 易于控制等突出优点，在现代工业生产中居于领先地位，在电动机节能技术中的 应用也已引起人们的高度兴趣，尤其是耗电量大、年运行时间长、使用环境恶劣 的用户，如：油田、纺织、玻璃等行业。性能优异的第3 代稀土永磁材料 钕铁硼( n d f e b ) 的研制成功，使得稀土永磁电机的应用日趋广泛【9 】【1 0 1 。 由于本文所阐述的电机对工作温度的要求不是很高，所以利用钕铁硼这种材 料构成转子磁极的永磁材料。钕铁硼材料退磁曲线线性度良好，并且其回复线与 退磁曲线基本重合，这样有利于电动机性能的稳定和可靠性。 天津大学硕士学位论文 第二章低速永磁同步电机的基本结构 2 1 2 永磁材料性能的主要参数 永磁材料性能复杂，用来表示的特性参数有：剩余磁感应强度b ( 或剩余 磁化强度m r ) 、磁能积( b h ) 及最大磁能积( 删) 一、矫顽力皿、内禀矫顽力 峨、剩磁感应强度温度系数、矫顽力温度系数等。 1 、退磁曲线 如图2 1 所示，永磁材料首先用磁滞回线曲线b = 厂( 日) 来表示永磁体的磁 感应强度曰随磁场强度日改变的特性。磁滞回线在第二象限部分称为退磁曲线， 它是永磁材料的基本特性曲线。由于此时的日值为负，表明当磁通经过永磁体 时，沿磁通方向的磁位是升高的，这就意味着永磁体是一个磁源，同时也说明此 时作用于永磁体的磁场强度是退磁磁场强度。为了表示方便，通常用磁场强度的 绝对值来表示。 退磁曲线上任一点的磁感应强度( 通常称为磁通密度) 和磁场强度的乘积被 称为磁能积，其中最大值称为最大磁能积。如前所述，它是永磁材料的重要性能 参数之一。 丑j - 形 产一 t i 囊 ， i 口 1 j 凰一 l 一 仁 图2 - 1 磁滞回线 2 、回复线 退磁曲线所表示的磁通密度和磁场强度的关系，只有在磁场强度单方向变化 时才存在。在实际运行中，永磁电机受到作用的退磁磁场强度是反复变化的。由 于局部磁滞回线的上升曲线和下降曲线很接近，可以近似用直线来代替，称为回 复线。在大部分稀土永磁材料中，回复线和退磁曲线相重合，可以使永磁电机的 磁性能在运行过程中保持稳定，这是在电机使用时最理想的退磁曲线。 3 、内禀退磁曲线 天津大学硕士学位论文第二章低速永磁同步电机的基本结构 退磁曲线和回复曲线表征的是永磁材料对外呈现的磁感应强度b 和磁场强 度日之间的关系。由电磁学理论可知，在均匀磁材料中磁感应强度与磁场强度 之间的关系为 b = 鳓肘+ 日 ( 2 1 ) 式中m 一磁化强度，是单位体积磁性材料内各磁畴磁矩的矢量和，它是描述 磁性材料的一个重要物理量，单位为a m ； 风真空磁导率，又称为磁性常数，t o = 4 万x l o _ 。h m 。 在曰的两个分量中，一部分是与真空中一样的分量风口；另一部分是由磁 性材料磁化后产生的风m ；称为内禀磁感应强度局，又称为磁极化强度。描述 内禀磁感应强度羼与磁场强度日的曲线b i = ，( 日) 称为内禀退磁曲线。由( 2 一1 ) 式易得置= b 一碥h ，由于日通常取绝对值，上式变为 b i = b + p o h ( 2 2 ) 上式表明了内禀退磁曲线垦= 厂( 日) 和退磁曲线曰= 厂( 日) 之间的关系，两台 曲线如图2 2 所示。 图2 - 2 内禀退磁曲线与退磁曲线 稀土钕铁硼永磁材料的内禀退磁曲线与退磁曲线相差很大，内禀矫顽力巩 远大于磁感应强度矫顽力皿矗，它是表示稀土永磁材料抗去磁能力很强的一个重 要参数。 4 、稳定性 为了保证永磁电机的电气性能不发生变化和长期可靠的运行，要求永磁材料 的磁性能保持稳定。通常永磁材料的磁性能随着环境、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。本课题 所设计电机的效率较高，发热较少，而且钕铁硼的的回复曲线与退磁曲线重合， 天津大学硕士学位论文 第二章低速永磁同步电机的基本结构 具有很好的稳定性【2 1 。 2 1 3 永磁材料的选取 目前使用的永磁材料主要包括铁氧体、铝镍钴及稀土永磁三种，稀土永磁材 料以钕铁硼为代表。这里着重介绍本课题所选用的钕铁硼永磁材料。 钕铁硼永磁材料是由日本住友特殊金属公司、美国通用汽车公司在1 9 8 3 年 分别研制成功的，国际上称为第三代稀土永磁材料。它是一种高性能永磁材料， 室温下剩余磁感应强度研可高达1 4 7 t ，磁感应矫顽力日c 可达9 9 2 k a m ，最大 磁能积高达3 9 7 9 k j m 3 ，是目前磁性能最好的永磁材料。由于第一代第二代稀土 钐钴永磁材料属于稀有金属且为战略物资，给实际应用带来了困难；但是钕铁硼 稀土永磁具有原材料丰富、价格便宜的特点，给永磁电机的开发和应用带来了较 多的机会。 钕铁硼永磁材料内禀退磁曲线与退磁曲线如图2 3 所示( 其中的单位换算为 i t = 1 0 0 0 0 g s ，1 0 e = 1 0 0 0 ( 4 万) a ，m ) 。其不足之处是居里温度较低，一般为3 l o 4 1 0 。c 左右；温度系数较高，研的温度系数可达0 1 3 k - 1 ，因而在高温下使用时 磁损失较大。由于其中含有大量的铁和钕，容易锈蚀是它的一大弱点。但是目前 已有种种涂层用来防止生锈。 - k o e 图2 3 不同温度下钕铁硼的内禀退磁曲线与退磁曲线 2 2 永磁同步电动机的结构特点 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的 天津大学硕士学位论文 第二章低速永磁同步电机的基本结构 磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用， 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：又因无需励 磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率因数。因而它是近年来研 究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。 永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁 场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式( 常规式) 和外转 子式；按转子上有无起动绕组，可分为无起动绕组的电动机( 用于变频器供电的 场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速 永磁同步电动机) 和有起动绕组的电动机( 既可用于调速运行又可在某一频率的 电压下利用起动绕组产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机) ： 按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机 ( 简称永磁同步电动机) 。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时， 形成一台具有阻尼( 起动) 绕组的调速永磁同步电动机。 2 2 1 永磁同步电动机的总体结构 永磁同步电动机由定子、转子和端盖等部件构成。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。图2 - 4 为一台永磁同步电动机的横截面示意图。电枢绕 组既有采用集中整距绕组的，也有采用分布短距绕组和非常规绕组的。一般来说， 矩形波永磁同步电动机通常采用集中整距绕组，而正弦波永磁同步电动机更常采 用分布短距绕组。在一些正弦波电流控制永磁同步电动机中，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以提高电动机的有关性能，采用了一些 非常规绕组，可大大