（电机与电器专业论文）基于有限元法的盘式无铁心永磁同步电动机的参数计算.pdf

a b s t r a c t d i s kc o r e l e s sp ms y n c h r o n o u sm o t o ra c h i e v e sr a p i dd e v e l o p m e n td u et oi t s e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei nr e c e n ty e a r s i th a sm a n y a d v a n t a g e so fas h o r ta x i a ll e n g t h ac o m p a c ts t r u c t u r e as m a l lv o l u m ea n dw e i g h t al o wm o m e n to fi n e r t i a n o e x c i t a t i o nl o s s e s n oc o r el o s s e s ah i g he f f i c i e n c y af i n ec o o l i n gc o n d i t i o n ah i l g h p o w e rd e n s i t y ah i 曲t o r q u e ah i g hr a t i oo ft o r q u et om a s s s m o o t hr u n n i n ga tl o w s p e e d aa s c e n d a n td y n a m i cp e r f o r m a n c ea n ds oo n s e r v o m e c h a n i s m s i nw h i c hd i s k c o r e l e s sp ms y n c h r o n o u sm o t o r sa r ei n v o l v e d 淞e x e c u t i o nm o d u l e s h a v eb e e n w i d e l yu t i l i z e di ns y s t e m so fh i g hp r e c i s i o ns u c ha sn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l s r o b o t sa n dr a d a r s d i s kc o r e l e s sp ms y n c h r o n o u sm o t o r so fa v e r a g ea i r g a ps t r u c t u r e w e d g ya i r g a p s t r u c t u r ea n dm u l t i a i r g a ps t r u c t u r eh a v eb e e nd e v e l o p e di n l a n d a n dh a l b a c hp m a r r a yh a sb e e na p p l i e di nt h ed e s i g no ft h e s ee l e c t r i cm a c h i n e s e f f e c t i v e l ya d v a n c i n g t h e i rp e r f o r m a n c e ad e s i g np r o c e s sh a ss of a rb e e ns u m m a r i z e da se x p e r i e n c ei n d e s i g n i n g d i s kc o r e l e s sp m s y n c h r o n o u s m o t o r s a c c u m u l a t e s n e v e r t h e l e s s p a r a m e t e rc a l c u l a t i o nm e t h o dt h a ts u i t st h e s ee l e c t r i cm a c h i n e ss t i l ln e e d st ob e r e s e a r c h e d s i n c ead i s kc o r e l e s sp ms y n c h r o n o u sm o t o ri se n t i r e l yd i f f e r e n tf r o ma c y l i n d e rm a c h i n ei ns t r u c t u r e a sap a r to ft h e8 6 3n a t i o n a lp r o j e c t t e c h n o l o g y i n t e g r a t i o na n dp i v o t a l m a t e r i a l sf o rh i 曲p e r f o r m a n c er a r ee a r t hp mm a c h i n e s t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e p a r a m e t e rc a l c u l a t i o nm e t h o do fd i s kc o r e l e s sp ms y n c h r o n o u sm o t o r s p a r a m e t e r c a l c u l a t i o nb a s e do nf e m b yw h i c ht h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l da n dc u r r e n t si n a l le l e c t r i cm a c h i n ec a nb ew e l la n d t r u l ys i m u l a t e da n dt h er e s u l t so fw h i c ha r em o r e a c c u r a t e i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r f e mb a s e dc a l c u l a t i o no fs y n c h r o n o u sr e a c t a n c e c a l c u l a t i o na r cc o e f f i c i e n t e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ea n de m fi sn a r r a t e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s d i s kp m m a c h i n e c o r e l e s ss t r u c t u r e h a l b a c hp ma r r a y f e m p a r a m e t e rc a l c u l a t i o n 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 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得天津大学或其他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 学位论文作者签名 寺长祷支 签字日期 劲 7 年乡月 押 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留 使用学位论文的规定 特授权天津大学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 学位论文作者签名 猫窃丈 签字日期 矽7 年多月 j 日签字日期 矽 年 多月 j 日 新躲舶建 签字嗍7 年6 月盯日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 盘式电机的国内外发展概况 近年来 随着机械手 工业机器人 数控机床等高科技产品的兴起和不断发 展 对作为这些设备关键部件的伺服电机的性能指标提出了更高要求 在一些特 殊的安装场所还对伺服电机提出了薄型结构要求 由于具有许多优点 盘式电机 作为一种理想的伺服电机在国内外得到了迅速发展 这些优点包括 轴向尺寸短 重量轻 转矩高 电机运行效率高 动态性能优越 可以制成多定子多转子交错 的多气隙组合式结构 作为现代高性能伺服电机和大力矩直接驱动电机 盘式电 机已被广泛地应用于机电一体化产品中 并在一些领域逐渐取代了传统伺服电 机 盘式电机由于其内部磁场相比于传统电机是轴向分布的 所以又称为轴向磁 场电机 1 8 2 1 年 法拉第发明的第一台电机就是盘式电机 盘式电机存在两大 缺点 定 转子存在轴向磁吸力 定 转子铁心制造十分困难 以当时的科技水 平这两个缺点很难解决 于是盘式电机被后来发展起来的常规电机 径向磁场电 机 取代 常规电机随着其发展也暴露出很多缺点 如由于齿根部的 瓶颈 现象 致使电机的散热不好 铁心利用率低等 这些问题一直困扰着电机工程技术人员 只有从电机结构上寻求改变才能解决常规电机的这些问题 于是人们的兴趣又转 移到盘式电机上来l l j 近年来随着科学技术的不断进步 盘式电机的两大缺点通过新的加工工艺和 优化方案已经找到了解决途径 这为盘式电机的进一步发展清除了障碍 于是盘 式电机得到了更广泛的发展和应用 研究结果表明 盘式电机的功率密度相比于 常规电机有较大提高 而且对于一些特殊的应用场合盘式电机具有明显的优越 性 2 0 世纪7 0 年代初期 盘式电机作为驱动装置首先被应用于电车 水泵 吊 扇和家用电器等场合 当时的盘式电机采用直流电机的形式 结构比较简单 在 1 9 7 3 年 英国的ek e i p e r 论述了盘式电机结构的优越性 在世界电机邻域引起 了极大的反响 此后很多发达国家开始投入对盘式电机的研究 盘式异步电机作 为一种电机形式也得到了发展 自2 0 世纪7 0 年代末起 随着现代工业生产发展的需要 电机工作人员开始 了对盘式永磁同步电机的研究 1 9 7 8 年 意大利比萨大学的a b r a m a n t i 教授等 第一章绪论 人探讨了盘式永磁同步电机的特性 制造了一台双定子夹中间单隐极转子的实验 样机 1 9 8 2 年 联邦德国不伦瑞克大学的h w e h 教授等人描述了几种不同结构 型式的盘式永磁同步电机 并研制了一台双转子夹中间单定子的高转速 高转矩 盘式永磁同步电机 1 9 8 4 年 h w e h 教授等人开始研究大功率 低转速的盘式 永磁同步电机 制作了一台作为柔性驱动的2 0 0 k w 3 8 k n m 的低转速 高转 矩盘式永磁同步电机 稀土永磁材料的不断发展也是促进盘式永磁同步电机迅速 发展的一个重要因素 随着永磁材料性能的不断提高和完善 特别是钕铁硼永磁 材料热稳定性 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 稀土永磁电机的研究开发进入了一个新的阶段 盘式永磁同步电动机相比于 传统的电机 有着节能 高效 结构简单 运行稳定可靠等诸多优点 也因此得 到越来越多的重视 近年来 随着市场需要的不断扩大和辅助设计工具的不断发展 盘式永磁同步 电机得到了迅速发展 迄今为止 国内外已研究开发出多种不同结构形式的盘式永 磁同步电机 盘式永磁同步电机已经广泛地应用于伺服系统中 2 0 0 4 年 y i c h e n g c h e n p r a g a s e np i l l a y 和a z e e mk h a n 对七种不同结构形式的盘式永磁风力发电机进 行了比较 见图1 1 和图1 2 a 代表常规的内转子径向磁场电机 b 代表常规的外 转子径向磁场电机 c 代表有槽的双定子轴向磁场电机 d 代表有槽的双转子轴向 磁场电机 e 代表有定子平衡的单边轴向磁场电机 f 代表有转子平衡的单边轴向 磁场电机 g 代表环行绕组的轴向磁场电机 2 萎 i 燕 协驰蜘e g l l 住p o 憎 一t y p e a 4 1 y p e b 孺c 砸d 一砸e t y p e f s i f l g l e 1 懂g 芝辨 誊9 2 i 9 0 葛髓 衢 斛 圃酾l c y p o w e r i ra 砸b 十砸c 卜砸d 十砸e 砸f 卜 s 蛐 一t 攒g o1 2 湖 f o 慵t m 图1 1 转矩 重量与功率的关系图1 2 效率与功率的关系 由图1 1 和1 2 图可以看出 在功率一定时 有槽的双转子轴向磁场电机相比 于其它类型的电机具有更高的转矩重量比及效率 也正因为如此目前的盘式永磁 同步电机多采用这种结构形式 2 0 0 5 年 a p a r v i a i n e n j p y r h o n e n 和p k o n t k a n e n 设计并制造了一台用于风 力发电的1 6 k w 盘式永磁同步电机 该电机的电枢绕组缠绕在定子铁心上的槽 2 巾 转r 衷而装青起励磁作用的永磁体 机的定子 转子 圈1 5 所示为安装过程 该盘 永融吲步i u 机的土要参数吐 l 1 1 3 和图1 4 所示为该盘式水磁同步电 的该盘式永磁同步电机 丧1 1 所示为 留霹 一一 表1 116 k w 双转子单定子盘矗水磁同步电机的手耍参数 参数数据 输出功牢 输出电压 永碰体厚度 气辕长度 转于极数 定子外径 转谜 第一章绪论 盘式永磁同步电机还可以制作成包括多个定 转子的多盘式结构 多盘式结 构的采用可以进一步提高电机的转矩 使盘式电机更适合于充当大力矩的直接驱 动装置 1 9 8 7 年 法国制造了一台用于机器人的多盘式结构的盘式永磁同步电 机 该电机包括三个定子及两个转子 性能指标可达1 5 n m k g 这也是首次对 多盘式结构永磁同步电机的尝试 盘式永磁同步电机采用永磁体励磁 定 转子对等排列 它相比于传统的径 向磁场电机有很多优点 如效率高 转矩高 转动惯量小 机电时间常数小 运 行平稳 动态性能优越等 为了减小磁路的磁阻 盘式永磁同步电机选用高磁导 率的硅钢片叠压制成铁心 然而铁心的存在造成盘式永磁同步电机体积大 重量 大 损耗大 振动噪声大 为了改善盘式永磁电机的这些缺点 无铁心结构被应 用到盘式永磁电机中 盘式无铁心永磁电机利用钕铁硼永磁材料的优异特性省去 铁心的使用 这样不但电机的重量大大减轻 效率得到提高 而且电机的噪声 振动也大大降低 2 0 0 5 年 r o n g j i ew a n g m a a r t e nj k a m p o k o b u sv a nd e rw e s t t h u i z e n 和 j a c e keg i e r a s 设计并制作了一台双转子中间单定子的盘式无铁心永磁同步电 机 电机的定子采用无铁心结构 直接由导线绕制成电枢绕组 然后通过一种复 合材料定型 起励磁作用的永磁体安装在电机的转子上 图1 6 所示为盘式无铁 心永磁同步电机的结构示意图 4 图1 6 盘式无铁心永磁同步电机的结构示意图 l 定子电枢绕组2 转子3 永磁体4 外壳5 轴承6 转轴 为了进一步提高盘式无铁心永磁同步电机的转矩 功率 一种特殊的永磁体 阵列一 h a l b a c h 永磁体阵列被应用到盘式无铁心永磁同步电机的设计中 传统 的永磁体阵列采用径向或切向的排列方式 h a l b a c h 永磁体阵列采用径向和切向 4 第一章绪论 相结合的排列方式 图1 7 所示为各种永磁体阵列的示意图 5 1 血 c j 一 a 径向结构 b 切向结构 c h a l b a c h 阵列 图1 7 各种永磁体阵列的基本结构 由图1 7 可以看出 采用h a l b a c h 永磁体阵列可以增强阵列一侧的磁场 同 时减弱阵列另一侧的磁场 在盘式无铁心永磁同步电机中采用h a l b a c h 阵列可以 增强电机气隙中的磁场 同时减弱电机外部的磁场 可以进一步提高电机的转矩 及功率 使盘式无铁心永磁同步电机能适应现代伺服系统和大力矩直接驱动装置 的要求 图1 8 盘式无铁心永磁同步电机的结构示意图 l 定子电枢绕组2 永磁体3 转子4 转轴5 轴承6 外壳 第一章绪论 2 0 0 2 年 j a c e keg i e r a s 和i z a b e l l a a g i e r a s 设计并制造了一台基于h a l b a c h 永磁体阵列的双转子夹中间单定子盘式无铁心永磁同步电机 该电机的定子和转 子都采用无铁心结构 定子电枢绕组直接由导线绕制而成 然后由一种复合材料 定型 起励磁作用的永磁体安装在电机的转子上 永磁体采用h a l b a c h 阵列的排 列方式 图1 8 所示为基于h a l b a c h 永磁体阵列的盘式无铁心永磁同步电机的结 构示意图 表1 2 所示为该电机的主要设计数据 6 j 表l 一2 盘式无铁心永磁同步电机的主要设计数据 参数 数据 输出功率 l o k w 转速 7 5 0 巾m 相数 3 输入电流 2 8 4 a 频率 1 0 0 h z 极对数 8 每相串联匝数 1 0 0 导体线径1 2 m m 永磁体厚度 6 m m 电枢绕组厚度 1 0 m m 气隙长度 单侧 l m m 转子外径 3 6 0 m m 我国在盘式电机方面的研究起步比较晚 近年来随着电机研究人员越来越多 的重视 盘式电机得到了迅速发展并取得了不少成果 1 9 7 6 年 出于航天工业 的需要 我国研制出了第一代绕线盘式直流电动机 该类电机由于其优异性能至 今在很多领域中都有应用 2 0 世纪8 0 年代末期 为了改变依赖进口的局面 我 国自行研制成功盘式异步制动电动机 该电机与锥形制动电动机相比性能大大提 高 1 9 8 8 年至1 9 9 0 年初 我国开发出了盘式永磁步进电动机 该类电机具有体 积小 重量轻 负载能力强 制造方便 成本低廉等优点 具有广阔的市场应用 前景 1 9 9 2 年 盘式磁阻电动机在我国研制成功1 1 1 近年来 对盘式永磁同步电 动机的研究逐渐兴起 我国在这方面也取得了不少成果 研制成功了均匀气隙 楔形气隙和多气隙等结构形式的盘式无铁心永磁同步电动机 并将h a l b a c h 永磁 体阵列应用到该类电机中 大大提高了电机的性能 本课题的研究对象就是基于h a l b a c h 永磁体阵列的盘式无铁心永磁同步电动 6 第一章绪论 机 目前该类电机的样机已经研制成功 但是要将该类电机市场化还需要继续完 善电机的设计 本课题正是在已有成果的基础上 继续完善基于h a l b a c h 永磁体 阵列的盘式无铁心永磁同步电动机的设计工作 为该类电机早日实现市场化完成 一些辅助工作 1 2 本课题的目的及意义 本课题作为国家8 6 3 计划项目 高性能稀土永磁电机技术集成及关键材料 2 0 0 4 a a 3 2 g 0 8 0 的一部分 主要内容是研究盘式无铁心永磁同步电动机的参数 计算方法 作为一种新兴的电机 盘式无铁心永磁同步电动机凭借其优越性能已经在很 多领域得到应用 并逐渐成为现代伺服系统的理想执行元件 在国外 高性能的 盘式无铁心永磁同步电动机已经成为钕铁硼永磁材料的一大用户 其发展相当迅 速 反观国内 虽然该类电机已经研制成功 但至今未能大量投入使用 与此同 时 高性能的盘式无铁心永磁同步电动机主要依靠进口 我国每年在进口工程装 备上的花费高达1 0 0 0 多亿美元 为了改变这种局面 我们必须加快发展自己的 高性能盘式无铁心永磁同步电动机 目前 国内已经研制成功了高性能的盘式无铁心永磁同步电动机 但至今未 大量投入使用 要实现该类电机的生产规模化还需要做很多工作 其中的一项重 要内容就是参数计算 在参数计算方面 由于盘式无铁心永磁同步电动机的结构 与传统的径向磁场电机截然不同 需要进一步探讨适合于盘式电机的参数计算方 法 在传统电机理论的基础上 本论文提出利用有限元法来计算盘式无铁心永磁 同步电动机的各项电磁参数 这种方法的优点是能够准确地模拟电机运行时电 流 磁场的分布情况 并在此基础上求解各项电磁参数 计算结果的精度较高 本文具体介绍了盘式无铁心永磁同步电动机同步电抗 计算极弧系数 电磁转矩 和基波电动势的有限元求解方法 本论文的完成将进一步促进盘式无铁心永磁同 步电动机的发展 为盘式无铁心永磁同步电动机实现市场化提供帮助 早日改变 该类电机依靠进口的局面 1 3 本课题的研究内容 作为一种新兴的电机 盘式无铁心永磁同步电动机的结构与传统的径向磁场 电机截然不同 需要进一步探讨适合于该类电机的参数计算方法 在传统电机理 论的基础上 本论文提出利用有限元法来计算盘式无铁心永磁同步电动机的各项 7 第一章绪论 电磁参数 这种方法的优点是能够准确地模拟电机运行时电流 磁场的分布情况 并在此基础上求解各项电磁参数 计算结果的精度较高 本论文主要有以下内容 1 1 介绍了永磁电机的发展概况以及各类永磁电机的特点 2 1 结合均匀气隙 楔形气隙和多气隙三种不同结构的电机介绍了盘式无铁 心永磁同步电动机的特点 此外 介绍了应用于该类电机中的h a l b a c h 永磁体阵 列 3 介绍了求解电磁场问题的有限元方法 并分析了该类方法在盘式无铁心 永磁同步电动机静态特性研究中的应用 4 具体介绍了盘式无铁心永磁同步电动机同步电抗 计算极弧系数 电磁 功率和基波电动势的有限元计算方法 8 第二章基于h a l b a c h 永磁体阵列的盘式无铁心永磁同步电动机 第二章基于h a l b a c h 永磁体阵列的盘式无铁心永磁同步电动机 2 1 永磁电机 永磁电机和传统的通过励磁绕组励磁的电机的运行原理相同 区别在于永磁 电机用永磁体代替励磁绕组来完成主极磁场的建立 永磁体的使用使得永磁电机 相比于电励磁的电机有三个优点 1 结构变得更加简单 因此电机的制作加工 过程也更简单 快捷 2 省去了电励磁电机中容易出问题的集电环和电刷 提 高了电机运行的可靠性 3 省去了励磁绕组的同时也省去了励磁损耗 使得电 机的效率和功率密度得到提高 正是由于以上这些相比于电励磁电机的出色优点 使得永磁电机近年来越来越多的得到电机研究人员的青睐 永磁电机具有广阔的 应用前景 永磁电机的发展与永磁材料的发展是同步的 新的永磁材料的出现必然会促 进永磁电机的改进和发展 1 9 世纪2 0 年代人类发明的第一台电机就是永磁电机 电机的主极磁场由永磁体激励产生 当时所采用的永磁材料是天然的磁铁矿石 由于磁铁矿石的磁能密度很低 用它制成的电机体积庞大 效率不高 这种永磁 电机也被后来发展起来的电励磁电机取代 2 0 世纪3 0 年代出现的铝镍钴永磁材 料和5 0 年代出现的铁氧体永磁材料的磁性能有了很大提高 但是这两种永磁材 料各有缺点 铝镍钴永磁材料的矫顽力偏低 铁氧体永磁材料的剩磁密度不高 这些缺点也限制了它们在电机中的应用范围 只有一些微型和小型的电机使用永 磁体励磁 2 0 世纪6 0 年代和8 0 年代 稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料相继 问世 它们具有剩磁密度高 矫顽力高 磁能积高 退磁曲线线性等优点 稀土 永磁材料的发现使得永磁电机的发展进入了一个新的历史时期 稀土永磁材料的 发展大致分为三个阶段 l 1 9 6 7 年发现的钐钴永磁为第一代稀土永磁材料 称 为1 5 型稀土永磁材料 2 1 9 7 3 年出现了磁性能更好的第二代稀土永磁材料 称为2 1 7 型稀土永磁材料 3 1 9 8 3 年研制成功的钕铁硼永磁材料称为第三代稀 土永磁材料 在钕铁硼永磁材料出现之前 由于稀土钴永磁材料属于战略资源 价格十分 昂贵 只有一些航空 航天用电机和高性能电机才使用永磁体来励磁 价格相对 较低的钕铁硼永磁材料出现后 永磁体开始应用到工业及民用电机上 随着钕铁 硼永磁材料性能的不断提高和完善 永磁电机在国防 工农业生产和日常生活等 方面获得越来越广泛的应用 比较典型的几种永磁电机包括 永磁同步电动机 9 第二章基于h a l b a c h 永磁体阵列的盘式无铁心永磁同步电动机 永磁同步发电机 永磁直流电动机 下面分别简要介绍这几种永磁电机 2 1 1 永磁同步电动机 除了具有所有永磁电机的优点外 永磁同步电动机和应用较多的感应电动机 相比 由于省去了消耗无功功率的励磁电流 电机的功率因数得到显著提高 定 子电流减小 定子电阻损耗降低 稳定运行时没有转子电阻损耗 电机的效率比 同规格的感应电动机提高2 8 个百分点 永磁同步电动机的缺点是 由于制成后 磁场难以调节 无法通过调节磁场的方式控制电机的功率因数和无功功率 需要 从其它途径寻求解决方案 随着电力电子技术的不断发展和电力电子器件价格的不断降低 交流调速系 统在一些邻域开始取代直流电动机调速系统 它由变频电源和交流电动机两部分 组成 由于在稳定运行时转速与电源频率成正比关系 永磁同步电动机可直接应 用到开环交流调速系统 通过频率的变换来直接控制电机的转速 而且永磁同步 电动机较高的效率和功率因数可以减小价格昂贵的配套变频电源的容量 因而在 各种调速系统中的应用越来越广泛 变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统构成自同步永磁 电动机 既具有电励磁直流电动机的优异调速性能 又实现了无刷化 这在要求 高控制精度和高可靠性的场合获得了广泛的应用 其中反电动势波形和供电电流 波形都是矩形的电动机 通常称为无刷直流电动机 反电动势波形和供电电流波 形都是正弦波的电动机 称为正弦波永磁同步电动机 简称永磁同步电动机 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和有起动绕组的电动机 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 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 台具有阻尼绕组的调速 永磁同步电动机 2 1 2 永磁同步发电机 根据机电能量转换原理 同步电动机也可以运行在发电机状态下 但是通常 一般情况下不会将两者互换使用 因为电动机和发电机两种运行状态下对电机性 能的要求是不同的 发电机和电动机在电机结构 参数计算等方面是相似的 但 它们也各有自己的特点 除了具有所有永磁电机的优点外 永磁同步发电机和应用较多的电励磁同步 发电机相比 永磁体励磁的采用有效的增强了气隙磁场 电机的体积也因此变得 1 0 第二章基于h a l b a c h 永磁体阵列的盘式无铁心永磁同步电动机 紧凑 电机的功率质量比得到提高 处于直轴磁路巾的永磁体的磁导率很小 直 轴电枢反应电抗置 较电励磁同步发电机小得多 因而固有电压调整率也比电励 磁同步发电机小 永磁同步发电机的缺点是 由于制成后难以调节磁场 无法通 过磁场调节的方式控制电机的输出电压和功率因数 由于永磁材料 特别是铁氧 体永磁材料和钕铁硼永磁材料的温度系数较大 导致电机的输出电压分散 偏离 额定电压 随着电力电子技术的不断发展和电力电子器件性能的不断提高 可以 采用可控整流器来调节电压 上述缺点得到弥补 永磁同步发电机的应用领域广阔 功率大的如航空 航天用主发电机 大型 火电站用副励磁机 功率小的如汽车 拖拉机用发电机 风力发电机 小型水力 发电机 小型内燃发电机组等都广泛使用各种类型的永磁同步发电机 永磁同步发电机的定子结构与永磁同步电动机的定子结构相同 其转子结构 也与永磁同步电动机的转子结构相似 区别只是永磁同步发电机的转子不需要起 动绕组 永磁同步发电机对固有电压调整率 电压波形正弦性畸变率和功率密度 的要求比较高 而且其运行转速通常很高 因此永磁同步发电机的结构布置有其 自身的一些特点 通常按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系 将永磁同 步发电机分为切向式转子磁路结构 径向式转子磁路结构 混合式转子磁路结构 和轴向式转子磁路结构 2 1 3 永磁直流电动机 除了具有所有永磁电机的优点外 永磁直流电动机还保留了电励磁直流电动 机良好的调速特性和机械特性 配上稳速器后永磁直流电动机可使用在电源电压 和负载变动情况下要求转速稳定的场合 永磁直流电动机种类很多 分类方法也多种多样 一般按用途可分为控制用 和传动用 按运动方式和结构特点又可分为直线式和旋转式 其中旋转式包括有 槽结构和无槽结构 有槽结构包括普通永磁直流电动机和永磁直流力矩电动机 无槽结构包括有铁心的无槽电枢永磁直流电动机和无铁心的空心杯电枢直流电 动机 印制绕组永磁直流电动机及绕线盘式电枢永磁直流电动机 2 2 盘式永磁同步电动机 1 8 2 1 年 法拉第发明的世界上第一台电机就是盘式永磁电机 由于当时的 电机制作工艺水平不高以及永磁材料的性能不够理想 盘式永磁电机未能得到发 展 而是被后来的径向磁场电机取代 然而 在不断的发展过程中 人们认识到 径向磁场电机也存在一些缺点 如冷却困难 转子铁心利用率低等 必须从结构 第二章基于h a l b a c h 永磁体阵列的盘式无铁心永磁同步电动机 上寻求变化才能解决径向磁场电机的这些缺点 于是 从2 0 世纪4 0 年代起 人 们开始转向对盘式永磁电机的研究 目前 国内外已开发出许多不同种类 不同 结构的盘式永磁电机 其中 盘式永磁直流电动机 盘式永磁同步电动机和盘式 无刷直流电动机的应用比较广泛 图2 1 盘式永磁同步电动机的结构示意图 l 一定子绕组2 定子铁心3 永磁体 图2 1 所示为盘式永磁同步电动机的结构示意图 电机的定子和转子都呈圆 盘形 在电机中沿轴向依次排开 形成轴向的气隙磁场 盘式永磁同步电动机的 定子可以采用有铁心和无铁心两种结构 铁心由具有高磁导率的硅钢片叠压制 成 电枢绕组可以缠绕在铁心上 也可以由复合材料直接定型 电枢绕组中导体 的有效部分在空间呈辐射状分布 盘式永磁同步电动机转子的主要组成部分是具 有高磁能积的永磁体 这些永磁体可以通过各种方法固定在转子上 盘式永磁同 步电动机的制造关键技术是定子的加工 特别是无铁心结构电机定子的制作工艺 比较复杂 近年来 随着电机加工工艺的不断发展 盘式永磁同步电动机的制作 相对变得简单 其应用也越来越广泛 盘式永磁同步电动机具有以下优点 l 轴向尺寸短 结构紧凑 体积小 重量轻 转动惯量小 2 省去了励磁绕组及励磁损耗 电机的效率得到提高 i3 定子和转子对等排列 电机的散热条件良好 可获得更高的功率密度 4 峰值 转矩和堵转转矩高 转矩质量比大 5 低速运行平稳 动态性能优越 以盘式 永磁同步电动机为执行元件的伺服系统被广泛的应用到新一代的机电一体化设 备中 它具有不用齿轮 精度高 响应快 加速度大 转矩波动小 过载能力高 等优点 可应用于数控机床 机器人 雷达等高精度系统中 盘式永磁同步电动机的分类方法多种多样 按照定 转子的数量和它们的相 1 2 第二章基于h a l b a c h 永磁体l j 车y t j f f j 盘式无铁心永磁同步电动机 对位置可大致分为单定子 单转子结构 中间转子结构 中问定子结构 多盘式 结构 2 2 1 单定子 单转子结构 2 1 图2 2 单定子 单转子结构示意图 1 定子铁心2 定子绕组3 机座4 永磁体 图2 2 所示为单定子 单转子结构的示意图 电机内部由单定子和单转子形 成单气隙 单定子 单转子为最简单的结构 问题在于定子作为旋转磁极的磁回 路会受到轴向的作用力 需要推力轴承以保证转子不致发生轴向串动 2 2 2 中间转子结构 图2 3 中间转子结构示意图 1 永磁体2 定子绕组3 定子铁心 图2 3 所示为中间转子结构的示意图 电机内部由双定子和单转子组成双气 第二章基于h a l b a c h 永磁体阵列的盘式无铁心永磁同步电动机 隙 这种结构的电机转动惯量最小 散热条件也最优 2 2 3 中间定子结构 2 3 k 一 图2 4 中间定子结构示意图 1 定子绕组2 永磁体3 转子 图2 4 所示为中间定子结构的示意图 电机内部由单定子和双转子组成双气 隙 这结构的电机相比于中间转子结构的电机转动惯量要大很多 但是散热条件 要差一些 2 2 4 多盘式结构 2 防 卜 丐扣一 图2 5 多盘式结构示意图 1 定子铁心2 定子绕组3 永磁体 图2 5 所示为多盘式结构的示意图 电机内部由多定子和多转子交错排列组 成多气隙 采用多盘式结构可进一步提高盘式永磁同步电动机的转矩 特别适合 于大力矩直接传动装置 1 4 第二章基于h a l b a e h 永磁体阵列的盘式无铁心永磁同步电动机 2 3 基于h a l b a c h 永磁体阵列的盘式无铁心永磁同步电动机 2 3 1h a l b a c h 永磁体阵列 二十世纪八十年代 美国劳伦斯伯克利国家实验室的k l a u sh a l b a c h 教授提 出了一种新型的永磁体阵列 被命名为h a l b a c h 永磁体阵列 此后 h a l b a c h 永 磁体阵列被国内外的研究机构成功应用于粒子加速器 自由电子激光装置 同步 辐射装置等高能物理领域 由于h a l b a c h 永磁体阵列相比于以往的各种永磁体阵 列具有许多优良的特性 从二十世纪九十年代开始逐渐开始被应用到电机邻域 囤 b i c 教 o a 径向结构 b 切向结构 c h a l b a c h 阵列 图2 6 各种永磁体阵列的基本结构 图2 6 a b 所示为传统的径向 切向结构的永磁体阵列 图2 6 c 所示为 h a l b a c h 永磁体阵列 可以看出h a l b a c h 永磁体阵列是将径向和切向阵列结合在 一起得到的 合成的效果是永磁体阵列一侧的磁场增强 而另一侧的磁场减弱 近年来 h a l b a c h 永磁体阵列在高性能电机领域中的应用越来越广泛 主要是由 于其具有一些适合于电机的优良特性 1 h a l b a c h 永磁体阵列可以得到在空间比较理想的按正弦分布的磁场 因此 可大大减弱电机的齿槽效应力矩 这个特点使得采用h a l b a c h 永磁体阵列的电机 的齿槽效应力矩几乎可以忽略不计 有利于提高电机的性能 采用段数较少的 h a l b a c h 永磁体阵列就可以得到比较理想的正弦分布的磁场 制造电机的成本不 高 2 h a l b a c h 永磁体阵列可有效的增强阵列一侧的磁场 同时减弱阵列另一侧 第二章基于h a l b a c h 永磁体阵列的盘式无铁心承磁同步电动机 的磁场 这对于提高电机力能密度 缩小电机体积都十分有利 h a l b a c h 永磁体 阵列的这个特点可以大大减少电机轭部的磁通 太大减弱电机本体的漏磁 减弱 电机对外部环境的电磁干扰 此外 可减少轭部铁心的使用景 有助于降低电机 成本 同时减小电机的质量和转动惯量 提高电机的动态性能 3 h a l b a c h 永磁体阵列可虬提高电机的效率 采用h a l b a c h 永磁体阵列的电 机的空载损耗可以降低一个数量级 电机的效率得到提高 4 1h a l b a c h 永碰体阵列可以降低电机的转矩脉动 降低电机对轴承强度的要 求 f 5 1 h a l b a c h 永磁体阵列还有助于电机的冷却 有效地降低电机的电感系数 圈2 79 0 6 0 6 4 5 h a i b 扯h 永磁体阵列 h a l b a c h 永磁体阵列按照构成每极的块数的不同可以分成9 0 6 0 0 和4 5 等 几种不同的结构 其结构如图2 7 所示 本课题针对的盘式无铁心永磁同步电动 机采用的是4 5 h a l b a c h 永磁体阵列 永磁体阵列粘贴在转于上 完成激励磁场 的作用 2 3 2 盘式无铁心永磁同步电动机 本课题的研究对象是基于h a l b a c h 永磁体阵列的盘式无铁心永磁同步电动 麓 憾 第二章基于h a l b a c h 永磁体阵列的盘式无铁心永磁同步电动机 机 该电机采用中间定子结构 电机的定子部分采用无铁心结构 由导线直接绕 制成电枢绕组 电枢绕组由一种复合材料定型 并通过安装在定子中心的转轴固 定在外部的支架上 电机的转子部分即电机的外壳 由铝材料制成 电机的转轴 安装在转子上 起励磁作用的永磁体粘贴在转子的内侧 永磁体采用的是具有高 矫顽力和高剩磁密度的钕铁硼永磁材料 h a l b a c h 永磁体阵列被应用到本电机的 设计中 图2 8 所示为本设计电机的结构示意图 图2 8 基于h a l b a c h 永磁体阵列的盘式无铁心永磁同步电动机的结构示意图 1 外壳2 电枢绕组3 永磁体阵列4 转轴 本设计电机采用的中间定子结构相比于中问转子结构有以下优点 l 采用 外转子结构 将永磁体直接粘贴在转子上 避免了永磁体和转子外壳间相互运动 造成的涡流损耗 2 采用外转子结构 在转子内的两侧都粘贴有永磁体 可以 有效的增强气隙磁场 另外 电机利用钕铁硼永磁材料的优异特性而省去铁心的 使用 不但使得电机的重量大幅度下降 还有效的降低了电机的振动噪声 提高 了电机的效率 根据永磁电机的设计理论可以知道 增强电机的气隙磁场可提高电机的磁负 荷 在体积相同的情况下 气隙磁场强的电机可获得更高的功率 电机的力能密 度也相应提高 如果考虑从增强气隙磁场的角度来提升盘式永磁电机的性能 可 以从两个方面入手 1 永磁材料2 永磁体的排列方式 考虑到永磁材料性价 比的因素 很难通过改善永磁材料性能来提升永磁电机的性能 与此不同的是 永磁体的排列方式灵活多变 可以考虑从这方面来改善电机的气隙磁场 提升永 磁电机的性能 本课题针对的盘式无铁心永磁同步电动机正是通过这种方法 选 用聚磁性能很强的h a l b a c h 永磁体阵列来增强电机内的气隙磁场 达到提升电机 1 7 第二章基于h a l b a c h 永磁体阵列的盘式无铁心永磁同步电动机 性能的目的 图2 9 盘式无铁心永磁同步电动机的转子示意图 图2 9 所示为盘式无铁心永磁同步电动机的转子 粘贴在转子上的永磁体按 照h a l b a c h 永磁体阵列的充磁规则确定充磁方向 基于h a l b a c h 永磁体阵列的盘 式无铁心永磁同步电动机按照结构的不同可以分为均匀气隙结构的电机 楔形气 隙结构的电机 多气隙结构的电机 后两种结构的电机在均匀气隙结构电机的基 础上经过改进得到 2 3 2 1 均匀气隙结构 基于h a l b a c h 永磁体阵列的盘式无铁心永磁同步电动机在第一次被设计出来 时是均匀气隙结构的电机 图2 1 0 所示为均匀气隙结构电机的结构示意图 图 中只画出了电机的上半部分 图2 1 0 均匀气隙结构的盘式无铁心永磁同步电动机结构示意图 l 一永磁体阵列2 电枢绕组 1 8 第二章基于h a l b a c h 永磁体阵列的盘式无铁心永磁同步电动机 从图2 1 0 可以看出 均匀气隙结构的盘式无铁心永磁同步电动机从内径处 到外径处电枢绕组盘的厚度保持不变 此外粘贴在转子上的永磁体阵列和电枢绕 组盘平行 于是在两个永磁体阵列之间形成一个长度不变的气隙 称为均匀气隙 该电机也由此得名 表2 1 所示为2 5 0 w 均匀气隙结构电机的设计数据 表2 12 5 0 w 均匀气隙结构电机的设计数据 设计参数均匀气隙结构 功率尸哪a v 2 5 0 转速n l r m i n 1 3 7 5 相数m3 y 接 输入频率f h z 5 0 极对数p 8 线圈数 3 相 4 8 每相串联匝数 6 4 0 线径d l m m l 0 6 永磁体内径d i m m 1 0 4 永磁体外径 m m 1 8 0 气隙万 m m 8 绕组厚度 m m 6 永磁体厚度 m m 单侧 6 效率刁 9 2 功率因数c o s t p 0 9 9 绝缘等级 f 盘式无铁心永磁同步电动机的定 转子都采用无铁心结构 电机内部无齿无 槽 相对于传统电机中的槽满率 定义s sl s2 为盘式无铁心永磁同步电动机 的导体占空比 内径处 s 乙 石跣 2 m n a x d 2是 o 万玩 外径处 s o 万d 0 2 t u n a x d 2 叉 o 万d 厶 式中 d 为导体线径 a 为并绕导体数 i n 为相数 为每相串联匝数 d i n 为永磁体阵列的内径 d 哪为永磁体阵列的外径 加为内径处的导体厚度 d 甜 为外径处的导体厚度 o 为绕组盘厚度 经过分析知道 均匀气隙结构的盘式无铁心永磁同步电动机的导体占空比在 1 9 第二章基于h a l b a c h 永磁体阵列的盘式无铁心永磁同步电动机 外径处要比内径处小很多 还有很大的余量 均匀气隙结构电机的结构比较简单 其制作工艺也相对比较简单 2 3 2 2 楔形气隙结构 楔形气隙结构的盘式无铁心永磁同步电动机是在均匀气隙结构电机的基础 上经过改进电机结构得到 其设计思想是从导体占空比的角度出发 提高电机外 径处的导体占空比 将内 外径处的导体占空比设计成同一数值 其他设计数据 不变 图2 1 l 所示为楔形气隙结构盘式无铁心永磁同步电动机的结构示意图 图中只画出了电机的上半部分 图2 11 楔形气隙结构的盘式无铁心永磁同步电动机结构示意图 1 永磁体阵列2 电枢绕组 由图2 1 1 可以看出 楔形气隙结构的盘式无铁心永磁同步电动机的电枢绕 组盘从内径处到外径处宽度不断减小 整个电枢绕组的截面呈楔形 此外 粘贴 在转子上的永磁体阵列和电枢绕组盘平行 于是在两个永磁体阵列之间形成一个 横截面呈楔形的气隙 该电机也由此得名 楔形气隙结构的电机在外径处的气隙 长度比内径处减小很多 整个电机的等效气隙长度相应减小 电机的气隙磁场得 到增强 电机性能相比于均匀气隙结构的电机也得到提高 楔形气隙结构电机相 比于均匀气隙结构电机要复杂一些 其制作工艺也要更复杂 表2 2 所示为2 5 0 w 楔形气隙结构电机的设计数据 第二章基于h a l b a c h 永磁体阵列的盘式无铁心永磁同步电动机 表2 22 5 0 w 楔形气隙结构电机的设计数据 设计参数楔形气隙结构 功率p 蚍a v 2 5 0 转速n l r w a n 1 3 7 5 相数m3 y 接 输入频率f h z 5 0 极对数p 8 线圈数 3 相 4 8 每相串联匝数 6 4 0 线径d m m l 0 6 永磁体内径玩 m m 1 0 4 永磁体外径 m m 1 8 0 气隙8 m m 8 内径处 5 4 外径处 6 内径处 绕组厚度 m m 3 4 外径处 永磁体厚度 m m 单俣0 6 效率r l 1 9 2 功率因数c o s c p 0 9 9 绝缘等级 f 2 3 2 3 多气隙结构 多气隙结构的盘式无铁心永磁同步电动机是在均匀气隙结构电机的基础上 通过改进电机结构得到的 由于加工工艺方面的限制 盘式无铁心永磁同步电动 机的径向尺寸不能超过一定的范围 否则电机的加工难度会很大 而且相关尺寸 的精度也无法保证 为