毕业论文：异步起动永磁同步电动机的电磁设计.doc

2008级机电一体化技术专业毕业论文论文题目：异步起动永磁同步电动机的电磁设计摘 要：随着永磁材料工艺的进步和电子电力技术的发展，永磁同步电动机逐渐克服技术难点，逐步占领市场。永磁同步电动机与异步电机比较，有效率高、功率因数接近1、体积小、节能等优势。在当今强调节约、绿色概念的社会，节能和节约材料的永磁同步电机已经在国外蓬勃发展，而在国内电机行业也以惊人的速度在发展。因此本文选取了异步起动永磁同步电机的电磁设计，主要包括额定数据和技术要求、主要尺寸、永磁体计算、定转子冲片、绕组计算磁路计算、参数计算、工作特性计算、起动性能计算等，还列举了相应的算例。关键词：永磁同步，电磁设计，设计算法, 异步起动目 录摘 要：I1 概述31.1永磁同步电动机的运行原理与特点31.2永磁同步电动机分类31.3 永磁同步电动机结构41.4异步起动永磁同步电机的设计特点42 永磁同步电机电磁设计步骤52.1 程序框图52.2 额定数据和技术要求62.3 主要尺寸72.4 永磁体计算82.5 定转子冲片92.6 绕组计算112.7 磁路计算122.8 参数计算152.9 交轴磁化曲线计算182.10 工作特性计算192.11 起动性能计算22结 论25参考文献26致 谢27I1 概述1.1永磁同步电动机的运行原理与特点永磁同步电动机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。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。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1、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28个百分点。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密度。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。 1.2永磁同步电动机分类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，形成一台具有阻尼绕组的调速永磁同步电动机。 随着永磁材料性能和电力电子器件性能价格比的不断提高，现代控制理论、微机控制技术和电机制造工艺的迅猛发展，新磁路结构的不断涌现，在永磁同步电动机理论分析、设计和运行控制中不断出现了许多有待进一步深入研究的新课题。1.3 永磁同步电动机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11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 如图1-1永磁同步电动机横截面示意图（1一定子 2一永磁体3一转轴 4一转子铁心）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。1.4异步起动永磁同步电机的设计特点异步起动永磁同步电动机一般应用于要求高效的场合,因而对电动机的要求是效率高,功率因数高,起动品质因数高 永磁体用量省等.电磁设计的主要任务是确定电机主要尺寸,选择永磁材料和转子磁路结构,估计永磁体的尺寸,设计定子转子的冲片和选择绕组数据,然后利用有关公式对初设计方案进行性能校核调整电动机的某些设计参数,直至电动机的电磁设计方案符合技术经济指标要求。2 永磁同步电机电磁设计步骤开始2.1 程序框图 读入已知数据主要尺寸及绕组匝数，线规确定固定参数计算假定电流初值绕组计算假定气隙磁通初值磁路计算永磁体工作点计算换向计算最大去磁校核输出额定点性能不同负载率的工作特性计算结束2.2 额定数据和技术要求 名称 公式 算例（1）额定功率 15kW （2）相数 m 3（3）额定线电压 380V （4）额定频率 f 50Hz （5）极对数 p 2（6）额定效率 93.5（7）额功率因数 0.95（8）失步转矩倍数 1.8倍 （9）起动转矩倍数 2.0倍 （10）起动电流倍数 9.0倍 （11）绕组型式 星型接（12）额定相电压 291.39V （13）额定相电流 25.66A （14）额定转速 1500 r/min （15）额定转矩 5.49（16）绝缘等级 B级2.3 主要尺寸（17）铁心材料 DW315-50 （18）转子磁路结构形式 内置径向W型（19）气隙长度 0.065 cm （20）定子外径 26cm （21）定子内径 17cm （22）转子外径 16.87cm （23）转子内径 6 cm （24）定/转子铁心长度 19/19（25）电枢计算长度 当定转子铁心长度相等时 19.13cm 当定转子铁心长度不等时 当 ()/ 当()/（26）定/转子槽数 36/32（27）定子每极每相槽数 q=/(2mp)(相带) 3 q=/(mp)(相带)（28）极距 13.352cm （29）硅钢片质量 96.79kg 式中 冲剪余量 0.5 cm 和中较大者 19cm 铁的密度 7.8 g/cm 铁心叠压系数，一般可在0.92-0.95的范围内取值 0.932.4 永磁体计算（30）永磁材料牌号 NTP264H（31）计算剩磁密度 1.0741T 时的剩磁密度 1.15T 的可逆温度系数 -1.12 W IL的不可逆损失率 0 W t预计工作温度 75 C （32）计算矫顽力 817.25 kA 875 kA（33）相对回复磁导率 1.046 （34）磁化方向长度 0.53 cm （35）宽度 11 cm （36）轴向长度 19 cm （37）提供每极磁通的截面积 径向 209 切向（38）永磁体总质量 3.28 kg 永磁体密度 7.4g/ 2.5 定转子冲片（39）定子槽行定子槽尺寸 0.08cm 0.38cm 0.77cm 0.51cm 1.52 cm 30 () （40）转子槽形 1转子槽尺寸 0.08 cm 0.2 cm 0.64 cm 0.55 cm - - 1.5 cm - 1.58 cm 30 ()（41）定子齿距 1.484 cm（42）定子斜槽距离 1.405 cm （43）定子齿宽 0.743cm 0.747cm 若 0.744cm （44）定子轭磁路计算高度 2.56cm （45）定子齿磁路计算长度 1.69 cm （46）定子轭磁路计算长度 9.205cm （47）定子齿体积 799.83cm （48）定子轭体积 3331.07 cm （49）转子齿距 1.654cm （50）转子齿磁路计算长度 （对圆底槽） 1.5cm （对平底槽） （对圆形槽）（51）转子轭计算高度 平底槽 3.325cm 圆底槽 圆形槽 （52）转子轭磁路计算长度 3.662 cm 2.6 绕组计算（53）每槽导体数 13（54）并联支路数 1（55）并绕根数-线径 2-1.25 （56）每相绕组串联匝数 78（57）槽满率计算 槽面积 1.59 和H槽楔厚度 槽绝缘面积 双层绕组 单层绕组 槽有效面积 槽满率 78.2%（58）节距 y 1-9 2-10 11-18 （59）绕组短距因数 1 1（60）绕组分布因数 0.9598（61）斜槽因数 0.9954（62）绕组因数 0.9554（63）线圈平均半匝长 37.463 cm (单层) （双层） （64）线圈端部轴向投影长 4.221 cm （65）线圈端部平均长 18.463 cm（66）定子导线质量 8.9g/ 2.7 磁路计算（67）极弧系数 0.875（68）计算极弧系数 0.891（69）气隙磁密波形系数 1.255（70）气隙磁通波形系数 0.897（71）气隙系数 1.276 （72）空载漏磁系数 1.28（73）永磁体空载工作点假定值 0.892（74）空载主磁通 0.01454 Wb （75）气隙磁密 0.639 T （76）气隙磁位差 直轴磁路 966.0 A 交轴磁路 843.0 A （77）定子齿磁密 1.380T （78）定子齿磁位差 33.8A （79）定子轭部磁密 1.607T （80）定子轭磁位差 414 A （81）转子齿磁密 1.338T （82）转子齿磁位差 23.8A （83）转子轭磁密 1.237T （84）转子轭磁位差 14.6 A 转子轭部校正系数。（85）每对极总磁位差 1484.4A 计算时，每对极总磁位差应为 （86）磁路齿饱和系数 1.068（87）主磁导 H （88）主磁导标么值 径向磁路结构 3.795 切向磁路结构 3.785（89）外磁路总磁导标么值 4.485 （90）漏磁导标么值 1.06（91）永磁体空载工作点 0.829（92）气隙磁密基波幅值 0.802 T （93）空载反电动势 215.8 V 2.8 参数计算（94）定子直流电阻 0.213 铜线电阻率（95）转子折算电阻 0.096导条电阻 （95）转子折算电阻 端环电阻 式中 （对铸铝转子） （对铜条转子） 转子导条长度 导条截面积 端环平均直径 端环截面积 导条电阻率 端环电阻率（96）转子绕组质量 铜条转子 铸铝转子 1.89 kg （97）漏抗系数 0.4192（98）定子槽比漏磁导 1.175 槽上下部节距漏抗系数 1/1 对 对 对 0.407 0.768（99）定子槽漏抗 0.179 （100）定子谐波漏抗 0.271 （101）定子端部漏抗 双层叠绕组 单层同心式 单层交叉式，同心式（分组的） 0.115 单层链式（102）定子斜槽漏抗 0.121（103）定子漏抗 0.686（104）转子槽比漏磁导 1.416 式中的 （105）转子槽漏抗 0.2212（106）转子谐波楼抗 0.2488 （107）转子端部漏抗 0.0626（108）转子漏抗 0.5326（109）直轴电枢磁动势折算系数 0.768（110）交轴电枢磁动势折算系数 0.2869（111）直轴电枢反应电抗 4.123 式中 对径向磁路结构 对切向磁路结构 取（112）直轴同步电抗 4.8092.9 交轴磁化曲线计算（113）设定交轴磁通 可在0.35到0.85间取值（114）交轴磁路总磁位差 （115）对应交轴电流 （116）交轴电动势 （117）交轴电枢反应电抗 2.10 工作特性计算 （118）机械损耗 160 W（119）设定转矩角 45.14（120）假定交轴电流 20.61 A （121）交轴电枢反应电抗 6.754 （122）交轴同步点抗 7.438（123）输入功率 15971.3 W （124）直轴电流 13.759 A （125）交轴电流 20.608 A（126）功率应数 0.9794 式中 （127）定子电流 24.779 A （128）定子电阻损耗 392.3 W（129）负载气隙磁通 0.01425 Wb 式中 221.37（130）负载气隙磁密 0.6261 T（131）负载定子齿磁密 1.3521 T （132）负载定子轭磁密 1.5751 T （133）铁耗 205.7 W（134）杂散损耗 211.4 W（135）总损耗 211.0 W（136）输出功率 150002.3 W （137）效率 93.93 W （138）工作特性 （139）失步转矩倍数 1.85 倍 最大输出功率 27.686 kW （140）永磁体额定负载工作点 0.746 式中对径向结构 对切向结构（141）电负荷 217.0 A/cm（142）电密 4.167（143）热负荷 904.2（144）永磁体最大去磁工作点 0.288 式中对径向结构 0.6530 对切向结构 90.32 A2.11 起动性能计算（145）起动电流假定 222 A（146）漏抗饱和系数 0.52（147）齿顶漏磁饱和引起定子齿宽度的减少 0.5299 cm（148）齿顶漏磁饱和引起转子齿宽度的减少 0.6989 cm（149）起动时定子槽比漏磁导 0.9905 式中 0.1845（150）起动时定子槽漏抗 0.1509 （151）起动时定子谐波漏抗 0.1409（152）起动时定子斜槽漏抗 0.1409（153）起动时定子漏抗 0.4697（154）考虑挤流效应转子导条相对高度 1.012（155）导条电阻等效高度 1.3765 cm 式中 1.0897（156）槽漏抗等效高度 1.461 cm 式中 0.9744（157）起动转子电阻增大系数 1.083（158）起动转子漏抗减小系数 0.9744（159）起动转子槽下部漏磁导 0.99（160）起动时转子槽比漏磁导 1.097 0.089 0.311（161）起动时转子槽漏抗 0.1685（162）起动时转子谐波漏抗 0.1294（163）转子起动漏抗 0.3605（164）起动总漏抗 0.8302（165）转子起动电阻 0.318（166）起动时总电阻 0.513（167）起动总阻抗 0.9855（168）电流倍数 222.6A（169）起动电流倍数 8.67倍 （170）异步起动转矩曲线 式中 对半闭口槽 （171）永磁体发电制动转矩曲线 （172）合成起动转矩曲线 （173）起动转矩倍数 2.89倍 结 论随着永磁材料工艺的发展，和电子电力水平的提高，永磁同步电机成本高、磁路计算复杂等的缺点得以被克服。永磁同步电机与异步电机相比，具有功率因数高、节能、结构简单、质量轻等的优点。在当今提倡节省能源、节省材料的时代趋势下，永磁同步电机成为了电机行业的新趋势。然而尽管我国是稀土资源大国，稀土资源占全球的75%，而稀土资源是制造永磁电机所使用的钕铁硼的重要来源。长期以来，我国由于技术不足，将大量稀土低价出售给日本等发达国家，所以发展永磁同步电机对我国对外贸易有重要意义。另外，我国现在永磁电机所占电机市场份额的不到20%，而发达国家已经达到60%以上。所以，永磁同步电机在我国还有很大的发展空间。同时，我国在“十一五”规划中提出要求能耗降低20%，温家宝总理在2009政府工作报告中也提到要“继续推进十大重点节能工程建设，落实电机、锅炉、汽车、空调、照明等方面的节能措施”。所以，永磁同步电机是我国电机发展的必然趋势。参考文献1 唐任远.永磁电机.