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第二章永磁电机 永磁电机的主要特点和应用永磁直流电机 永磁同步电动机 永磁同步发电机 永磁同步电动机 永磁同步电动机的总体结构永磁同步电动机的转子磁路结构永磁同步电动机的稳态性能 永磁同步电动机的磁路分析与计算 永磁同步电动机的参数计算和分析异步起动永磁同步电动机的起动过程 永磁同步电动机 主磁场方向不同 径向磁场式和轴向磁场式 电枢绕组位置 内转子式 常规式 和外转子式 转子有无起动绕组 无起动绕组电动机 常称为调速永磁同步电动机 和有起动绕组电动机 常称为异步起动永磁同步电动机 供电电流波形 可分为矩形波永磁同步电动机 简称为无刷直流电动机 和正弦波永磁同步电动机 简称为永磁同步电动机 一 永磁同步电动机的总体结构 永磁同步电动机也由定子 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 永磁同步电动机横截面示意图 1 定子2 永磁体3 转轴4 转子铁心 一 永磁同步电动机的总体结构 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 永磁同步电动机转子直轴磁路中永磁体的磁导率很小 Xad较小 故一般Xad Xaq 分析时应注意其异于电励磁凸极同步电动机的这一特点 二 永磁同步电动机的转子磁路结构 转子磁路结构不同 电动机的运行性能 控制系统 制造工艺和适用场合也不同 按照永磁体在转子上位置的不同 永磁同步电动机的转子磁路结构一般可分为三种 表面式 内置式和爪极式 二 永磁同步电动机的转子磁路结构 表面式转子磁路结构内置式转子磁路结构爪极式转子磁路结构隔磁措施 1 表面式转子磁路结构 a 凸出式 隐极结构 b 插入式 凸极结构 1 表面式转子磁路结构 对采用稀土永磁的电机来说 由于永磁材料的相对回复磁导率接近1 所以表面凸出式转于在电磁性能上属于隐极转子结构 而表面插入式转子的相邻两永磁磁极间有着磁导率很大的铁磁材料 故在电磁性能上属于凸极转子结构 1 表面式转子磁路结构 凸出式转子结构使用特点具有结构简单 制造成本较低 转动惯量小等优点 在矩形波永磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机中得到了广泛应用 此外 表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计 使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形状 可显著提高电动机乃至整个传动系统的性能 1 表面式转子磁路结构 插入式转子结构使用特点这种结构可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩 提高电动机的功率密度 动态性能较凸出式有所改善 制造工艺也较简单 常被某些调速永磁同步电动机所采用 但漏磁系数和制造成本都较凸出式大 1 表面式转子磁路结构 总之 表面式转子磁路结构的制造工艺简单 成本低 应用较为广泛 尤其适宜于矩形波永磁同步电动机 但因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 永磁同步电动机的转子磁路结构 表面式转子磁路结构内置式转子磁路结构爪极式转子磁路结构隔磁措施 2 内置式转子磁路结构 永磁体位于转子内部 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 内置式转子内的永磁体受到极靴的保护 其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩也有助于提高电动机的过载能力和功率密度 而且易于 弱磁 扩速 径向式结构切向式结构混合式结构 2 内置径向式转子磁路结构 1 转轴2 永磁体槽3 永磁体4 转子导条 早期常用 应用较为广泛 2 内置径向式转子磁路结构 1 转轴2 永磁体槽3 永磁体4 转子导条 外转子结构 更大的永磁体空间 2 内置径向式转子磁路结构 优点是漏磁系数小 转轴上不需采取隔磁措施 极弧系数易于控制 转子冲片机械强度高 安装永磁体后转子不易变形等 2 内置切向式转子磁路结构 1 转轴2 空气隔磁槽3 永磁体4 转子导条 优点 一个极距下的磁通由相临两个磁极并联提供 可得到更大的每极磁通 2 内置切向式转子磁路结构 这类结构的漏磁系数较大 并且需采用相应的隔磁措施 电动机制造工艺相制造成本较径向式结构有所增加 其优点在于一个极距下的磁通由相临两个磁极并联提供 可得到更大的每极磁通 尤其当电动机极数较多 径向式结构不能提供足够的每极磁通时 这种结构的优势便显得更为突出 此外 采用切向式转子结构的永磁同步电动机的磁阻转矩在电动机总电磁转矩中的比例可达40 这对充分利用磁阻转矩 提高电动机功率密度和扩展电动机的恒功率运行范围都是很有利的 2 内置混合式转子磁路结构 1 转轴2 永磁体槽3 永磁体4 转子导条 2 内置混合式转子磁路结构 1 转轴2 永磁体槽3 永磁体4 转子导条 2 内置混合式转子磁路结构 这类结构集中了径向式和切问式转子结构的优点 但结构和制造工艺均较复杂 制造成本也比较高 图 a 是由德国西门子公司发明的混合式转子磁路结构 需采用非磁性转轴或采用隔磁铜套 主要应用于采用剩磁密度较低的铁氧体永磁同步电动机 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 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 但制造工艺却依次更复杂 转子冲片的机械强度也有所下降 2 内置混合式转子磁路结构 在选择转子磁路结构时还应考虑到不同转子磁路结构电机的交 直轴同步电抗 及其比例 称为凸极率 也不同 在相同条件下 上述三类转子磁路结构电动机的直轴同步电抗相差不大 但它们的交轴同步电抗却相差较大 切向式转子结构电动机的最大 径向式转子结构电动机的次之 2 内置混合式转子磁路结构 由于磁路结构和尺寸多种多样 的大小需要根据所选定的结构和具体尺寸运用电磁场数值计算求得 较大的和凸极率可以提高电动机的牵入同步能力 磁阻转矩和电动机的过载倍数 因此设计高过载倍数的电动机时可充分利用大的凸极率所产生的磁阻转矩 永磁同步电动机的转子磁路结构 表面式转子磁路结构内置式转子磁路结构爪极式转子磁路结构隔磁措施 3 爪极式转子磁路结构 1 左法兰盘2 圆环形永磁体3 右法兰盘4 非磁性转轴 3 爪极式转子磁路结构 左右法兰盘的爪数相同 且两者的爪极互相错开 沿圆周均匀分布 永磁体轴向充磁 因而左右法兰盎的爪极分别形成极性相异 相互错开的永磁同步电动机的磁极 爪极式转子结构永磁同步电动机的性能较低 又不具备异步起动能力 但结构和工艺较为简单 永磁同步电动机的转子磁路结构 表面式转子磁路结构内置式转子磁路结构爪极式转子磁路结构隔磁措施 4 隔磁措施 1一转轴2一转于铁心3一永磁体槽4一永磁体5一转于导条 4 隔磁措施 隔磁磁桥宽度b越小 该部位磁阻便越大 越能限制漏磁通 但是b过小将使冲片机械强度变差 并缩短冲模的使用寿命 隔磁磁桥长度w也是一个关键尺寸 计算结果表明 如果隔磁磁桥长度不能保证一定的尺寸 即使磁桥宽度小 磁桥的隔磁效果也将明显下降 但过大的w将使转子机械强度下降 制造成本提高 切向式转子结构的隔磁措施一般采用非磁性转轴或在转轴上加隔磁铜套 这使得电动机的制造成本增加 制造工艺变得复杂 近年来 研制了采用空气隔磁加隔磁磁桥的新技术 取得了一定的效果 但转子的机械强度显得不足 电动机可靠性下降 永磁同步电动机 永磁同步电动机的总体结构永磁同步电动机的转子磁路结构 永磁同步电动机的稳态性能 永磁同步电动机的磁路分析与计算 永磁同步电动机的参数计算和分析异步起动永磁同步电动机的起动过程 永磁同步电动机的稳态性能 一 稳态运行和相量图 二 稳态运行性能分析计算 三 损耗分析计算 一 稳态运行和相量图利用双轴电枢反应分析法 双反应理论 研究永磁同步电动机 同步电机的电枢反应 同步电机电枢磁势基波对磁极主磁场的影响 旋转磁势的形成 电枢磁势基波特点 幅值恒定 Fa用空间矢量表示时 磁势矢量顶点的轨迹是圆 当某相的电流为最大时 此时磁势的轴线在该相绕组的轴线上 转速n1 60f p n与磁极的转速相等 转向与磁极转向相同 电枢磁势的基波与磁极励磁磁势相对静止 共同产生气隙合成磁场 电枢反应 纯阻性电枢电流与励磁电势同相 0 A相电势最大 纯阻性 A相电流最大 A相磁势F最大 F IW 电枢磁势轴线与励磁磁势轴线垂直 电枢反应 纯阻性 直轴 交轴 直轴或d轴 磁极轴线 交轴或q轴 与磁极轴线正交的方位 影响 扭歪主磁场交轴磁势与主磁场相互作用产生电磁转矩 实现机电能量转换的必要条件 交轴电枢反应 d q 电枢反应 2 感性电枢电流滞后励磁电势90 90 A相电势最大 纯感性 A相电流为零 F IW 电枢磁势轴线与励磁磁势轴线同在直轴轴线 方向相同 直轴增磁电枢反应 电枢反应 3 容性电枢电流超前励磁电势90 90 A相电势最大 A相电流为零 F IW 电枢磁势轴线与励磁磁势轴线重合 方向相反 回顾 直轴去磁电枢反应 理想纯R 理想纯C 理想纯L 直轴电枢反应增磁 直轴电枢反应去磁 交轴电枢反应扭歪主磁场产生电磁转矩 实现机电能量转换 电枢电流与励磁电势同相 2 电枢电流滞后励磁电势90 3 电枢电流超前励磁电势90 双反应理论 双轴电枢反应分析法 d q 交轴电枢磁势 直轴电枢磁势 一般负载情况时电枢磁势的分解 磁势电势矢量图 时间矢量图 电势 电流及磁通均随时间正弦交变 都可以用时间矢量来表示 时间矢量图 空间矢量图 表达磁势在空间相位关系的矢量图 空间矢量图 相轴 A相时轴 绕组轴线 矢量最大值位置 时间矢量图 空间矢量图 相轴 A相时轴 电势 电流是时间矢量 对应某一相的量 磁势是空间矢量 是三相合成的 空间时间矢量图的矢量都以同步角速度旋转 所以永远保持相对静止 因此各矢量间的关系适用于任何瞬间 时间矢量图 空间矢量图 相轴 A相时轴 电势 电流是时间矢量 对应某一相的量 磁势是空间矢量 是三相合成的 空间时间矢量图的矢量都以同步角速度旋转 所以永远保持相对静止 因此各矢量间的关系适用于任何瞬间 1 电压平衡式和等值电路 永磁体 励磁磁势Ff 励磁磁场 电枢电流I 电枢磁势Fa 电枢主磁场 气隙磁场 气隙电势E 内电势 电枢漏磁场 漏磁感应电势E 电枢绕组有电阻ra 主磁通 f 1 电压平衡式和等值电路 电压平衡式 负载相电压有效值 V 定子相电流有效值 A 定子绕组相电阻 定子漏抗 气隙电势或内电势 V 等值电路 2 不饱和凸极同步电动机 永磁体 励磁磁势Ff 励磁磁场 电枢电流I 电枢磁势Fa 电枢主磁场 气隙磁场 气隙电势E 内电势 励磁电势E0 直轴电枢磁势Fad 交轴电枢磁势Faq 直轴电枢反应电势Ead 交轴电枢反应电势Eaq 即永磁体基波磁场所产生的空载感应电势 气隙电势E 励磁电势E0 直轴电枢反应电势Ead 直轴电枢磁势Fad 直轴电枢电流Iad 交轴电枢反应电势Eaq 交轴电枢磁势Faq 交轴电枢电流Iaq 电枢电流I 2 不饱和凸极同步电动机 电抗xad 磁路不饱和 即永磁体基波磁场所产生的空载感应电势 气隙电势E 励磁电势E0 直轴电枢反应电势Ead 直轴电枢磁势Fad 直轴电枢电流Iad 交轴电枢反应电势Eaq 交轴电枢磁势Faq 交轴电枢电流Iaq 电枢电流I 2 不饱和凸极同步电动机 电抗xad 磁路不饱和 直轴电枢反应电抗 交轴电枢反应电抗 即永磁体基波磁场所产生的空载感应电势 气隙电势E 励磁电势E0 直轴电枢反应电势Ead 直轴电枢电流Iad 交轴电枢反应电势Eaq 交轴电枢电流Iaq 电枢电流I 2 不饱和凸极同步电动机 直轴电枢反应电抗 交轴电枢反应电抗 电枢反应电抗 三相的单位直轴电流或交轴电流产生的电枢反应磁场在每相电枢绕组中所感应的电势 其中包括相绕组自感电抗和相间的互感电抗 气隙电势E 励磁电势E0 直轴电枢反应电势Ead 直轴电枢电流Iad 交轴电枢反应电势Eaq 交轴电枢电流Iaq 电枢电流I 2 不饱和凸极同步电动机 直轴电枢反应电抗 交轴电枢反应电抗 气隙电势E 励磁电势E0 直轴电枢反应电势Ead 直轴电枢电流Iad 交轴电枢反应电势Eaq 交轴电枢电流Iaq 电枢电流I 2 不饱和凸极同步电动机 直轴电枢反应电抗 交轴电枢反应电抗 气隙电势E 励磁电势E0 直轴电枢反应电势Ead 直轴电枢电流Iad 交轴电枢反应电势Eaq 交轴电枢电流Iaq 电枢电流I 2 不饱和凸极同步电动机 直轴电枢反应电抗 交轴电枢反应电抗 直轴电枢同步电抗 交轴电枢同步电抗 非饱和 在W2中 电抗的基本概念 电枢反应电抗 电抗xad 磁路不饱和 电枢反应电抗 不饱和值 直轴电枢反应电抗xad 不饱和值 Id建立直轴电枢磁场 Fad建立的气隙磁感应强度 每极基波磁通 每相感应电势 令 则 功率因数角 内功率因数角 功率角或转矩角 永磁同步电动机几种典型相量图 稳态运行和相量图 图 a b 和 c 中的电流均超前于空载反电动势 直轴电枢反应 图中 均为去磁性质 导致电动机直轴内电动势小于空载反电动势 图 e 中电流滞后于 此时直轴电枢反应为增磁性质 导致直轴内电动势大于 直轴增 去磁临界状态 图 d 与同相 则 稳态运行和相量图 从而可以求得直轴增 去磁临界状态时的空载反电动势为 电动机将运行于去磁工作状态 电动机将运行于增磁工作状态 从图中还可看出 要使电动机运行于单位功率因数 图 b 或容性功率因数状态 图 a 只有设计在去磁状态时才能达到 永磁同步电动机的稳态性能 一 稳态运行和相量图 二 稳态运行性能分析计算 三 损耗分析计算 稳态运行性能分析计算稳态运行性能包括 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以及失步转矩倍数等 稳态运行性能分析计算 电磁功率凸极式隐极式 输入功率 对不饱和隐极电机 忽略电枢绕组电阻 铜耗 电磁功率 72 稳态运行性能分析计算 电磁功率 对不饱和隐极电机 73 功角特性 稳态运行性能分析计算 电磁功率 对不饱和凸极电机 功角特性 74 稳态运行性能分析计算 电磁功率 75 76 基本电磁功率 附加电磁功率 凸极效应 由于直轴和交轴磁路的磁阻不同而进行能量传递的现象专门利用凸极电磁转矩来运行的称为反应式同步电机或磁阻式电机 隐极式 xd xq xs 不加励磁也能输出功率 稳态运行性能分析计算 电磁转矩和功角特性电动机的电磁转矩为式中第1项由永磁气隙磁场与定子电枢反应磁场相互作用产生的基本电磁转短 又称永磁转矩 第2项为由于电动机直 纵轴磁路不对称而产生的磁阻转矩 永磁同步电动机的矩角特性 稳态运行性能分析计算 由于永磁同步电动机直轴同步电抗一般小于交轴同步电抗 磁阻转矩为一负正弦函数 因而功角特性曲线上转矩最大值所对应的转矩角大于90 而不象电励磁同步电动机那样小于90 这是永磁同步电动机一个值得注意的特点 功角特性上的转矩最大值被称为永磁同步电动机的失步转矩 如果负载转矩超过此值 则电动机将不再能保持同步转速 稳态运行性能分析计算 工作特性曲线 1