电动车辆用永磁同步电机设计

精品文档 1欢迎下载 第第 1 1 章章 引引 言言 1 1 1 1 电电动动车车辆辆发发展展背背景景 汽车尾气的排放对人类健康和人们生活构成了严重威胁 再综合能源问题的 考虑 于是 具有零排放污染的电动汽车重新被重视起来 各国都制定了相关 的鼓励政策 典型的例子如美国 1993 年 9 月 美国政府提出了 10 年完成 的 新一代汽车合作计划 PNGV 由政府牵头 组织几十个公司和机构 完 成提高燃料经济性和开发电动汽车的规定目标 各大公司在政府的支持下 也 制定了发展电动汽车的长远规划 1 调动社会上各种力量参与电动汽车的研 制 电动汽车经历了关键性技术的突破 样机 样车的研制 区域性试用以及 小批量实际应用等探索阶段 现在已接近商业化生产 电动汽车是以电为动力的汽车 电动机是其主要动力来源 1 1 2 2 电电动动汽汽车车分分类类 目前的电动汽车分类主要有以下两种 1 燃料电池电动汽车 初期的电动汽车因电池组体积大 续驶里程短 使用不方便 成本高等缺 点 无法与技术已经成熟的内燃机汽车相比 要想发展电动汽车必须在技术上 解决比能量 比功率 寿命 成本以及研发经费等各种难题 到了20 世纪 90 年代 电动汽车技术有了显著的进步 如燃料电池的比功率从1997 年的 0 16kW kg 提高到 2000 年的 0 47kw kg 提高了近 3 倍 燃料电池 尤其 是以氢为原料的质子交换膜燃科电池 PEMFC 成了电动汽车发展的希望 2 燃料电池汽车 Fuel Cell Powered E1ectric Vehicles 实际上是一种 使燃料中的化学能转变为电能从而驱动车辆的汽车 排放物只是没有污染并可 再利用的水 燃料电池的发展还有些关键性技术难题 如催化剂 质子交换膜 极板等 这些问题都在研究攻关阶段 但不管如何 氢能 必将引起汽车工 业的革命 1996 年 北京举办的国际电动汽车及代用燃料汽车展览会上 参展的电动 汽车有福特的 Ranger 电动轻卡车 通用的 EV1 型车 丰田的 RAV4L 型车 精品文档 2欢迎下载 PSA 集团的 SAXO 型车 菲亚特的 ZIC 等车型 充分展示了电动汽车的发展水平 此外 还有很多混合动力汽车展出 1999 年 在日本东京国际车展上 展出 的燃料电池汽车有丰田公司功率为75kW 的燃料电池汽车 奔驰公司A 级燃料 电池汽车 车内空间与内燃机车型相同 功率为50kW 最高速度为 150km h 三菱公司功率为 40kW 的燃料电池汽车 福特 本田等公司也都展示 了自己公司燃料电池汽车的成果 2000 年 10 月 通用公司在北京展出了号称 氢动一号 的燃料电池汽车 应用液态氢驱动燃料电池组 总体积与一台普通汽油机相当 功率为80 120kW 整车质量为 1575kg 0 100km h 加速时间仅为 12 秒 这些指标与相 应的汽油机汽车基本相当 丰田公司最新一轮燃料电池汽车FCHV 4 输出功率为 90kW 最高时速 150km 续驶里程 250km 现在开发出来的汽车代用燃料还有压缩天然气 CNG 液化石油气 LPG 甲醇和乙醇等等 这些代用燃料汽车都已投入实际 使用 尤其是压缩天然气和液化石油气汽车使用得更广泛一些 另外 还有正 在研究阶段的太阳能汽车 以及在设想中的核能汽车等新能源汽车 但是从资 源的角度和现在发展状况看 电动汽车是最具生命力的 随着社会的发展 氢 燃料电池的氢的提取 氢的储存 氢的社会供应等技术难题会逐渐解决 各大 公司都已建立了电动汽车批量生产的总装配生产线 据说 戴姆勒 克莱斯 勒 通用 福持 丰田 本田的电动车路试工作已结束 2002 年将投入商业 化生产 估计到 2010 年 世界燃料电池汽车的年产量可达100 万辆 占世界 汽车总产量的 1 左右 精品文档 3欢迎下载 图 1 1 氢燃料电池车基本工作原理 2 混合动力汽车 混合动力汽车也称为复合动力汽车 Hybrid Vehicle 混合动力汽车是兼 顾降低燃油消耗和减少排放污染两种意义而研制的 也就是说 是向零排放过 渡的一种形式 一般这种车的动力是由一台发动机和一台电动机两套系统组成 的 任何一个系统都可以单独使用 也可以边走边充电 正常行驶时用电动机 驱动 当需要充电或车辆需要瞬间大功率时 发动机即投入运转 也就是说 可将发动机限定在高效率及排放清洁的范围内运行 由于混合动力汽车是介于 内燃机汽车和电动汽车之间的一种形式 成本比电动汽车要低得多 见表 3 虽然比发动机汽车还是高 但技术上比电动汽车要容易实现得多 由于各国 各地区的排放法规日益严格 目前已有很多国家实际使用了混合动力汽车 各 大汽车公司都生产和销售这种车型 混合动力轿车中发动机与电动机的联接基本上有两种形式 并联和混 联 串联与并联混合 在并联形式中 电动机与蓄电池都控制在最小范围内 有利于控制成本和质量 而混联的形式 比较接近电动车 所以燃油经济性较 好 日产公司的 Dino 混合动力车装备 1 8L 4 缸发动机 无级变速电动机和理 离子蓄电池 采用并联方式联接 三菱公司的SUW Advence 混合动力车装备 1 5L 77kW 直喷汽油机 与 12kW 电动机组合一起 并配以锂离子蓄电池 图 1 2 混合动力汽车工作原理图 精品文档 4欢迎下载 1 1 3 3 常常见见电电机机简简介介 通常电动机的作功部分作旋转运动 这种电动机称为旋转电动机 也有作直 线运动的 称为直线电动机 3 电动机能提供的功率范围很大 从毫瓦级到 万千瓦级 电动机的使用和控制非常方便 具有自起动 加速 制动 反转 掣住等能力 能满足各种运行要求 电动机的工作效率较高 又没有烟尘 气 味 不污染环境 噪声也较小 由于它的一系列优点 所以在工农业生产 交 通运输 国防 商业及家用电器 医疗电器设备等各方面广泛应用 图 1 3 感应电动机磁感线分布示意图 图 1 4 感应电动机绕组模型 精品文档 5欢迎下载 各种电动机中应用最广的是交流异步电动机 又称感应电动机 它使用 方便 运行可靠 价格低廉 结构牢固 但功率因数较低 调速也较困难 大 容量低转速的动力机常用同步电动机 见同步电机 同步电动机不但功率因 数高 而且其转速与负载大小无关 只决定于电网频率 工作较稳定 在要求 宽范围调速的场合多用直流电动机 4 但它有换向器 结构复杂 价格昂贵 维护困难 不适于恶劣环境 20 世纪 70 年代以后 随着电力电子技术的发展 交流电动机的调速技术渐趋成熟 设备价格日益降低 已开始得到应用 电动机在规定工作制式 连续式 短时运行制 断续周期运行制 下所能承 担而不至引起电机过热的最大输出机械功率称为它的额定功率 使用时需注意 铭牌上的规定 电动机运行时需注意使其负载的特性与电机的特性相匹配 避免出现飞车或 停转 电动机的调速方法很多 能适应不同生产机械速度变化的要求 一般电 动机调速时其输出功率会随转速而变化 从能量消耗的角度看 调速大致可分 两种 保持输入功率不变 通过改变调速装置的能量消耗 调节输出功率以 调节电动机的转速 控制电动机输入功率以调节电动机的转速 图 1 5 电动机转速控制原理框图 精品文档 6欢迎下载 图 1 5 燃料电池工作原理示意图 电动车不在发动机内燃烧汽油 它使用存储在电池中的电来发动 在驱动汽 车时有时使用 12 或 24 块电池 有时则需要更多 正如远距离控制的模拟电动 汽车一样 电动车配有用来旋转车轮的电发动机以及使发动机运转的电池 电动汽车主电动机 的特征是 机壳由机座内衬和机座外套组成 新型体 积小 重量轻 对电机的冷却及时可靠 电动汽车主电动机 包括端盖 定子铁心 转子 定子绕组 其特征在于 机壳由机座内衬和机座外套组成 机座内衬的内侧固定定子铁心 铁心的冷 却方式采用水冷或者风冷 本设计采用风冷方式 由固定在转子轴上的风扇实 现 所实现的冷却较为可靠 精品文档 7欢迎下载 第第 2 2 章章 永永磁磁同同步步电电动动机机概概述述 永磁同步电机的运行原理与电励磁同步电机相同 但它以永磁体提供的磁通 替代后者的励磁绕组励磁 使电机结构较为简单 降低了加工和装配费用 且 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 近年来研究比较多并在各个领域中得到原来越广泛应用的一种电机 2 2 1 1 永永磁磁同同步步电电机机分分类类 永磁同步电机分类方法主要有 按工作主磁场方向分为 径向磁场式 轴向磁场式 按电枢绕组位置可分为 内转子式 常规式 外转子式 按转子上有无启动绕组可分为 无起动绕组电动机 用于变频器供电场合 利用频率的逐步升高启动 并随频率的改变而调节转速 常称为调速永磁同 步电动机 有起动绕组电动机 既可用于调速运行又可在某一频率和电压 下利用起动绕组所产生的异步转矩起动 常称为异步起动永磁同步电动机 按供电电流可分为 矩形波永磁同步电动机 正弦波永磁同步电动机 简称 永磁同步电动机 本课题所涉及电动机为径向磁场 内转子式的异步起动永磁同步电动机 采用正弦波供电电流 2 2 2 2 永永磁磁同同步步电电动动机机的的总总体体结结构构 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 采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗 转子铁心可做成实心或 叠片叠压而成 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整距绕组 正弦波 永磁同步电动机通常采用分布短距绕组 2 2 3 3 永永磁磁同同步步电电动动机机的的工工作作原原理理 永磁同步电动机属于异步启动永磁同步电动机 其磁场系统由一个或多个 永磁体组成 通常是在用铸铝或铜条焊接而成的笼型转子的内部 按所需的极 精品文档 8欢迎下载 数装镶有永磁体的磁极 定子结构与异步电动机类似 当定子绕组接通电源 后 电动机以异步电动机原理起动动转 加速运转至同步转速时 由转子永磁 磁场和定子磁场产生的同步电磁转矩 由转子永磁磁场产生的电磁转矩与定子 磁场产生的磁阻转矩合成 将转子牵入同步 电动机进入同步运行 永磁同步电机的定子为三相对称绕组 与三相异步电动机结构相同 转子 上粘有钕铁硼 NdFeB 磁钢 5 驱动器为交 直 交电压型逆变器 通过正弦 波脉宽调制 SPWM 输出频率 电压可变的三相正弦波电压 三相正弦波电压在定子三相绕组中产生对称三相正弦波电流 并在气隙中产 生旋转磁场 旋转磁场的角速度 其中为电动机对数 这个旋转 1 2 fp p 磁场与已充磁的磁极作用 带动转子与旋转磁场同步旋转并使定 转子磁场轴 线对齐 当外加负载转矩以后 转子磁场轴线将落后定子磁场轴线一个 功 率角 负载愈大 也愈大 直到一个极限角度 m 电动机失步为止 由此 可见 同步电动机在运行中 要么转速与频率严格成比例旋转 否则就失步停 转 所以 它的转速与旋转磁场同步 它的静态误差为零 在负载扰动下 只 是功率角 变化 而不引起转速变化 它的响应时间是实时的 这是其它调速 系统做不到的 但是 因为它存在失步问题 所以它不适合用于重载下运行 又由于它只能在频率渐升情况下才能启动 所以也不适于快速启动 2 2 4 4 永永磁磁同同步步电电动动机机的的特特点点 永磁同步电动机应用广泛 具有以下特点 1 更高的综合节能效果 永磁同步电动机由永磁体激磁 无需励磁电流 故可显著提高功率因数 可达 1 甚至容性 定子电流小 定子铜耗显著减小 转子无铜耗 三相异步 电动机转子绕组损耗约占总损耗的20 30 因而发热低 可以取消风扇或 精品文档 9欢迎下载 减小风扇 从而无风摩耗或减少风摩耗 故永磁同步电动机一般比同规格异步 电动机效率可提高 2 8 并且在很宽的负载变动范围内始终保持高的效率和 功率因数 尤其在轻载运行时节能效果更显著 2 可满足某些工业应用需大的起动转矩和最大转矩倍数的动态需求 常规异步电动机起动转矩倍数和最大转矩倍数都有限 为达要求 需选择 更大容量的异步电动机 而到了正常运行状态 异步电动机则又处于轻载运行 状态 效率和功率因数均较低 例如为油田抽油机设计的具有异步起动能力的 永磁同步电动机 起动转矩倍数可达3 6 倍以上 效率可达 94 功率因数 可达 0 95 既满足了负载动态时大转矩的要求 还具有很高的节能效果 6 3 能满足低速直接驱动的需求 为了提高控制精度 减小振动噪声 杜绝油雾带来的不安全 也为了大转 矩驱动的需求 近年来对低速电动机的需求也不断增长 如用于电梯拖动的永 磁同步曳引机 转矩提高了十几倍 取消了庞大的齿轮箱 通过曳引轮直接拖 动轿厢 明显减小了振动和噪声 又如船用吊舱式电力推进器 将低速大转矩 的永磁同步电动机置于船舱外的吊舱 无需原来的传动系统 直接驱动螺旋桨 实现船舶的运行和控制 这是船舶驱动技术的又一发展 国外自上世纪九十年 代已成功用于豪华邮轮 专用油轮等 7 4 能满足多极高功率因数的需求 近年来 永磁同步电动机朝着多极化发展 多极电机可显著减小定 转子 铁心轭部高度 从而减小电机体积 减少铁心用量 多极电机还显著减小了定 子端部长度 减小定子铜耗 从而减少发热 提高了效率 如某安装于轿厢和 井壁间隙的永磁同步电动机 转子采用60 极结构 显著缩短了定子线圈端部 精品文档 10欢迎下载 长度 实现无机房电梯 若仍用异步电动机驱动 随着极数增加 其功率因数 明显降低 在轻载和空载时 功率因数将更低 因此在Y 型系列电机中 10 极电机已不多见 而该 60 极永磁同步电动机功率因数高达0 98 空载 轻载 时甚至可达 1 节能效果明显 5 高功率密度的需求 舰船 车辆受体积所限 要求电动机要有高功率密度 高转矩密度 永磁 同步电动机由于无需激磁绕组 空间结构小 高性能的钕铁硼永磁材料具有高 剩余磁感应强度和高矫顽力 从而可提供很高的磁负荷 使电机尺寸缩小 有 些并联供磁的电机 磁负荷甚至可高达1 特斯拉以上 传统电机的齿槽结构 约束着磁负荷和电负荷的关系 过高的磁负荷将减小放置绕组的空间 成为实 现高功率密度的瓶颈 1986 年德国 H Weh 教授首先提出横向磁场永磁电机 TransverseFluxPMMachine TFM 的设想 该设想一反传统结构 使电机的 磁负荷和电负荷不再相互制约 特别适合高功率密度 大转矩 低速和直接驱 动的场合 横向永磁电机我国目前还处于实验研究阶段 英国研制的用于舰艇 的横向磁场电机 功率达 10MW 转速为 180r min 此外横向磁场电机在风力 发电和海洋潮汐发电中也有应用 6 能够满足运动控制系统的需求 目前电气传动技术已从简单的速度控制发展到运动轨迹控制 由于永磁同 步电动机比异步电动机更易于实现磁场定向矢量变换控制 因此近年来永磁同 步伺服电动机系统成了高精度数控机床 机器人等高科技设备的主流 在某些 场合 甚至实现了 100000 1 的调速范围和小于 1 2 的低速转矩波动 外 国产品几乎占据了国内所有市场 功率一般为20W 15KW 我国交流伺服电动 机和驱动器 尚处在发展初期 精品文档 11欢迎下载 此外机械加工设备的更新 需要各种永磁同步电动机 第第 3 3 章章 车车用用永永磁磁同同步步电电机机设设计计过过程程 3 3 1 1 电电机机基基本本设设计计参参数数 本电动机是为满足一般小型乘用车的使用而设计的 完成一般客运的功率 提供功能 其基本设计参数如下 额定功率 45 N PkW 额定转速 4500 min N nr 额定线电压 380V 额定效率 0 85 绝缘等级 F 起动转矩倍数 2 6 定子外径 0 26m 定子内径 0 17m 气隙长度 0 065m 转子内径 0 06m 铁心长度 0 19m 定转子槽数 36 32 铁心材料 DW315 50 转子结构型式内置径向 型 3 3 2 2 电电机机结结构构 本电机适用于 1 5 吨以下车辆 采用径向磁场 绕组内置 W 型转子导条 结构 其大致尺寸如下图 精品文档 12欢迎下载 图 3 1 本电机设计尺寸 3 3 3 3 永永磁磁同同步步电电动动机机的的稳稳态态性性能能分分析析 3 3 3 3 1 1 稳稳态态运运行行和和相相量量图图 正弦波永磁同步电动机 以下简称永磁同步电动机 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 需要指出的是 由 于永磁同步电动机转子直轴磁路中永磁体的磁导率很小 使得电动机直轴电枢 反应电感一般小于交轴电枢反应电感 这一点异于电励磁凸极同步电动机 电动机稳定运行于同步转速时 根据双反应理论可写出永磁同步电动机的电压 方程 8 3 01111 011 dadqaq ddqq UEI Rj I Xj I Xj I X EI Rj I Xj I X AAAAAA AAAA 1 式中 永磁气隙基波磁场所产生的每相空载反电动势有效值 V 0 E A 外施相电压有效值 V U A 精品文档 13欢迎下载 定子相电流有效值 A 1 I A 定子绕组相电阻 1 R 直 交轴电枢反应电抗 ad X aq X 定子漏抗 1 X 直轴同步电抗 d X 3 1dad XXX 2 交轴同步电抗 q X 3 1qaq XXX 3 直 交轴电枢电流 A dI A q I A 3 1 1 sin cos d q II II 4 与的夹角 称为内功率因数角 超前时为正 1 I A 0 E A 1 I A 0 E A 由电压方程可以画出永磁同步电动机不同情况下稳定运行时的典型相量图 如下图所示 精品文档 14欢迎下载 图 3 2 永磁电机的几种典型向量图 其中为气隙和成基波磁场所产生的电动势 为气隙和成基波磁场直轴分 E d E 量所产生的电动势 称为直轴内电动势 为超前的角度 即功率角 U A 0 E A 也成为转矩角 这一角度与输入功率 输出功率密切相关 为电压超前 U A 定子相电流的角度 即功率因数角 9 1 I A 图 d 中所示是直轴增 去磁临界状态 即与相同 下的相量图 由此可 1 I A 0 E A 列出如下电压方程 011 cos UEI R A 3 1 sin q UI X 5 从而可以求得直轴增 去磁临界状态时的空载反电动势 3 2 2 0111 q EUI XI R A 6 上式通常用来判断所设计的电动机是运行于增磁状态还是运行于去磁状态 实际值由永磁体所产生的空载气隙磁通算出比较与 若前者大于后者 0 E 0 E 0 E 精品文档 15欢迎下载 则电动机运行于去磁工作状态 反之将运行于增磁工作状态 且由上图可知 要使电动机运行于单位功率因数 图3 2b 或容性功率因数状态 图 3 2a 只有设计在去磁状态时才能达到 10 3 3 3 3 2 2 稳稳态态运运行行性性能能分分析析计计算算 永磁同步电动机的稳态运行性能包括 效率 功率因数 输入功率 电枢 电流与输出功率之间的关系以及失步转矩倍数等 3 3 2 1 电磁转矩和矩角特性 从图 3 2 中可得到以下关系 3 arctan d q I I 7 3 8 3 1 sin qqd UI XI R 9 3 01 cos ddq UEI XI R 10 从式 3 9 3 10 中整理得定子电流的直 交轴分量 3 10 2 1 sincos NqN d dq RUXEU I X XR 11 3 10 2 1 sincos dNN q dq X UREU I X XR 12 定子相电流 3 22 1dq III 13 精品文档 16欢迎下载 而电动机的输入功率 W 可表示为 3 11 1 22 011 2 1 cos cos sincos sincos0 5sin2 dq NqNNdq dq PmUI mUI U II m E UXRRUUXX X XR 14 忽略定子电阻 由式 3 14 可得电动机的电磁功率 W 3 15 2 0 1 11 sinsin2 2 em ddq mE UmU PP XXX 除以电动机的机械角速度 即可得电动机的电磁转矩 N m 3 2 0 11 sinsin2 2 em em ddq PmpE UmpU T XXX 16 式中 电动机的电角速度 电动机的极对数 p a b 图 3 3 是永磁同步电动机的矩角特性曲线 精品文档 17欢迎下载 图 3 3 a 为计算所得的 电磁转矩 额定转矩 转矩角 曲线 图 中曲线 1 为式 16 第一项 即永磁气隙磁场与定子电枢反应磁场相互作用产 生的基本电磁转矩 又称永磁转矩 曲线2 为式 16 中第二项 既由于电动 机 d q 轴磁路不对称而产生的磁阻转矩 曲线3 为曲线 1 与曲线 2 的合成 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 d X q X 一负正弦函数 因而矩角特性曲线上最大之所对应的转矩角大于 这是永 0 90 磁同步电动机一个值得注意的特点 图 b 为本同步电动机的 输出转矩 额定转矩 转矩角曲线 11 矩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 max T 载转矩超过此值则电动机将不再能保持同步转速 最大转矩与电动机额定转矩 的比值称为永磁同步电动机的失步转矩倍数 12 N T 0max pN TTT 3 3 2 2 工作特性曲线 计算出电动机的 和等参数后 给定一系列不同的转矩角 0 E d X q X 1 R 便可求出相应的输入功率 定子相电流和功率因数等 然后求出电动机此时 的损耗 便可得到电动机的输出功率和效率 从而得到电动机稳态运行性 2 P 能与输出功率之间的关系曲线 2 P 精品文档 18欢迎下载 图 3 4 本设计中平底槽电机的工作特性曲线 每槽导体数 5 s N 由图 3 4 可见 输出功率的不断增大 要求有更大的输入功率 即要求有 更高的定子相电流提供更强的磁场 同时也可看到 在低功率运行时电动机的 效率和功率因数是很低的 电动机的工作曲线图是电动机的工作性能重要体现 3 3 3 3 3 3 损损耗耗分分析析计计算算 永磁同步电动机稳态运行时的损耗包括下列四项 3 3 3 1 定子绕组电阻损耗 常规计算公式 3 2 11Cu pmI R 17 3 3 3 2 铁心损耗 永磁同步电动机的铁耗不仅与电动机所采用的硅钢片材料有关 而且 Fe p 随电动机的工作温度 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体工作点改变 定子齿 轭部磁密也随之变化 从而 精品文档 19欢迎下载 影响到电动机的铁耗 工作温度越高 负载越大 定子齿 轭部的磁密越小 电动机的铁耗就越小 14 永磁同步电动机铁耗的准确计算非常困难 这是因为永磁同步电动机定子齿 轭磁密饱和严重 且磁通谐波含量非常丰富的缘故 工程上常采用与感应电动 机铁耗计算类似的公式 然后根据试验值进行修正 永磁同步电动机在某负载下运行时 从相量图中可求出其气隙基波合成电 动势 V 3 2 2 0dadqaq EEI XI X 18 气隙合成磁通 Wb 3 4 44 dp E fK NK 19 其中 电源频率 Hz f 绕组因数 dp K N 定子绕组每相串联匝数 气隙磁场的波形系数 K 由不难求出定子齿 轭部磁密 进而求出电动机的铁耗 3 3 3 3 机械损耗 永磁体同步电动机的机械损耗与其它电机一样 可根据实测值或参考 fw p 其它电机机械损耗的计算方法 3 3 3 4 杂散损耗 永磁同步电动机杂散损耗目前没有还没有一个准确实用的计算公式 一 s p 般取根据具体情况和经验取定 随着负载的增加 电动机电流随之增大 杂散损耗近似随电流的平方关系 增大 当定子相电流为时电动机的杂散损耗 W 可用下式近似计算 1 I 精品文档 20欢迎下载 2 3 1 10 ssNN N I pp P I 其中 电动机额定相电流 A N I 电动机输出额定功率时的杂散损耗 W sN p 3 3 4 4 磁磁路路分分析析与与计计算算 3 3 4 4 1 1 磁磁路路计计算算特特点点 进行永磁同步电动机磁路计算时 一般采用通常的电机磁路的磁位差计算 方法 永磁同步电动机的空载气隙磁密波形如图3 4 所示 图 3 5 永磁同步电动机空载气隙磁密波形 1 气隙磁密 2 基波 3 三次谐波 4 五次谐波 图 3 4 为永磁同步电动机实测气隙磁密波形 不涉及定子槽开口时 图中永磁同步电动机的空载气隙磁密波形基本上为一平顶波 与感应电动机的 气隙磁密波形相差较大 而与直流电机的空载气隙磁密波形相似 磁路计算时 永磁同步电动机的空载气隙磁密波形可近似简化为图3 5 所示的矩形波 15 精品文档 21欢迎下载 图 3 6 永磁同步电动机空载气隙磁密近似波形 图 3 7 内置混合式转子磁路结构 3 4 1 1 计算极弧系数 永磁同步电动机转子磁路结构形式不同 其极弧系数和计算极弧系数 p 的计算公式也不同 对采用图3 6 转子磁路结构的永磁同步电动机 经电磁 i 场计算个气隙磁密波形分析 存在如下关系 精品文档 22欢迎下载 3 2 2 1 2 2 p Q p Q p 20 3 1 4 6 1 ip p 21 式中 永磁同步电动机的转子槽数 2 Q 电动机定子极距 cm 1 气隙长度 cm 3 4 1 2 气隙磁场波形系数 如图 3 5 所示 经傅立叶级数分解后 可得到永磁同步电动机空载气隙磁密基 波幅值 T 3 1 4 sin 2 i BB 22 因此 永磁同步电动机的空载气隙磁密波形系数 3 1 4 sin 2 i f B K B 23 永磁同步电动机空载时永磁体提供的气隙磁通 Wb 3 4 0 0 0 10 mrm b B A 24 式中 永磁体提供每级磁通的面积 m A 2 cm 空载时永磁体提供的气隙基波磁通 Wb 3 4 101 1 2 10 ef BL 精品文档 23欢迎下载 25 式中 电枢计算长度 cm ef L 因此 电机基波磁通与气隙总磁通之比 即永磁同步电动机气隙磁通 10 0 的波形系数 3 10 2 0 8 sin 2 i i K 26 由式 3 26 可知 的大小影响气隙基波磁通与气隙总磁通的比值 即 i 影响永磁材料的利用率 3 3 4 4 2 2 永永磁磁体体工工作作点点的的计计算算 3 4 2 1 空载和负载工作点的计算特点 永磁同步电动机的转子磁路结构包括 径向式 切向式和混合式 本设计 采取径向式结构 永磁体磁动势源的计算磁动势 3 2 210 ccM FH h 27 永磁体虚拟内禀磁通 3 4 10 rrm B A 28 式中 在工作温度下永磁材料的计算剩磁密度和计算矫顽力 r B c H 为经磁路计算所得的电动机每对极主磁路的总磁位差 A 其值为F 3 1122tjtj FFFFFF 29 式中 分别为电动机每对极的气隙 定子齿 定子F 1t F 1 j F 2t F 2j F 轭 转子齿 转子轭等部位的磁位差 A 精品文档 24欢迎下载 永磁同步电动机直轴电枢磁动势 A 极 ad F 3 1 35 dpad add K NK FI p 30 则其作用于永磁体的去磁磁动势标么值 3 00 2 7 2 dpadd ad a cc K NK I F f FpF 31 式中 电机直轴电枢磁动势折算系数 ad K 将上述式 3 27 至式 3 31 进行迭代计算 在迭代计算中具体论述 即得到永磁体工作点 3 3 5 5 永永磁磁同同步步电电动动机机参参数数计计算算和和分分析析 3 3 5 5 1 1 空空载载反反电电动动势势 空载反电动势时永磁同步电动机一个非常重要的参数 V 由电 0 E 0 E 动机中永磁体产生的空载气隙基波磁通在电枢绕组中感应产生 其值为 3 00 4 0 0 4 44 4 4410 dp mrm dp EfK NK b B A fK K 32 的大小不仅决定了电动机是运行于去磁状态还是增磁状态 而且对电动 0 E 机的动 稳态性能有很大的影响 合理设计可降低定子电流 提高电动机 0 E 效率 降低电动机的温升 3 3 5 5 2 2 交交 直直轴轴电电枢枢反反应应电电抗抗 对于一台内置式永磁同步电动机的电磁场进行数值计算不难发现 当电动 精品文档 25欢迎下载 机直轴电流从 0 005增大到时 其直轴电枢反应电抗从 33 0增 d I N I N I ad X 至 35 0 而交轴电流从 0 008增大到时 交轴电枢反应电抗从 N I N I aq X 124 4降至 89 7 可见 在计算永磁同步电动机的交 直轴电抗时 可不 考虑的非线性 但必须考虑交轴磁路的饱和对的影响 考虑交轴磁路 ad X aq X 饱和时需迭代求解 其步骤在迭代计算部分中具体阐述 aq X 3 3 5 5 3 3 交交 直直轴轴电电枢枢磁磁动动势势折折算算系系数数 交 直轴电枢磁动势折算系数和反映了电动机磁路结构对电动机 aq K ad K 电枢反应电抗和的影响 转子磁路结构不同 电动机的交 直轴电枢磁 aq X ad X 动势折算系数也各有差别 由定义有 可由 addf KKK aqqf KKK f K 式 3 23 得到 为电动机交 直轴电枢反应磁密的波形系数 d K q K 对本设计 可取 1 因而其直 交轴电枢磁动势折算系数为 d K q K 3 1 4sin 2 aqad i f KK K 33 或者由经验给出 本设计中取 1 0 36 d K q K 3 3 6 6 异异步步起起动动永永磁磁同同步步电电动动机机的的设设计计特特点点 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 求主要是效率高 功率因数高 起动品质因数 高和单位功率的永磁 stst TI 体用量省等 3 3 6 6 1 1 主主要要尺尺寸寸和和气气隙隙长长度度的的选选择择 异步起动永磁同步电动机的主要尺寸与普通电动机的主要尺寸一样 包括 精品文档 26欢迎下载 定子冲片内径和电枢计算长度 一般来说 异步起动永磁同步电动机的 1 i D ef L 设计可能有以下三种情况 1 替代原来的感应电动机或原有性能较差的永磁同步电动机 在这种情况 下 待设计的永磁同步电动机一般要求与原来电动机同中心高 顾客在原来电 动机主要尺寸的基础上进行初步的估算 然后再调整设计 直至电动机设计成 功 2 要求待设计的永磁同步电动机直接利用某特定的定子冲片 以提高电动 机定子冲片的通用性和缩短电动机的研制周期 在这种情况下 由给定的定子 冲片既可知道定子冲片内径 再由电动机的功率和电机常数选择电枢计算长度 ef L 3 仅给定电动机的性能指标 而无其它限制 此时选择电动机主要尺寸的 自由度要比前两种情况大得多 根据预估的电磁负荷 由电动机的功率和转速 可选定电动机的 然后凭经验选取一定的主要尺寸比 得出电动 2 1 ief D L 1ef L 机的主要尺寸 一般来说 如无其它限制 电动机的主要尺寸比应选小一点 以便于在转子内部放置更多的永磁材料 永磁同步电动机为减小过大的杂散损耗 降低电动机的震动与噪声和便于 电动机的装配 其气隙长度一般要比同规格感应电动机的气隙大 且电动机 中心高度越大 永磁同步电动机的气隙长度比感应电动机的气隙大得也越多 3 3 6 6 2 2 永永磁磁体体设设计计 永磁体的尺寸主要包括永磁体的轴向长度 磁化方向长度和宽度 M L M h 永磁体的轴向长度一般取得与电动机铁心轴向长度相等或稍小于铁心轴向 M b 长度 因此实际上只有两个永磁体尺寸 即和 需设计 设计时 应考 M h M b 虑下列因素 1 的确定应是电动机的直轴电抗 因为是决定的一个重要 M h ad X M h ad X 因素 而又影响电动机的许多性能 ad X 2 不能过薄 这主要是从两方面考虑 一是将导致永磁体生产的 M h M h 精品文档 27欢迎下载 废品率上升 永磁体成本提高 且使用磁体不易运输和装配 二是永磁体太薄 将使其易于退磁 3 设计应使永磁体工作与最佳工作点 因为电动机中永磁体的工作点 M h 更大程度上取决于永磁体的磁化方向长度 M h 4 为调整电动机的性能 常常要调整 因为直接决定了永磁体能 M b M b 够提供磁通的面积 当要求电动机磁负荷较高时 应选择能安装更多永磁体 也就是能安装更大的转子磁路结构 M b 永磁体尺寸除影响电动机的运行性能外 还影响着电动机中永磁体的空载 漏磁系数 从而也决定了永磁体的利用率 计算结果表明 永磁体尺寸越大 0 越小 经过一些列推导 可得内置径向式转子磁路结构永磁体尺寸的预估公 0 式为 3 0 00 01 1 0 1 2 sm M m ef M mrM K K b h b BL b b B K L 34 式中 电动机的饱和系数 其值可取1 05 1 3 s K 与转子结构有关的系数 其取值范围为0 7 1 2 K 3 3 6 6 3 3 电电枢枢绕绕组组设设计计 异步起动永磁同步电动机的绕组可采用与普通交流电动机一样的三相绕组 由于永磁同步电动机由永磁体励磁 气隙磁场谐波较多 使电动式中的谐波也 较多 因此 为设计高性能的电动机 必须在绕组设计上采取一定的措施 异 步起动永磁同步电动机通常采用Y 接的双层短距绕组以避免电动机绕组中产生 环流 并削弱电动式谐波 永磁同步电动机的绕组匝数和线规可根据电动机的 电磁负荷 定子槽形尺寸和槽满率的限制来确定 精品文档 28欢迎下载 3 3 7 7 异异步步启启动动同同步步电电动动机机设设计计中中的的迭迭代代计计算算 3 3 7 7 1 1 迭迭代代计计算算一一般般方方法法 迭代法也称辗转法 是一种不断用变量的旧值递推新值的过程 跟迭代法 相对应的是直接法 或者称为一次解法 即一次性解决问题 迭代法又分为 精确迭代和近似迭代 二分法 和 牛顿迭代法 属于近似迭代法 迭代算法是用计算机解决问题的一种基本方法 它利用计算机运算速度快 适合做重复性操作的特点 让计算机对一组指令 或一定步骤 进行重复执行 在每次执行这组指令 或这些步骤 时 都从变量的原值推出它的一个新值 利用迭代算法解决问题 需要做好以下三个方面的工作 1 确定迭代变量 在可以用迭代算法解决的问题中 至少存在一个直接或 间接地不断由旧值递推出新值的变量 这个变量就是迭代变量 2 建立迭代关系式 所谓迭代关系式 指如何从变量的前一个值推出其下 一个值的公式 或关系 迭代关系式的建立是解决迭代问题的关键 通常可 以使用递推或倒推的方法来完成 3 对迭代过程进行控制 在什么时候结束迭代过程 这是编写迭代程序必 须考虑的问题 不能让迭代过程无休止地重复执行下去 迭代过程的控制通常 可分为两种情况 一种是所需的迭代次数是个确定的值 可以计算出来 另一 种是所需的迭代次数无法确定 对于前一种情况 可以构建一个固定次数的循 环来实现对迭代过程的控制 对于后一种情况 需要进一步分析出用来结束迭 代过程的条件 下面我们使用上述方法对有关电动机设计的三个重要问题进行迭代计算 3 3 7 7 2 2 异异步步起起动动永永磁磁同同步步电电机机设设计计中中的的涉涉及及的的三三个个迭迭代代过过程程 3 7 2 1 空载永磁体工作点的确定 永磁体空载工作点的标么值为 在设计电动机过程中占有重要地位 0m b 影响着电机的多种性能 在标么值表示情况下 退磁曲线可用解析式表达 精品文档 29欢迎下载 图 3 8 退磁曲线及永磁体工作点示意图 电机空载时 电枢磁动势的标么值 0 有 a f 3 00 1 mm f 35 式中 空载时用瓷体向外磁路提供的总磁通的标么值 0m m 空载时永磁体向外磁路提供的磁动势的标么值 0m f m F 外磁路的有关各参数可表示为 3 0 0 0 m n m f 36 式中 主磁导标么值 漏磁导标么值 合成磁导标么值 n 空载漏磁系数 0 解得 精品文档 30欢迎下载 3 00 00 1 1 1 n mm n mm n b fh 37 从而得出空载永磁体工作点 0m b 0m h 以上是线性等效磁路下的工作点计算 但通常情况下永磁电机的磁路是饱 和的 不是常数 尤其是磁路饱和程度比较高时 空载 额定工况和最大去 n 磁时的随饱和程度不同而变化较大 而且与相互制约 此时就需要运 n 0m n 用迭代方法求解 图 3 9 计算框图 0m b 精品文档 31欢迎下载 图 3 8 以框图的形式给出了的迭代计算过程 具体的计算过程如下 0m b 1 假设 0m b 2 计算此时空载主磁通 3 4 0 0 0 10 mrm b B A 38 3 气隙磁密 3 4 0 1 10 ief B L 39 4 气隙磁位差 直轴磁路 3 2 2 0 2 10 B FK 40 交轴磁路 3 2 0 2 10 q B FK 41 式中 永磁体延磁化方向与永磁体槽间的间隙 2 5 每对极总磁位差 3 1122tjtj FFFFFF 42 其中各项计算见计算书 6 主磁导 3 0 F 43 精品文档 32欢迎下载 7 主磁导标么值 3 2 0 210 M rm h A 44 8 外磁路总磁导标么值 3 0n 45 式中 空载漏磁系数 0 9 漏磁导标么值 3 0 1 46 10 永磁体工作点 3 0 1 n m n b 47 11 比较并确定误差 当计算值与假设值之间误差超过 1 则应回到步 0m b 0m b 骤 1 重新设定 重复上述计算步骤 0m b 本设计中的计算由计算机程序完成 其中运用的 C 语言语句如下 printf 请输入 bm0 的估计值 0 1 10 输入工作点估计值 0m b scanf f 赋值给变量 b m0 while true 计算 0m b if bm0 b m0 Mi b m bm0 b m0 比较二者误差 else Mi b m b m0 bm0 b m0 b m0 100 精品文档 33欢迎下载 if Mi b m b m0 当误差大于 1 时 b m0 bm0 将求得 bm0 回代到计算过程 continue else printf 经迭代 bm0 f n bm0 fprintf fp 经迭代 bm0 f n bm0 goto c 其中 部分表示上述步骤 2 到步骤 10 的计算过程 3 7 2 2 交轴电枢反应电抗的计算 aq X 对的计算 同的计算相似 由于在交轴磁路饱和时的是非线 aq X 0m b aq X 性的 而由式 3 12 10 2 1 sincos dNN q dq X UREU I X XR 及式 3 1qaq XXX 48 可知与使相互制约的 从而得到如下迭代计算方法 q I aq X 1 给定某一转矩角 2 假设交轴电流分量 则交轴电枢磁动势 q I 3 1 35 dpaq aqq K NK FI p 49 精品文档 34欢迎下载 式中 交轴电枢磁动势折算系数 aq K 3 由求交轴气隙基波磁通根据由预先算得的交轴 曲线查取 aq F aq aq F aq aq F 相应的 aq 4 由求出交轴电枢反应电动势 aq 3 4 44 aqdpaq EfK N 50 5 计算 q X 3 1qaq XXX 51 式中 定子漏抗 1 X 6 代入 3 12 10 2 1 sincos dNN q dq X UREU I X XR 求出交轴电流分量 q I 7 比较和 重复进行步骤 2 到步骤 6 q I q I 本设计中所得 曲线如图 aq aq F 精品文档 35欢迎下载 图 3 10 曲线图 aq aq F 在程序中所用到的语句如下 printf 请输入交轴电流预估值 I q 如 20 00 scanf f 输入的预估值 q I q I for i 0 iIq i if I q Iq i 1 Xaq Xaq i Xaq i 1 Xaq i I q Iq i Iq i 1 Iq i break else continue else continue 根据输入的在 曲线中查找 Xaq q I aq aq F 精品文档 36欢迎下载 for i 0 i0 01 I q Iq i continue 比较二者 如果误差超过 1 将计算值回代重新计算 else break 如果误差在允许范围内 停止迭代 3 7 2 3 起动电流的求解 st I 起动电流的求解与很多因素相制约 其中比较重要的是启动总阻抗 由于 其过程比较复杂且与前述两个迭代过程在原理上比较相似 在论文正文中不再 赘述 具体计算和迭代过程可见计算书 3 3 8 8 起起动动电电流流过过大大的的原原因因分分析析 通过对起动电流的计算我们发现 在启动过程中 最初的电流通常会超过额定 电流很多 所得起动电流倍数为 st st N I I I 精品文档 37欢迎下载 图 3 11 某电动机相电流随时间变化曲线 在感应电动机起动的瞬间 转子处于静止状态 与变压器二次侧短路的情况 相似 定子与转子之间无电的联系 只有磁的联系 在电动机接通的一瞬间 转子因惯性还未转起来 而旋转磁场则以最大的切割速度切割转子绕组 使转 子绕组感应出很高的电势 因而在转子导体中流过很大的电流 这一电流产生 抵消定子磁场的磁通 就像变压器二次磁通要抵消一次磁通的作用一样 而定 子为了维持与当时电源电压相适应的原有磁通 就自动增加电流 因此转子与 定子的电流都大大增加 甚至高达额定电流的7 倍以上 这就是感应电动机起 动电流大的原因 起动后 随着电动机转速的增大 定子磁场切割转子导体的速度减小 因此 转子导体中的感应电热和电流都减小 同时定子电流中用来抵消转子电流所产 生的磁通影响的那一部分电流也相应减小 所以 随着电动机转速的增大 定 子中的电流就从起动电流逐步恢复到正常负荷电流 精品文档 38欢迎下载 第第 4 4 章章 不不同同设设计计方方法法的的比比较较 4 4 1 1 梨梨形形槽槽与与平平底底槽槽设设计计区区别别 本设计采用了平底槽和梨形槽两种转子槽形 下面就采用两种不同方法的设 计就功率因数和效率两个工作性能参数进行讨论 4 4 1 1 1 1 转转子子槽槽形形选选择择 异步起动永磁同步电动机可采用与普通感应电动机相似的转子槽形 下图 列出了本设计中采用的两种转子槽形 a 平底槽 b 梨形槽 图 4 1 两种转子槽形设计 理论上异步起动永磁同步电动机可采用任意一种感应电动机的转子槽形 但当选用内置径向式转子磁路结构且转子槽形尺寸较小时 通常采用平底槽 以保证合适的隔磁磁桥 以避免过大的漏磁系数 但转子槽形尺寸足够大时 也可采用圆底槽 4 4 1 1 2 2 不不同同转转子子槽槽形形下下工工作作特特性性的的比比较较 采用不同转子槽形的两种电机设计 在其他设计参数相同时 二者的工作 特性有很多不同 下图为两不同定子槽形下的 功率因数 输出功率 比较 精品文档 39欢迎下载 图 图 4 2 两种槽形的功率因数曲线 由图 4 2 可以看到两条功率因数曲线几乎是重合的 所以我们可以推测 在本设计中 采用的槽形对相同功率输出的条件下的功率因数影响不大 但细 致观察会发现 在额定功率输出范围内 P2 PN 0 84 1 26 采用平底槽电动 机的功率因数更大 而在大功率输出情况下 P2 PN 1 63 采用平底槽的电 动机的功率因数也更高 下图是两种槽形电动机的效率对比 可以看出采用两种不同槽形对电动机 工作效率的影响并不大 精品文档 40欢迎下载 图