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永磁同步电动机的设计及结构研究毕业论文 第1章 绪 论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。1.1 永磁性材料简述永磁电机的性能、设计制造特点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，只有全面了解后才能做到设计合理，使用得当。因此，在研究永磁电机之前，首先从设计制造永磁电机的材料需要出发，扼要介绍电机中最常用的几种主要永磁材料。1.1.1 稀土永磁材料稀土永磁体的磁能积比电磁铁高得多，其磁能量密度已接近超导装置的水平。它的主要用途是用于同步或无刷直流电机。将磁体放入感应电机的转子内，其电机具有很高的效率和功率因数，可作为同步电机使用，也可以作为速度、转矩和效率可控的直流无刷电机使用。现在许多型号的电机，都有自己的功能和用途。在工业先进的国家，使用永磁体占20%左右，我们国家刚刚起步，稀土永磁电机的应用，主要取决于磁体的价格。近几年来，钕铁硼永磁材料的磁性能大幅度提高，热稳定性和抗腐蚀性也有了较大的进展，价格也相对有所减低，国内外都出现一个新的应用高潮。我国稀土资源丰富，稀土储存量为世界其他各国存量之和的4倍，稀土矿石和钕铁硼永磁烧结的产量已居世界前列。充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用稀土永磁电机，具有重要的意义。 在永磁电机产品结构方面，铝镍钴和铁氧体永磁几乎各占一半市场，钕铁硼永磁材料则以优异的磁性能得到迅速发展。铁氧体永磁以廉价的优势占据低档电机的市场。铝镍钴应用市场所占有的比例将相对减少，现有的大部分将被钕铁硼取代。但由于铝镍钴温度稳定性高，在高精度测速电机等信号类型微电机中仍然会占有一席之地。永磁同步电动机由于取消了励磁绕组、集电环和励磁柜，与普通电励磁同步电动机相比，不仅提高了可靠性和维护性，其效率也有了较大提高；与异步电动机相比，不但效率提高，功率因数也大大改善。因此，研制中型高效稀土永磁同步电动机替代普通异步电动机和电励磁同步电动机，可改变目前我国电能浪费严重的现状，带来可观的节能效果和显著的经济社会效益。我国是稀土大国，稀土储量占世界的80%，研究和开发中型高效稀土永磁同步电动机还可大面积推广应用我国资源丰富的钕铁硼永磁材料，变资源出口为高附加值产品出口，并促进稀土永磁材料行业、电机行业、风机水泵行业和石油化工行业的产品结构调整和更新换代，产生以科技为先导的新的经济增长点，并促进一些重工业行业电机拖动方面的节能改造。稀土永磁电机的研究和开发大致可以分为三个阶段:(1) 60年代后期和70年代，由于稀土钻永磁价格昂贵，研究开发的重点是航空、航天用电机和要求高性能而价格不是主要因数的高科技领域。(2) 80年代，特别是1983年出现价格相对较低的铝铁硼永磁后，国 内外的研究开发重点转移到工业和民用电机上，稀土永磁的优异磁性能，加上电力电子器件和微机控制技术的迅猛发展，不仅使许多传统的电励磁电机纷纷用稀土永磁电机来取代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高性能。(3)进入90年代，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是铝铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低，稀土永磁电机的研究开发进入了一个新的阶段。目前，稀土永磁电机的单台容量已经超过1000kW，我国己制成了110kW和250kW的永磁同步电动机，其效率高达95%。德国制成的6相变频电源供电的1095kW稀土永磁同步电动机，与过去使用的直流电动机相比，体积减少到60%左右，总损耗降低了20%左右。从上叙述不难看出，稀土永磁材料各方面的性能和特点都优于其它的永磁材料。所以，本课题设计的永磁同步电动机中永磁体选用稀土永磁材料。1.1.2 其它永磁材料1.2.2.1 铝镍钴永磁铝镍钴（AINio）永磁是20世纪30年代研制成功的。当时，它的磁性能最好，温度系数又小，因而在永磁电机中应用得最多、最广。60年代以后，随着铁氧体永磁和稀土永磁的相继问世，铝镍钴（AINio）永磁在电机中的应用被取代，所占比例呈下降趋势。按加工工艺的不同，铝镍钴（AINio）永磁分铸造型和粉末烧结型两种。前者的磁性能较高。后者的工艺简单。可直接压制成所需形状。在永磁电机中常用的是铸造型。铝镍钴永磁的显著特点是温度系数小， 仅为-0.02% 左右，因此，随着温度的改变磁性能变化很小，目前仍被广泛用于仪器仪表类要求温度稳定性高的永磁电机中。这种材料的剩余磁感应强度较高，最高可达1.35T，但是它的矫顽力很低，通常小于160KA/m。它的退磁曲线呈现非线性变化。由于铝镍钴永磁的回复线与退磁曲线并不重合，在磁路设计制造时要注意它的特殊性，由它构成的磁路必须事先对永磁体进行稳磁处理，即事先人工预加可能发生的最大去磁效应，人为地决定回复线的起始点P的位置，使永磁电机在规定或预期的运行状态下，回复线的起始点不再下降。铝镍钴永磁电机的磁极上通常都有极靴且备有再充磁绕组，使其可以再次充磁来恢复应有的磁能。依据铝镍钴永磁材料矫顽力低的特点，在使用过程中，严格禁止它与任何铁器接触，以免造成局部的不可逆嫒辜勤辜通颁的畸变。另外，为了加强它的抗去磁能力，铝镍钴永磁磁极往往设计成长柱体或长棒形。铝镍钴永磁硬而脆，可加工性能较差，仅能进行少量磨削或电火花加工，因此加工成特殊形状比较困难。1.2.2.2 铁氧体永磁材料铁氧体永磁材料属于非金属永磁材料，在电机中常用的有两种。钡铁氧体（）和锶铁氧体（）。它们的磁性能相差不多，而锶铁氧体的Hc值略高于钡铁氧体，更适于在电机中使用。铁氧体永磁的突出优点：价格低廉，不含稀土元素、钴、镍等贵金属；制造工艺也较为简单；矫顽力较大，Hc为128 320KA/m，抗去磁能力较强，密度小，只有4 5.2g/,质量较轻；退磁曲线接近于直线，或者说退磁曲线的很大一部分接近直线，回复线基本上与退磁曲线的直线部分重合，可以不需要象铝镍钴永磁那样进行稳磁处理，因而在电机中应用最为广泛，是目前电机中用量最大的永磁材料。铁氧体永磁的主要缺点：剩磁密度不高，Br仅为0.2 0.44T，最大磁能积仅为6.4 40 。因而需要加大提供磁通的截面积，使电机体积增大，环境温度对磁性能的影响大，剩磁温度系数为，矫顽力温度系数为。必须指出，铁氧体永磁的为正值，其矫顽力随温度的升高而增大，随温度降低而减小，这与其化几种常驻用永磁材料不同。因此，铁氧体永磁在使用时要进行最低环境温度时最大去磁工作点的校核计算，以防止在低温度时产生不可逆退磁。另外，铁氧体永磁材料硬而脆，且不能进行电加工，仅能切片和进行少量磨加工，通常彩软质砂轮，最好选用R3碳化硅砂轮，并且磨削速度要适当，磨削中要用水充分冷却，这样既能加快磨削速度，又不致磨裂永磁体。1.2.2.3 粘结永磁材料粘结永磁材料是用树脂、朔料或低熔点合金材料为粘结剂，与永磁材料粉末均匀混合，然后用压缩、注射或挤压成形等方法制成的一种复合型永磁材料。按所用永磁材料种类不同。分为粘结铁氧体永磁、粘结铝镍钴永磁、粘结稀土永磁和粘结钕铁硼永磁。通常的铸造或烧结永磁体相比，粘结磁体因含有粘结剂而使磁性能稍差，但却具有如下的显著优点：1）形状自由度大 容易制成形状复杂的磁体或薄壁环、薄片关磁体。注射成形时还能嵌入其化零件一起成形。2）尺寸精度高，不变形 烧结磁体的收缩率为13% 27%，而粘结磁体的收缩率只有0.2% 0.5%。不需要二次加工就能制成高精度的磁体。3）产品性能分散性小 合格率训，适于大批量生产。4）机械强度高 不易破碎，可进行切削加工。5）电阻率启、易于实现多极充磁。6）原材料利用率高 浇口、边角料、废品等进行退磁处理，粉碎后能简单地再生使用。7）密度小、质量轻。因此，采用粘结永磁体，可以简化电机制造工艺，并且能获得良好的电机性能，特别是对于一次成形的多极转子或多极定子。采用粘结永磁体有它得天独厚的优点，深受用户欢迎.1.2 永磁同步电机的发展概况 国内外对开发高效电动机都很重视。各国学者和研究人员都纷纷致力于高磁场永磁材料，永磁式电动机及其驱动系统的理论和应用研究，取得了卓有成效的研究和开发成果。 1.2.1 永磁同步电机在国内的发展概况自20世纪80年代开始，我国学者和研究人员都纷纷致力于高磁场永磁材料，永磁式电动机及其驱动系统的理论和应用研究，并取得了卓有成效的研究和开发成果。国内在高效永磁电机的研究开发方面做了大量的工作，先后有沈阳工业大学、西北工业大学、华中理工大学、清华大学、上海电器科学研究所等相继进行高效永磁电机研制开发，取得许多成果。特别是0.8KW纺织专用永磁同步电动机，效率高达91%，功率因数高于0.95，节电率高达10%以上，批量生产后获得用户好评。我国已开发的容量较大的有上海电机厂开发的110KW和北京重型电机厂开发的250KW高效钕铁硼永磁同步电动机。首钢机电有限公司电机厂与沈阳工业大学工程院院士唐任远教授合作，历时年共同研制开发了TYX300-4300KW稀土永磁电机,此项目是国家高技术研究发展(863)计划重大项目“钕铁硼电机应用产品开发”(863-Z37-03)增补项目。该电机经北京重型电机厂试验，启动性能、电机效率、功率因数、过载倍数等各项指标都达到预期的良好效果。通过在首钢动力厂二供水车间9泵站方坯二冷系统2#机(47D)号泵位运行，各项主要指标(效率、功率因数、起动、过载)远超过被替代的原JS138-4300KW异步电机，节电效果显著。目前，该电机是国内运行的最大高压永磁电机，而且各项技术指标都超过以往，尤其在中大型永磁电机里的节电率方面体现了较高的水平。目前，在我国包括微型特种电机，中小型电动机和大型发电机在内的各类电机都可以采用永磁同步电机。例如，它可适用于汽车、仪表、钟表、计算机外围设备、航空设备、音像设备等。特别“八五”期间，我国不少专业研究单位和工矿企业在调整产品结构，提高产品质量，加速技术开发和全面实现产品国产化的主导思想基础上，大力开展了永磁同步电动机及其驱动系统的实用性的应用研究，取得了相应的开发性成果。随着国民经济和科学技术的发展，特别是高新技术的迅速发展，对电机产品的性能和品种提出了许多的新的要求。从而也为电机产品获得了更大的发展空间。我国许多高校和科研单位自上世纪80年代开始就纷纷开始进行高效率同步电动机的研制，取得了明显的节能效果，0. 8kW 纺织专用永磁同步电动机，效率高达91%。我国已批量生产数控机床用的稀土永磁直流无刷电动机，调速比高达l: 100000。在我国，1990年生产的各类永磁式微型特种电机近7000万台，约占我国微特电机总产量的70%.1.2.2 永磁同步电机在同外的发展概况国外研制开发高效永磁电动机已有二十多年的历史。1987年，法国CEM公司推出ISOSYN系列0.5518.5KW稀土钴永磁同步电动机，效率比一般异步电动机高2%8%,功率因数提高0.050.15，堵转转矩为1.62.2倍。英国、前苏联、美国等也相继推出类似系列产品，但功率普遍不大，最大不超过50KW。变频调速的永磁同步电动机由于靠变频器逐步提高电源频率起动，转子上无需安置起动笼，允许有较大的空间放置永磁体，可以制成较大功率的永磁电动机，目前已公布的世界上容量最大的变频调速永磁电机是德国制造的1095KW船用电机。根据资料显示，1990年日本的永磁式微型特种电机产量高达20亿台，1993年达到25亿台，接近 10 % 的年增长率。美国Electronicast公司预测，美国永磁直流小功率电动机市场平均年增长率可达25 % 。1.3 永磁同步电机的分类1.3.1 永磁同步电动机简介随着现代工业自动化的高度发展，电机产品越来越多地应用于各个工业领域，并且小型化、轻型化的产品愈来愈受到人们的青睐。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，即电励磁电机。这种电励磁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:另一种是由永磁体产生磁场，即永磁电机。由于永磁材料的固有特性，它经过预先磁化以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场，这样既可简化电机结构，又可以节约能量。所以永磁电机正是适用于目前的市场需求迅速的发展起来，并逐步替代电励磁电机。稀土永磁的问世，特别是第三代稀土永磁铝铁硼永磁的出现，推动了电机产品相轻型化、高性能化发展，从而导致了电机产品的革命性变化。稀土永磁同步电机以转子上稀土永磁体产生的励磁代替普通同步电机的磁极绕组励磁和异步电机的无功电流励磁。因此，稀土永磁同步电机与前者向相比，去掉了电励磁损耗，简化了结构，大大提高了生产的工艺性;可避免从电网中吸取无功电流，提高了电机力能指标，减轻配电环节的负担，提高电网的利用率。稀土永磁同步电机还以其同步后转速恒定，便于多台电机准确同步运行，并便于变频调速等优点，进一步拓宽了其应用场合。由于转子结构的不同，无论径向或横向的永磁转子，都使永磁电机在三个方面不同于常规同步电机:(1) Xd明显小于XQ；(2)励磁在一定情况下是恒定的；(3)磁路的饱和效应比较强烈。1.3.2 永磁同步电动机的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，可分为公式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（常见式）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（即可以用于调速运行又可以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）；按供电电流小型的不同，可分为：方波驱动的永磁同步电动机和正弦波动的永磁同步电动机。主要的原因是由于转子永磁磁极的磁场分别造成的，如图所示(人们为了区分二者，把梯形波驱动的永磁同步电动机称为永磁无刷直流电动机，把正弦波驱动的永磁同步电动机称为永磁同步电动机，除特别说明外，本文按梯形波驱动的永磁同步电动机称为永磁无刷直流电动机，正弦波驱动的永磁同步电动机称为永磁同步电动机方式命名)。图1-2中E为转子磁通所产生的反电动势。 图 1.3.2 永磁电机分类图正弦波驱动的永磁同步电动机中没有包含有高次谐波，涡流和磁滞损耗减少，电机效率增加。正弦永磁同步电动机产生的转矩脉动低于梯形电动机，主要原因是正弦永磁同步电动机不存在相间换流时的冲击电流，而冲击电流正是梯形永磁同步电动机励磁波形的特征所在。正弦波永磁同步电动机是主要的发展方向。本课题选用的正是正弦波永磁同步电动a)正弦波 b)梯形波图1.3.2 两种永磁同步电动机理想激励波形1.4 永磁同步电机的主要特点和应用与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机体积小、重量轻、惯性小、响应快、高转矩/惯量比和高速度/重量比，高效率和高起动转矩，高功率因数，以及省电和运行可靠等等显著优点。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航天、国防、工农为生产和日常生活的各个领域。永磁同步电动同与感应电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数（可达到1、甚至达到容性），减少了定子电流和定子电阻损耗，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25% 120%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上设置起动绕组，脸有在某一频率和电压下直接起动的能力，又称为异步起动同步电动机。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1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机、水泵等。我国许多高校和科研单位自1980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0.8KW纺织专用永磁同步电动机，效率高达91%，功率因数高于0.95。节电率高达10%以上，已经进行批量生产并获得用户的一致好评。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100 250KW的永磁同步电动机。以110KW 8极电动机为例，其效率高达95% ，功率因数为0.916,起动转矩倍数为1.52，永磁体用量为0.15Kg/KW.但是永磁同步电动机制成后难以调节磁场以控制其功率因数和无功功率，需要从其化方面采取措施。随着电力电子技术的发展，和电子器件及变频技术的进步，就磁同步电动机这方面的缺陷已不再限制其发展。第2章 永磁材料的性能和选用永磁电机的性能、设计制造特点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。只有全面了解后才能做到设计合理、使用得当。因此，在这章先从设计制造电机的需要出发，扼要介绍电机中最常用的三种永磁材料的基本性能，包括磁性能、物理性、通用性。另外，也扼要介绍选用时的注意事项。2.1 永磁材料磁性能的主要参数 永磁材料的磁性能比较复杂，需要用多项参数来表示。下面就退磁曲线、回复曲线、内禀退磁曲线、稳定性对永在材料进行性能分析。2.1.1 退磁曲线 与其化磁性材料一样，永磁材料首先用磁滞回线来反映和描绘其磁化过程的特点和磁物性，即用B=f（H）曲线来表示永磁体的磁感应强度B随磁场强度H改变的特性,如图2.1.1示。图2.1.1 磁滞回线 图2.1.1 退磁曲线和磁能积曲线 该回线包括的面积随最大充磁磁场强度的大小而变，越大，回线面积就越大。当达到或超过饱和磁场强度时，回线面积渐近地达到一个最大值，而且磁性能最为稳定。面积最大的回线称为饱和磁滞回线，并常简称为磁滞回线。磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲线。退磁曲线中磁感应强度Bm 为正值而磁场强度Hm的方向相反，磁通经过永磁体时，沿磁通方向的磁位差不是降落而是升高。这就是说，永磁体是一个磁源，类似于电路中的电源。退磁曲线的Hm为负值还表明，此时作用于永磁体的是退磁磁场强度。退磁磁场强度越大。永磁体的磁感应强度就越小。退磁曲线的两个极限位置是表征永磁材料性能的两个重要参数。退磁曲线上磁场强度H为零时相应的磁感应强度值称为剩作磁感应强度。又称为剩余磁通密度。简称为剩磁密度，答号为Br。单位为T（物斯拉）（工厂习用单位为Gs，）。退磁曲线上磁感应强度B为零时相应的磁场强度值称为磁感应强度矫顽力，简称为矫顽力，符号为单位为A/m（工厂习用单位为Oe）。它也是表征永磁材料磁性能的重要参数。对于退磁曲线为直线的永磁材料，显然在（Br/2,Hc/2）处磁能积最大，为：2.1.2 回复曲线退磁曲线所表示的磁通密度与磁场强度间的关系，只有在磁场强度单方向变化下时才存在。实际上,永磁电机运行时受到作用的退磁磁场强度是反复变化的。 图 2.1.2 回复线当对已充磁的永磁体施加退磁磁场强度时，磁通密度沿图中的退磁曲线BrP 下降。如果在下降到P点消去外加退磁磁场强度Hp，则磁密并不沿退磁曲线回复，而是沿另一曲线PBR上升。若再施加退磁磁场强度，则磁密沿新的曲线 下降。如此多次反复后形成一个局部的小回线。称为局部磁滞回线。由于该回线的上升曲线与下降曲线很接近。可以近似地用一 条直线 来代替，称为 回复线。P点为回复线的起始点。如果以后施加的退磁磁场强度不超过第一次的值，则磁密回复线作可逆变化。如果，则磁密下降到新的起始点Q。沿新的回复线变化，不能再沿原来的回复线变化。这种磁密的不可逆变化将造成电机性能的秒稳定，也增加了永磁电机电磁设计计算的复杂性，因而应该力求避免发生。回复线的平均斜率与真空磁导率的比值称为相对回复磁导率，简称回复磁导率，符号简写为。式中，真空磁导率，又称磁性常数。 当退磁曲线为曲线时，的值与起始点的位置有关，是个变数。但通常情况下变化很小，可以近似认为是一个常数。且近似等于退磁曲线上（Br, 0）处切线的斜率值。利用这一近似我，在实际工作中求取不同工作温度，不同工作状态的回复线就方便得多。 2.1.3 内禀退磁曲线退磁曲线和回复线表征的是永磁材料对外呈现的磁感应强度B与磁场强度H之间的关系。还需要另一种表征永磁材料内在磁性能的曲线。这就是内禀退磁曲线。由铁磁学理论可知，在真空中磁感应强度与磁场强度间的关系为: 而在磁性材料中 式中M为磁化强度，是单位体积磁性材料内各磁畴磁矩的矢量和，单位为A/m，它是描述磁性材料被磁化后大大加强了磁场。上式表明，磁性材料被磁化后大大加强了磁场。这时磁感应强度B含有两个分量：一部分是与真空中一样的分量。后一部分是物质磁化后内在的磁感应强度，称为内禀磁感应强度。又称磁极化强度J 。描述内禀磁感应强度与磁场强度H之间的曲线称为内禀退磁曲线，简称为内禀曲线。 图 2.1.3 内禀退磁曲线和退磁曲线的关系内禀退磁曲线上磁极化强度J为零时，相应的磁场强度值称为内禀矫顽力，又称磁化强度矫顽力，其符号为，单位为A/m。的值反映永磁材料抗去磁能力的大小。过去，铝镍钴永磁的内禀退磁曲线与退磁曲线很接近，与相近且很小，故一般书上没有强调内禀退磁曲线。现在，稀土永磁的内禀退磁曲线与退磁曲线相差很大，远大于，这正是表征稀土永磁的抗去磁能力强的一个重要参数。 除了值外，内禀退磁曲线的形状也影响永磁材料的磁稳定。曲线的矩形度越好，磁性能越稳定。为标志曲线的矩形度，特地定义一个参数，称为临界场强，等于内禀退磁曲线上当时所对应的退磁磁场强度值，单位为A/m。应当成为稀土永磁材料的必测参数之一。 2.1.4 稳定性 为了保证永磁电机的电气性能不发生变化，能长期可靠地运行，要求永磁材料的磁性能保持稳定。通常用永磁材料的磁性能随环境、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。1）热稳定性热稳定性是指永磁体由所处环境温度的改变而引起磁性能变化的程度，故又称温度稳定性。当永磁体的环境温度从时，磁密从；当温度从回到时，磁密回升至；而不是；以后温度在和间变化，则磁密在和间变化。从图2-5可以看出，磁性能的损失可分为两部分：可逆损失和不可逆损失。可逆损失是不可避免的。温度恢复后磁性能不能回复到原有值的部分，称为不可逆损失。不可逆损失又可分为不可恢复损失和可恢复损失。前者是指永磁体重新充磁也不能复原的损失，一般因为较高的温度引起永磁体微结构的变化（如氧化）而造成的。后者是指永磁体重新充磁后能复原的损失。永磁材料的温度特性还可用居里温度和最高工作温度来表示。随着温度的升高，磁性能逐步降低，升至某一温度时，磁化强度消失，该温度称为该永磁材料的居里温度，又称居里点，符号为，单位为或。最高工作温度的定义是将规定尺寸的样品加热到某一恒定的温度，长时间放置（一般取1000），然后将样品冷却到室温，其开路磁通不可逆损失小于5%的最高保温温度定义为该永磁材料的最高工作温度，符号为，单位为或。2）磁稳定性磁稳定性表示在外磁场干扰下永磁材料磁性能变化的大小。一种永磁材料的内禀矫顽力越大，内禀退磁曲线的矩形度越好（或者说越大），则这种永磁材料的磁稳定性越高，即抗外磁场干扰能力越强。当和大于某定值后，退磁曲线全部为直线，而且回复线与退磁曲线相重合，在外施退磁磁场强度作用下，永磁体的工作点在回复线上来回变化，不会造成不可逆退磁。3）化学稳定性受酸、碱、氧气和氢气等化学因素的作用，永磁材料内部或表面化学结构会发生变化，将严重影响材料的磁性能。例如钕铁硼永磁的成分中大部分是铁和钕，容易氧化，故在生产过程中需采用各种工艺措施来防止氧化，要尽力提高永磁体的密度以减少残留气隙来提高抗腐蚀能力，同时要在成品表面涂敷保护层，如镀锌、镀镍、电泳等。4）时间稳定性永磁材料充磁以后在通常的环境条件下，即使不受周围环境其它外界因素的影响，其磁性能也会随时间而变化，通常以一定尺寸形状的样品的开路磁通随时间损失的百分比来表示，叫做时间稳定性，或叫自然时效。它与材料的内禀矫顽力和永磁体的尺寸比有关。对永磁材料而言，随时间的磁通损失与所经历时间的对数基本上成线性关系，因此可以从较短时间的磁通损失来推算出长时间的磁通损失，从而判断出永磁体的使用寿命 2.2 永磁材料的选择和应用注意事项 2.2.1 永磁材料的选择永磁材料的种类多种多样，性能相关很大，因此在设计永磁电机时首先要选择好适宜的永磁材料品种和具体的性能指标。归纳起来，选择的原则为：1）应能保证电机气隙中有足够大的气隙磁场和规定的电机性能指标。2）在规定的环境条件下，工作温度和使用条件下应能保证磁性能的稳定性。3）有良好的机械性能，以方便加工和装配。4）经济性要好，价格适宜。 随着现有永磁材料的性能和电机的性能要求，一般说来，1）随着性能的不断完善和相对价格的逐步降低，钕铁硼永磁在电机中的应用将越来越广泛。不仅在部分应用场合有可能取代其他永磁材料，还可能逐步取代部分传统的电励磁电机。2）对性能和可靠性要求高而价格不是主要因素的场合，优先选用高矫顽力的2：17型稀土钴永磁。1：5型稀土钴永磁的应用场合将有所缩小，主要用于在高温情况下使用和退磁磁场大的场合。3）对于性能要求一般，而体积质量限制不严，价格是考虑的主要因素，优先采用价格低廉的铁氧体永磁。4）在工作温度超过300度的场合或对温度稳定性要求严的场合，如各种测量仪器用电机，优先采用温度系数低的铝镍钴永磁。铝镍钴永磁在永磁材料总是中的比例将逐步下降。在生产批量大且磁极开头复杂的场合，优先采用粘结永磁材料。具体选用时，应进行多种方案的性能、工艺、成本的全面分析比较后确定。2.2.2 永磁材料的应用注意事项在应用时除前面提到的以外还应注意：1）永磁材料的实际磁性能与生产厂的具体制造工艺有关，其值与标准规定的数据之间往往存在一定的偏差。同一种牌号的永磁材料，不同工厂或同一工厂不同批号之间都会存在一定的磁性能差别。而且，标准中规定的性能数据是以特定形状和尺寸的试样的测试性能为依据的，对于电机中实际采用的永磁体形状和尺寸，其磁性能与标准数据之间也会存在一定的差别。另外，充磁机的容量大小和充磁方法都会影响永磁体磁化状态的均匀性。影响磁性能。因此，为提高电机设计计算的准确性，需要向生产厂家索取该批号的实际尺寸的永磁体在室温和工作温度下的实测退磁曲线，在有条件时最好能抽样直接测量出退磁曲线。比较稳妥。对于一致性要求高的电机。更需对永磁材料逐片进行检测。2）永磁材料的磁性能除与合金成分和制造工艺有关外，还与磁场热处理工艺有关，所谓磁场热处理，就是永磁材料在分解反应过程中施加外加磁场。以过磁场热处理后，永磁材料的磁性能提高，而且带有方向性，顺磁场方向最大，垂直磁场方向最小，这叫做各向异性。对于没有以过磁场热处理的永磁材料，磁性能没以有方向性，称为各向同性。应变注意到，对于各向异性的永磁体，充磁时的磁场方向应与磁场热处理时的磁场方向一致，否则磁性能反而会有所降低。3）根据规定，永磁材料由室温长到最高工作温度并保温一定时间后再冷却到室温，其开路磁通允许有不大于5%的不可逆损失。因此为了保证永磁电机在运行过程中性能稳定，不发生明显的不可逆退磁，在使用前应先进行稳磁处理（或叫老化处理），其办法是将充磁后的永磁材料长温至预计最高温度并保温一定时间，以预先消除这部分不可逆损失。铁氧体永磁则不同。由于它的矫顽力温度系数为正值，温度越低、矫顽力越小，故需进行负温稳磁处理。其办法是将充磁后的铁氧体永磁放在低温箱中，冷冻至使用环境的紧低温度。保温2至4小时。需要指出的是，以过高温或负温稳磁处理后，不能再对永磁体充磁；如有必要再次充磁，则需要重新进行高温和负温稳磁处理。第3章 永磁同步电动机的结构与感应电动机相比，异步起动永磁同步电动机的转子结构较为复杂。由于转子上既要安装鼠笼导条，又要安装永磁磁极，转子冲片的设计就更加复杂。对于鼠笼条来讲，其作用主要是完成起动任务，而磁钢的作用是在这种电机稳态运行时，提供励磁磁势，使电机具有较高的力能指标。原理上讲，这两部分的设计可以相对独立地完成，这也是传统的较为实用的等效磁路法的设计原则但复杂的转子结构给磁路设计方法带来了诸多的困难。尤其是起动性能的设计计算问题，磁路法的准确性和精度都存在一定的误差。但磁路法的简便和快捷仍然使之成为异步起动永磁同步电动机设计的重要方法，尤其是经过磁路法的粗算可以为有限元法的精确计算提供建模的图形基础。本章采用磁路法方法对异步起动永磁同步电动机的各部分结构参数进行设计,并得出结论。主要研究的内容包括永磁同步电动机的总体结构和永磁同步电动机的转子结构及其基本几何尺寸。 3.1 永磁同步电动机的结构3.1.1 永磁同步电动机的总体结构三相异步起动永磁同步电动机定子冲片及绕组型式与三相感应电机基本相同，转子结构较为复杂。目前多数文献将三相异步起动永磁同电动机结构按照磁极磁路结构的不同分为三大类型：径向式、切向式、混合式等三种结构。转子磁极多数选用具有高的矫顽力、剩磁密度及磁能积的稀土永磁材料。图3.1.1永磁同步电动机截面示意图1-定子 2-永磁体 3-转轴 4-转子铁心西北工业大学的李钟明、刘卫国教授在结构设计研究方面提出了可根据使用需要选择不同的转子结构形式的观点，并提出了两种新型具有聚磁作用的切向式结构的永磁同步电机结构方案，同时申请了国家专利。早在80年代中期，国外学者就提出了径向磁路的异步起动永磁同步电机的转子结构。当极数较多时，还可以采用切向磁路结构。用切向式结构制成的7.5KW的钦铁硼永磁同步电动机，其效率可达到 91.1%。切向结构磁极每极有效面积比径向结构的约大一倍，但切向结构漏磁大，且需要隔磁环。由于直轴电枢反应较强，引起从Xq它使得二次反应式转矩在0-90。范围内为负值，从而减小了有效转矩。为此，K.T.Chau提出在d轴引入一个空气槽，为了避免气隙磁场有严重的谐波畸变，空气槽应该是闭口的，而且闭口槽沿径向逐渐加宽，加宽的程度受空载电势的减小和转子铁心饱和程度的限制。除了采用径向磁路和切向磁路结构，还可以采用混合式磁极结构。对于混合式磁极结构，应用较为普遍。这种结构可以增加永磁体的横截面积以增加气隙主磁通。德国 SIMENS公司提出的一种混合式结构，采用非磁性转轴或采用隔磁铜套，主要应用于剩磁密度较低的铁氧体永磁材料制造的的永磁同步电动机。永磁同步电动机也由定子、转子和端盖等部件构成。定了与普通感应电动机基本相同。也采用叠片结构以减少电动机运行时的铁耗。转子铁心可以做成实心的。也可以用叠片叠城市而面。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。可大减小电动机转矩纹波，提高电动机运行平衡性，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。3.1.2永磁同步电动机的转子磁路结构永磁同步电动机与其他电机的最主要的区别是转子磁路结构。转子磁路结构不同，则电动机的运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合也不同。近年来，外转子永磁同步电动机在一些领域得到了广泛的应用。它的主要优点在于电动机转动惯量比常规永磁同步电动机大，且电枢铁心直径可以做得较大，从而提高了在不稳定负载下电动机的效率和输出功率。外转子永磁同步电动机除结构与常规永磁同步电动机有异外，其他均相同。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。3.1.2.1表面式转子磁路结构这种结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，永磁体提供磁通的方向为径向，且永磁体外表面与定子铁心内圆之间一般仅套以起保护作用的非磁性圆筒，或在永磁磁极表面包以无续下班比带作保护层。有的调速成永磁同步电动机的永磁磁极用话多矩形小条拼装成瓦片形，能降低电动机的制造成本。表面式转子磁路结构又分为凸出式和插入式两种。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于1，所以表面凸出式转子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个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。图3.1.2.1 表面式转子磁路结构a)凸出式 b)插入式 1-永磁体 2-转子铁心 3-转轴1）表面凸出式转子结构 由于其具有结构简单、制造成本较小、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高强度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，可显著提高电动机以至整个传动系统的性能。2）表面插入式转子结构 这种结构可充分得用转子磁路的不对称性所产生的磁阴转矩，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有较凸出式大。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。但因转面无法安装起动绕组，无异步起动能力，不能用于异步起动永磁同步电机。3.1.2.2 内置式转子磁路结构这类结构的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，极靴可以放置铸铝笼或铜条笼。起阻尼或起动作用，动、稳态性能好，广泛用于要求有异步起动能力或动态必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长能力和功率密度，而且易于“弱磁”扩速。按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子磁路结构又可分为径向式、切向式和混合式三种。 1、径向式; 该结构的优点是漏磁系数小、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，图 (a)是一种工艺简单、制造成本低、永磁体利用率高的结构;图(b)和(c)中，永磁体轴向插入永磁体糟，并通过隔磁磁桥来限制漏磁通，结构简单，运行可靠，转子机械强度高、近年来应用较为广泛，其中(c)比(b)提供了更大的永磁体空间。 2、切向式: 该结构的漏磁系数较大，制造工艺和成本较径向式有所增加。其优点是一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。尤其当电机极数较多、径向式结构不能提供足够的每极磁通时，这种结构的优势就显得更为突出，此外，采用该结构的永磁同步电动机的磁阻转矩可占到总电磁转矩的40%，对提高电机的功率密度和扩展恒功率运行范围都是很有利的。 3、 混合式: 该结构集中了径向式和切向式的优点，但结构和制造工艺都比较复杂，制造成本也比较高。图3-3(a)是德国西门子公司发明的结构，需要采用非磁性转轴或采用隔磁铜套，主要应用于使用铁氧体的永磁同步电动机。(b)和(c)图是由径向式结构彻和(c)衍生而来的，其永磁体径向部分和切向部分的磁化方向长度相等，也采用隔磁磁桥隔磁.从图 (b)和(c)这四种结构，转子依次可为安放永磁体提供更多的空间，空载漏磁系数依次减小，但制造工艺却依次更加复杂，转子的机械强度也依次有所下降。 图3.1.2.2 内置径向式转于磁路结构 1-转轴 2-永磁体槽 3-永磁体 4-转子导条图3.1.2.2 内置切向式转于磁路结构 1-转轴 2-空气隔磁槽 3-永磁体 4-转子导条图3.1.2.2 内置混合式转于磁路结构1-转轴 2-永磁体槽 3-永磁体 4-转子导条在选择转子磁路结构时还应考虑到不同转子啼路结构电机的交、直轴同步电抗Xq、Xd及其比例Xq/Xd（称为凸极率）也不同。在相同条件下，上述三类内置式转子磁路结构电动机的直轴同步电抗Xd相差不大，但它们的交轴同步电抗Xq却相差较大。切向式转子结构电动机的Xq最大，径向式转子结构电动机的Xq次之。由于磁中结构和尺寸多种多样，Xq、Xd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Xq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，四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。3.1.2.3 爪极式转子磁路结构爪极式转子磁路结构通常由两个带爪的法兰盘和一个圆环形的永磁体构成，左右法兰盘的爪数相同，且二者的爪极互相错形象，沿圆周均匀分布，永磁体轴向充磁，因而左右法兰盘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，又不具备异步电动能力，但结构和工艺较为简单。3.1.3 隔磁措施为不使电机中永磁体的漏磁系数过大而导致永磁材料利用率过低，应注意各种转子结构的隔磁措施。上图为几种典型的隔磁措施，图中标尺寸b的冲片部件称为隔磁磁桥，通过磁桥部位磁通达到饱和来起限制漏磁的作用。隔磁磁桥宽度b越小，该部位磁阴便越大，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，磁桥的隔磁交果也将明显下降。但当w达到一定的大小后，再增加w，隔磁交果不再有明显的变化，而过大的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，这合我得电动机的制造成本增加，制造工艺变得复杂。近年来，有些单位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。但是，当电动机容量较大时，这种结构使得转子的机械强度显得不足，电动机可靠性下降。 图3.1.3 几种典型的隔磁措施1-转轴 2-转子铁心 3-永磁体槽 4-永磁体 5-转子导条3.2 永磁同步电动机的基本理论3.2.1 稳态运行和相量图电动机稳定运行于同步转速时，永磁同步电动机的电压方程为：式中： E。永磁气隙基波磁场所产生的每相空载反电动势有效值(V)； U。外施相电压有效值(V)；I1定子相电流有效值(A)；定子绕组相电阻；、直、交铀电枢反应电抗；定子漏抗；直轴同步电抗: 交轴同步电抗， 、直、交轴电枢电流(A) I1与E。间的夹角，称为内功率因数角，I1超前E。时为正。 由电压方程可画出永磁同步电动机于不同情况下稳定运行时的几种典型相量图，如图3.1.3所示。图中，为气隙合成基波磁场所产生的电动势，称为气隙合成电动势(V)；为气隙合成基波磁场直轴分量所产生的电动势，称为直轴内电动势(V)；为超前的角度，即功率角，也称转矩角；为电压超前定子相电流的角度，即功率因角。图3-7a、b和c中的电流均超前于空载反电动势，直轴电枢反应均为去磁性质，导致电动机直轴内电动势小于空载反电动势。图3-7e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。图3-7d所示是直轴增，去磁临界状态(与同相)下的相量图，由此可列出电压方程：从而可以求得直轴增、去磁临界状态时的空载反电动势图3.2.1 永磁同步电动机几种典型相量图相量图，由此可列出电压方程：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 稳态运行性能分析与计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。电动机的这些稳态性能均可从其基本电磁关系或从相量图推导而得。3.2.2.1 电磁转矩和矩角特性从图3-8可得出如下关系： 从上式可求得电动机定子电流的直、交轴分量：定子相电流 而电动机的输入功率（W）忽略定子电阻，上式可得电动机的电磁功率（W）除以电动机的机械角速度，即