永磁同步电机毕业设计

哈尔滨理工大学学士学位论文永磁同步电动机的电磁设计与分析摘要永磁同步电动机（PMSM）是一种新型电机，永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等优点，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而具有效率高，功率因数高，转矩惯量大，定子电流和定子电阻损耗小等特点。本文主要介绍永磁同步电动机（PMSM）的发展背景和前景、工作原理、发展趋势，以异步起动永磁同步电动机为例，详细介绍了永磁同步电动机的电磁设计，主要包括额定数据和技术要求，主要尺寸，永磁体计算，定转子冲片设计，绕组计算，磁路计算，参数计算，工作特性计算，起动性能计算，还列举了相应的算例。还通过ANSOFT软件的RMXPRT模块对永磁同步电动机了性能分析，得出了效率、功率、转矩的特性曲线，并且分别改变了电机的三个参数，得出这些参数对电机性能的影响。又通过ANSOFT软件MAXWELL2D的瞬态模块对电机进行了仿真，对电机进行了磁场分布计算，求出了电流、转矩曲线和电机的磁力线、磁通密度分布图。关键词永磁同步电动机；电磁设计；性能分析哈尔滨理工大学学士学位论文1THEDESIGNOFPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTORABSTRACTPMSMPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTORISANEWTYPEOFMOTOR,WHICHHASTHEADVANTAGESOFSIMPLESTRUCTURE,SMALLVOLUME,LIGHTWEIGHT,LOWLOSS,HIGHEFFICIENCYCOMPAREDWITHTHEDCMOTOR,ITHASNODCMOTORCOMMUTATORANDBRUSHCOMPAREDWITHTHEASYNCHRONOUSMOTOR,BECAUSEITDOESNOTREQUIRENOPOWEREXCITATIONCURRENT,ITHASTHEADVANTAGESOFHIGHEFFICIENCY,HIGHPOWERFACTOR,LARGEMOMENTOFINERTIA,STATORCURRENTANDSMALLSTATORRESISTANCELOSSTHEPAPERMAINLYINTRODUCESTHEPMSMSDEVELOPMENTBACKGROUNDANDFOREGROUND,WORKINGPRINCIPLE,DEVELOPMENTTREND,TAKINGASYNCHRONOUSSTARTPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTORASANEXAMPLE,ITINTRODUCESINDETAILTHEELECTROMAGNETICDESIGNOFPMSM,THATMAINLYINCLUDESTHERATEDDATAANDTECHNICALREQUIREMENTS,MAINDIMENSIONS,PERMANENTMAGNETCALCULATION,ROTORANDSTATORPUNCHING,WINDINGCALCULATION,MAGNETCIRCUITCALCULATION,PARAMETERSCALCULATION,PERFORMANCECALCULATION,CALCULATIONOFSTARTINGPERFORMANCE,ANDALSOLISTSTHEREVEVANTEXAMPLESWEASLOCANANALYSETHEPERFORMANCEOFPMSMTHROUGHTHERMXPRTMODULEOFANSOFTSOFTWAREANDCONCLUDETHATTHECHARACTERISTICCURVEOFEFFICIENCY,POWER,TORQUEBYCHANGINGTWOPARAMETERSOFTHEMOTOR,IGETTHEOPTIMALSCHEMEOFTHEMOTORTHROUGHTRANSIENTMODULEOFANSOFTSOFTWAREMAXWELL2DTOSIMULATETHEMOTORPARAMETERS,THEMAGNETICFIELDDISTRIBUTIONOFTHEMOTORISCALCULATED,ICANBEOBTAINEDTHECURVESOFTHECURRENTANDTHETORQUE,THEDISTRIBUTIONOFMAGNETICLINEOFFORCEANDTHEDISTRIBUTIONOFMAGNETICFLUXDENSITYKEYWORDSPMSMMOTORDESIGNPERFORMANCEANALYSIS哈尔滨理工大学学士学位论文2目录摘要IABSTRACTII第1章绪论411课题背景412永磁电机发展趋势513本文研究主要内容6第2章永磁同步电动机的原理721永磁材料7211永磁材料的概念和性能7212钕铁硼永磁材料822永磁同步电动机的基本电磁关系9221转速和气隙磁场有关系数9222感应电动势和向量图10223交直轴电抗及电磁转矩1223小结13第3章永磁同步电动机的电磁设计1431永磁同步电机本体设计14311永磁同步电动机的额定数据和主要性能指标14312定子冲片和气隙长度的确定以及定子绕组的设计15313转子铁心的设计1632永磁同步电动机本体设计示例18321额定数据及主要尺寸18322永磁体及定转子冲片设计19323绕组计算23324磁路计算26325参数计算29326工作特性计算33327起动特性计算3733小结41第4章永磁同步电动机的性能分析及磁场分析4241永磁同步电动机的性能分析42411永磁同步电动机性能曲线42412重要参数的变化对性能的影响4442永磁同步电动机的磁路分析46哈尔滨理工大学学士学位论文3421永磁同步电动机的模型46422在ANSOFTMAXWELL2D中运行后的结果图4743小结52结论53致谢54参考文献55附录A56哈尔滨理工大学学士学位论文4第1章绪论11课题背景永磁同步电动机（PMSM）具有体积小、效率高、功率因数高、起动力矩大、力能指标好、温升低等特点。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代替后者的励磁绕组励磁，使电机结构更为简单。近年来，永磁材料性能的改善以及电力电子技术的进步，推动了新原理、新结构永磁同步电机的开发，有力地促进了电机产品技术、品种及功能的发展，某些永磁同步电机已形成系列化产品，容量从小到大，已达到兆瓦级，应用范围越来越广；其地位越来越重要，从军工到民用，特殊到一般迅速扩大，不仅在微特电机中占优势，而且在电力推进系统中也显示出了强大的生命力。永磁同步电机以其效率高、功率大、结构简单、节能效果显著等一系列优点在工业生产和日常生活中逐步得到广泛应用。尤其是近年来高耐热性、高磁性能钕铁硼永磁体的成功开发以及电力电子元件的进一步发展和改进，目前正向超高速、高转矩、大功率、微型化、高功能化方向发展1。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，损耗小，效率高，电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。与传统的同步电动机相比较，采用永磁体既简化了电机的结构、实现了无刷化，提高了可靠性，又节约用铜，省去了转子铜耗，提高了电机效率2。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3。新型永磁材料的出现大大促进了永磁同步电机的发展，同时也解决了制约稀土永磁电机发展的共性关键技术，其中之一就是改进永磁体加工工艺、提高材料利用率、降低成本，使用率提高20，加工费降低504。日本1965年就开始研制电动车，于1967年成立了日本电动车协会5。从1996年，丰田汽车公司的电动机RAV4就采用了东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机，最大功率50KW，最高转速1300R/MIN到本田公2001年推出的燃料电池试验车FCXV4的驱动电机最高功率为60KW，最大转矩为272NM。欧洲许多发达国家很早就开始了对电动车的研究。在电动车驱动电机的选择上，不同国家各有侧重英国、法国偏重于永磁无刷直流电机，德国偏重于开关磁阻电机。德国第三代奥迪混合电动车驱动电机采用了永磁同步电机。其最高转速为12,500R/MIN，最大输出功率32KW。美国的电动车开发比日本晚。在美国，感应电机的设计及其控制策略的发展较为成熟，所以电动车驱动电机还主要以感应电机为主。美国两个最高车速分别为72KM/H和56KM/H的短程混合电动公交车上也采用了永磁同步电机作为驱动电机6。哈尔滨理工大学学士学位论文512永磁电机发展趋势永磁电机向大功率、高转速、高力矩、高效率同时质轻发展。目前永磁同步电机广泛应用于电动汽车、有轨无轨机车、航空航天、电梯、家用电器、航海等领域，开发出高功率、高转速、高力矩、高效率、质轻的永磁同步电机，可见对节能环保、高效高质量服务等方面具有很大的推动作用，这也是永磁同步电机的发展趋势。高功率德国西门子公司于1986年完成了1100KW，230R/MIN机电一体化的交流永磁同步推进电机；另外1760KW永磁同步推进电机装于U212潜艇试用，其长度和有效体积与传统的直流推进电机相比减少很多。目前研制的永磁同步电动机最大功率为14MW，转速150R/MIN，用于SIEMENS公司和SCHOTEL公司联合生产的SSP吊仓式电力推进系统7。高转速超高速电机典型产品如美国通用电气公司早期研制的150KW，转速为23000R/MIN的航空用起动发电机和日本的1000KW，转速为15000R/MIN的钐钴永磁同步发电机。超高速电机在旋转时有很大的离心力，为使永磁体和其他材料不致于飞散，需要采取机械加固措施，一般在转子外径处套一非磁性钢的护环。高效率永磁电机又是一种高效节能产品，平均节电率高达10以上，专用稀土永磁电机的节电率可高达1520。美国GM公司研制的钕铁硼永磁起动电机与老式串激直流起动电机相比，不仅重量由原来的621KG降低到42KG，体积减少了1/3，而且效率提高了45。在水泵、风机、压缩机需要无级变频调速的场合，异步变频调速可节电25左右，而永磁变频调速节电率高达30以上8；窦满锋等9提出了油田抽油机专用稀土永磁同步电机的设计方法，研制的REPMSM比相应的异步电机效率提高65，功率因数提高13，起动转矩提高50。在油田抽油机上使用节能效果明显等等。国外提高电动机效率的主要途径是（1）通过对同步电动机的优化设计，增加铜、铝、电工钢板等有效材料用量，降低绕组损耗和铁耗；（2）采用较好的磁性材料和工艺，以降低铁耗；（3）合理设计通风结构和选用高性能轴承，降低机械损耗；（4）通过改进设计和工艺，降低杂散损耗。国外已开发出高效同步电机。美国提出将电动机推至极限，将生产超高效电动机。我国沈阳工业大学开发的超高效稀土永磁电机效率为94710。永磁电机的轻型化、微型化、高功能化、专业化、微型化。航空航天产品，电动车辆、数控机床，计算机、视听产品、医疗器械、便携式光机电一体化产品、电梯等，都对电机提出体积小、重量轻，不同性能侧重点都提出了严格的要求；医疗微型机器、管道检修机器人等等都对微型化电机提出了挑战；宇航设备、宇宙空间的机械手、原子能设备的检查机器人和半导体制造装置等特殊环境下工作的电动机，需要使用高温电动机和高真空电动机。已开发的150W、转速3000R/MIN，工作在200300高温和哈尔滨理工大学学士学位论文61333610PA真空度环境下的三相四极永磁电动机，直径105MM、长145MM，采用高温特性好的217SMCO永磁体8。国外专用电机占有量达80，通用电机占有量占20，而我国正好相反。专用电机是根据不同负载特性专门设计的，如油田用抽油机专用稀土永磁电机，节电率高达20，可见专业电机的节能潜力和高功能匹配性。动力传动一体化电机驱动系统对整个动力传动系统（电机、减速齿轮、传动轴）进行一体化建模和控制，构建高性能、高可靠性或高精度的一体化驱动系统。高性能、高档永磁同步电机伺服系统高性能、高档永磁同步电机伺服系统随着我国航空航天、汽车、船舶、电站设备和国防工业等制造业的高速发展，数控机床在装备制造业中的重要性愈来愈明显。优化方面如GHLEE等11通过分析扭矩波动的缘由，通过电流补偿使力矩波动最小的优化控制；WUZHIHONG等12通过使用神经网络以速度和力矩作为输入，正交轴电流作为输出达到最优效率的永磁同步电机控制永磁同步电机漏磁大、结构复杂的缺陷。高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、百格拉，美国科尔摩根和日本松下、三菱及安川等公司13。13本文研究主要内容本文主要研究永磁同步电动机的本体设计，先掌握永磁同步电动机的原理，在此基础上对一台30KW容量的永磁同步电动机进行设计，并对其电机性能和磁场分布进行仿真分析，具体内容如下1）论述永磁同步电动机的原理，包括永磁材料的特点，永磁同步电动机的基本电磁关系。2）说明永磁电动机的本体设计，并对一台30KW的永磁同步电动机进行设计，包括对永磁同步电动机的永磁体设计，定、转子冲片设计，绕组计算，磁路计算，参数计算，工作特性计算和起动性能计算，得出了永磁同步电动机的工作特性表和合成转矩表。3）用ANSOFT软件的RMXPRT模块对永磁同步电动机进行性能分析，得到了永磁同步电动机的功率因数、电流、效率、转矩的特性曲线，分别改变了永磁同步电动机的定子铁心长，每槽导体数和永磁体磁化方向长度，得出这些参数对永磁同步电动机性能的影响。用ANSOFT软件MAXWELL2D的瞬态模块进行磁场计算，得到永磁同步电动机的模型、剖分面、转矩曲线和电流曲线，不同时刻的磁力线分布图和磁通密度分布图。哈尔滨理工大学学士学位论文7第2章永磁同步电动机的原理21永磁材料211永磁材料的概念和性能永磁材料又称“硬磁材料”。永磁材料的主要磁性能指标是剩磁、矫顽力、内禀矫顽力、磁能积。我们通常所说的永磁材料的磁性能，指的就是这四项。永磁材料的其它磁性能指标还有居里温度、可工作温度、剩磁及内禀矫顽力的温度系数、回复导磁率、退磁曲线方形度、高温减磁性能以及磁性能的均一性等。除磁性能外，永磁材料的物理性能还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等；机械性能则包括维氏硬度、抗压强度、冲击韧性等。此外，永磁材料的性能指标中还有重要的一项，就是表面状态及其耐腐蚀性能。永磁材料具有宽磁滞回线、高矫顽力和高剩磁。在铁磁材料中，磁感应强度B与外加磁场强度H的函数关系式非常复杂，B的变化落后于H的变化，这种现象称为磁滞，用磁滞回线描述，如图21，磁滞回线宽的为永磁材料，磁滞回线窄的为软磁材料14。图21磁滞回线对同一铁磁材料，以不同的磁场强度MH分别进行反复多次反复磁化，可得到多个大小不等的磁滞回线，如下图22所示。将各磁滞回线的顶点连接起来，所得到的一条曲线称为基本磁化曲线或称为平均磁化曲线。哈尔滨理工大学学士学位论文8图22基本磁化曲线212钕铁硼永磁材料钕铁硼永磁材料是近年来发展起来的第三代稀土永磁材料，具有高磁能积、高矫顽力、高机械强度等优点，但目前尚存在温度系数大和使用温度低等缺点。钕铁硼永磁材料是1983年问世的高性能永磁材料15。钕铁硼永磁的主要成分是214NDFEB，是目前磁性能最强的永磁材料。它的最大磁能积可达3398J/MK，为铁氧体永磁材料的512倍、铝镍钴永磁材料的310倍，理论值为3527J/MK；剩磁可达147T，矫顽力最高可超过1000KA/M，能吸起相当于自身重量640倍的重物。由于不含钴且钕在稀土中的含量远高于钐，钕铁硼的价格比稀土钴要低得多。钕铁硼永磁的居里温度低，为310到410C，温度稳定性较差，剩磁温度系数为（0095015）/K，矫顽力温度系数为（0407）/K，通常最高工作温度为150C，目前已有商业化的耐200C高温的钕铁硼永磁。常温下退磁曲线下部发生弯曲，若设计不当，易发生不可逆退磁。钕铁硼广泛应用在永磁电机中，稀土永磁材料产量的三分之一以上用来制造各种永磁电机，永磁电机的优点是省铜、省电、重量轻、体积小、比功率高。电动自行车电机、电脑驱动电机、车床等的行速与转速的测量电机、电梯的曳引机电机、麻将电机、冰箱空调电机、风力发动电机、汽车发动电机等等应用领域极其广泛。哈尔滨理工大学学士学位论文922永磁同步电动机的基本电磁关系221转速和气隙磁场有关系数（1）转速稳态运行是，永磁同步电动机的转速N与定子旋转磁场的转速相同，取决于电源频率F和电机极对数P，即60FNP（21）（2）计算极弧系数基波磁场是实现机电能量转换的基础。在永磁同步电动机中，可以认为空载气隙磁场是带有谐波的平顶波，计算极弧系数I直接影响到基波幅值的大小。极弧系数为MP2/2QQP（22）2Q式中为转子槽数。（3）空载气隙波形系数在永磁同步电动机中，忽略齿槽影响，空载气隙磁密波形可以近似为矩形波，其幅值为I14SIN2BB（23）气隙磁密波形系数定义为空载气隙磁场中基波磁密幅值与气隙磁密最大值的比值，即1IF4SIN2BKB（24）（4）电枢反应磁密波形系数在直轴上施加直轴电枢反应基波磁动势ADF，产生的气隙磁密最大值和磁密基波幅值分别为ADB和AD1B，直轴电枢反应磁密波形系数DK定义为AD1DADBKB（25）在较轴上施加交轴电枢反应基波磁动势AQF，所产生的气隙磁密基波幅值为AQ1B。假设交轴位置与直轴位置的磁阻相同，AQF则产生一假象的气隙磁密正弦波，其幅值为AQB，交轴电枢反应磁密波形系数QK为哈尔滨理工大学学士学位论文10AQ1QAQBKB（26）（5）电枢反应系数电枢反应磁动势为正弦波，励磁磁动势为方波，两者的波形不同，求合成磁场时，通常将电枢反应磁动势折算到相应的励磁磁动势。折算的原则是折算后产生的基波磁密相同。直轴电枢反应磁动势ADF折算到励磁磁动势时应乘以直轴电枢反应系数ADK，交轴电枢反应磁动势折算到励磁磁动势时应乘以交轴电枢反应系数AQK。DADFQAQFKKKKKK（27）（6）空载漏磁系数的计算永磁同步电动机的空载漏磁系数0为001（28）式中0为永磁体产生的穿过空气气隙进入定子的那部分磁通；为由永磁体产生的在转子内部闭合的那部分磁通。222感应电动势和向量图（1）感应电动势定子绕组每相空载感应电动势的有效值为0DP0444EFNK（29）式中011EF2BL为永磁体产生每极基波磁通，1为定子极距。永磁体产生每极气隙磁通0I1EFBL，两者之比定义为气隙磁通波形系数K因此空载电动势0E又可以表示为0DP0444EFNKK（210）直轴电枢反应磁通AD在定子每相绕组中感应的直轴电枢反应电动势ADDPAD444EFNK（211）ADE与直轴电枢电抗之间满足ADDADJEIX（212）交轴电枢反应磁通AQ在定子每相绕组中感应的交轴电枢反应电动势哈尔滨理工大学学士学位论文11AQDPAQ444EFNK（213）AQE与交轴电枢反应电抗的关系AQQAQJEIX（214）气隙合成磁场在定子每相绕组中的感应电动势E为DP444EFNK（215）式中为永磁体和电枢反应磁动势共同产生的每极基波磁通。图22永磁同步电动机的向量图（2）永磁同步电动机的相量图在永磁同步电动机中，定子绕组满足的电压方程为0ADAQ111JEEEUIRX（216）故1110DADAQ110DDQQJJJJJUIRXEIXIIREIXIX（217）根据式（217）可画出永磁同步电动机工作状态下的向量图，如图22所示。从相量可以看出，永磁同步电动机满足以下关系DQ1DQQ01QDDD1Q1ARCTAN/SINCOSSINCOSIIURIXIUERIXIIIII（218）哈尔滨理工大学学士学位论文12定子电流的直轴和交轴分量分别为1Q0D21DQDQ0Q21DQSINCOSSINCOSRUXEUIRXXXUXEUIRXX（219）223交直轴电抗及电磁转矩由于永磁体的存在，永磁同步电动机的直轴磁导较小，交轴磁导较大，分别引进了直轴电枢反应电抗ADX和交轴电枢反应电抗AQX。在进行计算时，可以认为ADX不随铁心饱和程度变化，而AQX则受磁路饱和程度影响较大，应考虑饱和影响。（1）直轴电枢反应电抗由永磁同步电动机相量图可知0DDADEEIX（220）式中直轴电枢反应去磁时取“”号，直轴电枢反应助磁时取“”号。DDP1N444EFNKK（221）式中1N是电枢电流为纯直流时的基波气隙磁通。直轴电枢电流DI产生的直轴电枢反应磁动势幅值为DPDAD045KNIFMP（223）永磁体产生的磁动势近似为方波，而直轴电枢反应磁动势为正弦波，从产生基波磁动势的角度出发，将直轴电枢反应磁动势折算到作用在永磁体上的方波磁动势AD1FDPDAD1ADADAD045KNIFKFMKP（224）据此进行磁路计算，得到永磁体的工作点MNB，则（225）式中NAMNN11FB。对于串联式磁路结构，AD10MC10AFFHH。因此直轴电枢反应电抗为DP01N0DADDD444FNKEEXII（226）（2）交轴电枢反应电抗哈尔滨理工大学学士学位论文13AQADADMM11XXX（227）（3）永磁同步电动机的电磁转矩永磁同步电动机的输入功率为111DQCOSCOSSINCOSPMUIMUIMUIUI（228）将式（218）代入（228）得2111QDQD0QPMIRIIXXEI（229）将式（229）扣除定子损耗211MIR就是包括铁耗和杂散损耗在内的电磁功率，即2EM111QDQD0QD10221DQ1QDQ0QD201DQSINCOSSINCOSPPMIRMIIXXEIMXUREURXXRUXXXEUXXERXX（230）通常定子绕组电阻较小，忽略其影响，则EM0QD0DDQ20DQDSINCOS11SINSIN22MPUEUXXEXXXMUEMUXXX（231）永磁同步电动机的电磁转矩为2EMEM0EMDQD11SINSIN22PPMPUEMPUTXXX（232）式中和分别为电动机的机械角速度和电角速度。23小结本章对永磁同步电动机的原理进行了介绍，介绍了永磁材料和永磁同步电动机最常用的钕铁硼永磁材料，对永磁同步电动机的基本电磁关系进行了说明，讲解了永磁同步电动机的基本向量图，给出了永磁同步电动机的重要关系式，是了解永磁同步电动机的重要基础。哈尔滨理工大学学士学位论文143章永磁同步电动机的电磁设计31永磁同步电机本体设计311永磁同步电动机的额定数据和主要性能指标与感应电动机相比永磁同步电动机虽然有诸多性能方面的优点，但在产品种类，使用场合和设计技术的成熟方面都存在一定差距。永磁同步电动机主要在要求高效节能的场合替代感应电动机，因此设计的目标是高功率因数、高效率、起动性能好、经济好、工作可靠。永磁同步电动机设计就是根据产品规格、性能要求和外形尺寸要求等。在永磁电机的设计中,永磁材料的尺寸确定是非常重要的。永磁体的设计包括永磁材料的种类、形状、摆放位置和尺寸大小。永磁体尺寸包括轴向长度LM、磁化方向长度HM和磁化方向宽度BM。LM通常等于或略小于电机的轴向长度，实际上，只需要设计永磁体在永磁电机横截面上的尺寸HM和BM。结合国家标准和生产实际，运用有关设计理论和计算方法，设计出性能要求和外形尺寸要求等，结合国家标准和生产实际，运用有关设计理论与计算方法，设计出性能符合要求、可靠性高、经济型号的合格产品。下面列出额定数据和主要性能指标要求14。永磁同步电动机的额定数据组要有（1）额定功率NP额定运行时转轴上输出的机械功率。（2）额定电压NU额定运行是的供电电压。（3）额定频率F额定运行时的电源频率。（4）额定转速NN额定运行时的转速。永磁同步电动机的主要性能指标有（1）额定效率N。（2）额定功率因数NCOS。（3）最大转矩倍数（失步转矩倍数）MN/TT；最大电磁转矩与额定转矩的比值，也称过载能力。（4）起动转矩倍数STN/TT起动转矩与额定转矩的比值。（5）起动电流倍数STN/II起动过程中的最小转矩与额定转矩的比。（6）最小转矩倍数MINN/TT起动过程中的最小转矩与额定转矩的比。（7）牵入转矩倍数PIN/TT牵入转矩与额定转矩的比值。哈尔滨理工大学学士学位论文15312定子冲片和气隙长度的确定以及定子绕组的设计3121定子冲片尺寸和气隙长度的确定当电机的转速一定时，极数确定，则定子槽数取决于每极每相槽数1Q，1Q对参数、性能影响较大。当1Q较大时，定子谐波磁场减小，附加损耗降低；定子槽漏抗减小；槽中线圈边的总散热面积增大，有利于散热；绝缘材料用量和加工工时增加，槽利用率低。综合考虑，1Q在26之间选择，取整数，极数少、功率大的，1Q取大值；极数多的，1Q取小值。对于常规用途的小功率永磁同步电动机，为提高零部件的通用性，缩短开发周期和成本，通常选用Y系列或Y2系列或Y3系列小型三相感应电动机的定子冲片。永磁同步电动机的气隙磁密高、体积小，可选用比相同规格感应电动机小一个机座号的感应电动机定子冲片。在感应电动机中，为减小激磁电流、提高功率因数，通常使气隙长度尽可能小，而在永磁同步电动机中，功率因数可以通过调整绕组匝数和永磁体进行调整，气隙长度对杂散损耗影响较大，因此通常比同容量的感应电动机气隙长度大0102MM。在永磁体尺寸一定的前提下，适当增大气隙，对每极基波磁通影响较小。3122定子绕组的设计永磁同步电动机转子永磁体产生的磁场含有大量的谐波，感应电动势中谐波含量也较高，为避免三次谐波在绕组各相之间产生环流，三相绕组的连接通常采用Y形接法。（1）定子绕组型式和节距选择与感应电动机一样，永磁同步电动机使用的绕组型式有单层绕组、双层绕组和正弦绕组等。其中单层绕组又分为同心式、链式和交叉式，区别在于端接形状、线圈节距和线圈之间的连接顺序。这些绕组形式各有其特点和适用场合。单层绕组的优点是槽内无层间绝缘，槽利用率高；同一槽内导体属于同一相，不会发生层间击穿；线圈数比双层少一倍，线圈制造和Q嵌线方便。但也存在缺点，如不能做成短距以改善磁场波形，主要用于160及以下机座。其中同心式绕组的端部用铜多，线圈尺寸不同，制造复杂，多适用于1Q4、6、8的二极电机；链式绕组适用于1Q2的4、6、8极电机；交叉式绕组适用于1Q为奇数的电机。双层绕组的优点是可通过合理选择节距改善磁场波形；端部排列整齐，线圈尺寸相同，便于制造。缺点是绝缘材料用量多，嵌线麻烦。主要用于180及以上机座号的电机。为消弱磁势及感应电动势中的5哈尔滨理工大学学士学位论文16次、7次谐波，通常选择节距Y5/6。对于两极电机，为便于嵌线和缩短端部才长度，除铁心很长的以外，取2/3Y。正弦绕组。正弦绕组的优点是谐波含量少、磁场波形好，但线圈尺寸、匝数不同，制作较复杂，多用于感应电动势波形要求高的场合。（2）每相串联匝数的确定永磁同步电动机的起动性能和功率因数都与每相串联匝数直接相关。在确定每相串联匝数时，通常先满足起动要求，再通过调整永磁体满足功率因数的要求。永磁同步电动机的起动能力比感应电动机差，故每相串联匝数少，起动电流倍数高。（3）电流密度选择、线规、并绕根数和并联支路数的确定一般来讲，在永磁同步电动机中，为达到高效节能的目的，电流密度通常比同容量的感应电机低，同时每相串联匝数较小也为低电流密度的采用提供了保证。导线截面积为1C11T11IAANJ（31）式中T1N为并绕根数。对于小电机，每槽导体数较多，非常容易选择合适的每槽导体数以满足起动性能的要求，为避免极间连线过多，1A通常取小值；对于容量较大的电机，每槽导体数较小，1A通常取大值以增加每槽导体数，增大其选择余地，满足起动性能的要求。小型永磁同步电动机通常采用圆铜线，为便于嵌线，线径不超过168MM，线径应为标准值。线规确定后，要核算槽满率，槽满率一般控制在7580，机械化下线控制在75以下。313转子铁心的设计3131定转子槽配合同感应电动机类似，当永磁同步电动机定转子槽配合不当时，会出现附加转矩，产生振动和噪声增加，效率下降。在选择槽配合时，通常遵循以下原则（1）考虑到转子磁路的对称性，转子槽数2Q为极数的整数倍，且采用多槽远槽配合。（2）为避免起动过程中产生较强的异步附加转矩，应该使转子槽数21125QQP。（3）为避免产生同步附加转矩，应该使定转子槽数的关系为21QQ、21QQP、212QQP。（4）为避免单向振动力，应21QQP、211QQP。哈尔滨理工大学学士学位论文173132转子槽形及尺寸永磁同步电动机可用的转子槽如图31所示。为了有效隔磁，通常用采用平底槽。在小型内置式永磁同步电动机中，为了提供足够空间放置，槽高度较小，集肤效应远不如感应电动机明显，且凸形槽和刀形槽形状复杂、冲模制造困难，故通常采用梯形槽。转子导条的主要作用是用于起动，同步运行时，气隙基波磁场不再转子导条中感应电流，因此在设计转子槽和导条时，主要考虑起动性能、牵入同步性能和转子齿、轭部磁密裕度较大。通常情况下，增大转子电阻，可以提高起动转矩，但牵入同步能力下降，因此在设计转子槽和端环时，要兼顾起动转矩和牵入转矩的需要。用于永磁体是从转子端部放入转子铁心的，从工艺方面考虑，通常永磁体槽和永磁体之间有一定的间隙，其大小取决于冲片的加工和叠压工艺水平，通常为0102MM。图31转子槽形3133永磁体设计在永磁同步电动机设计中，永磁体形状通常为矩形，主要尺寸为每极永磁体的总宽度、永磁体充磁方向长度和永磁体轴向长度，其中永磁体轴向长度跟电机转子铁心长度相同，因此只需确定每极永磁体的总宽度和永磁体的充磁方向长度。确定永磁体充磁方向长度的原则是在永磁材料用量尽可能少的前提下，保证永磁体在电机最大去磁工作状态下不会发生不可逆去磁，保证永哈尔滨理工大学学士学位论文18磁体在稳态运行下有合理的工作点。此外永磁体充磁方向长度还于直轴电抗有关，但在设计时考虑较少。32永磁同步电动机本体设计示例321额定数据及主要尺寸（1）额定功率N30WPK（2）相数3M（3）额定线电压N1380VU（4）额定频率HZ50F（5）极对数3P（6）额定效率N94（7）额定功率因数NCOS095（8）失步转矩倍数PON18T（9）起动转矩倍数STN30T（10）起动电流倍数STN97I（11）绕组形式双层、Y联接（12）额定相电压NN1/3UU380/321939V（13）额定相电流33NNNNN1030105104ACOS321939094095PIMU（14）额定转速N6060501000R/MIN3FNP（15）额定转矩33NNN9549109549301028647NM1000PTN（16）转子磁路结构串联式结构（17）气隙长度007CM（18）定子外径140CMD（19）定子内径I1285CMD（20）转子外径2I1228520072836CMDD（21）转子内径I210CMD（22）定/转子铁心长度12/21/21CMLL哈尔滨理工大学学士学位论文19（23）电枢计算长度EFA22120072114CMLL式中A12LLL为和中较小者。（24）定/转子槽数12/72/54QQ（25）定子每极每相槽数1/272/2334QQMP（）（）（26）极距I1128514915CM26DP（27）硅钢片重量2323FEFEBFE1107821093400510GLKD（）（）24987KG式中冲剪余量为05CM；BL等于1L和2L中较大值；铁的密度3FE78G/CM；铁心叠压系数FE093K。322永磁体及定转子冲片设计（28）永磁材料永磁体为烧结钕铁硼永磁。R2020C108TB时。剩磁为，矫顽力为C20898KA/MH30计算剩磁密度RBRR200121201160201123T100100ILBTB1RBRR012KBB式中的可逆温度系数；的不可逆损失率IL01K；预计永磁体的工作温度60CT。（29）计算矫顽力CBRR201T201100012160208981008549KA/MILHB（）（30）相对回复磁导率R20R3730C201181051041089810BH70410H/M式中真空磁导率。（31）磁化方向长度M042CMH（32）每极永磁体宽度M124CMB哈尔滨理工大学学士学位论文20（33）永磁体轴向长度M21CML（34）提供每极磁通的截面积2MMM2604CMABL（35）永磁体重量3MMMMM32L10612404221745104889KGGPBH式中3M745G/CM永磁体密度。（36）定子槽形如图32图32定子槽型尺寸010111121101CM038CM068CM045CM21CM350105CMHBBRHH（37）转子槽形如图33哈尔滨理工大学学士学位论文21图33转子槽尺寸0202R1R2R122RR1R2008CM015CM032CM03CM18CM30188CM005CM175CMHBBBHHHH（38）定子齿距I111285124CM72DTQ（39）定子斜槽齿距SK1124CMTT（40）定子计算齿宽哈尔滨理工大学学士学位论文22I10102T1111I1011T121122285201212045720535CM22852010105068720581CMDHHBRQDHHBBQ（）T11T12T1T11058105350535055CM33BBBB（41）定子轭计算高度1I1J101121223402852012104523325CMDDHHHR（）（）（42）定子齿磁路计算1T11204521225CM33RHH（43）定子轭磁路计算J11J140325962CM412LDHP（44）定子齿体积3T111FET1T172210932250551740123CMVQLKHB（45）定子轭体积J11FET1T11J1321093325403025732441CMVLKHBDH（46）转子齿距2222836165CM54DTQ（47）转子齿磁路计算长度T2R1218CMHH（48）转子轭计算高度哈尔滨理工大学学士学位论文2321J2RM283610188042688CM22DDHHH（49）转子轭磁路计算长度J2I2J210688442CM412LDHP323绕组计算（50）每槽导体数S32N（51）并联支路数16A（52）并联根数线径T111T212213000NDNDT1T21112MMNNDD、是并绕根数；、为导线裸线直径（）。（53）每相绕组串联匝数113272642236SNQNMA（54）槽满率计算槽面积2111S12222222450680452102221819CMRBRAHH02CMH式中槽楔厚度。槽绝缘面积II121112220035221045204506802518CMACHRRB槽绝缘厚度I0035CMC槽有效面积2EFSI1819025181567CMAAA槽满率哈尔滨理工大学学士学位论文2422ST111D1T212D2FEF23221300815677778NNDHNDHSA1112D1D2008008DDHMMHMM对应、导线的双边绝缘厚度、。（55）节距11Y槽（56）绕组节距因数P111SINSIN0991422K11113412YMQ式中。（57）绕组分布因数3D13311SINSIN426212209577,172124SINSIN1222QPKQQ（58）斜槽因数SSK1S14962SIN2SIN22099750262KSSK11240261149614915T式中弧度）。（59）绕组因数DPD1P1SK10997509577099140947KKKK哈尔滨理工大学学士学位论文25图34定子线圈示意图（60）绕组平均半匝长定子线圈如图34所示。AV1221215930642612CMELLDL15CMDD为绕组直线部分伸出长，取，双层线圈端部斜边长Y0/2COS1505/208089306CMEL11011T1220020682045SIN058962206820452055COS1SIN1058960808BRBRBI10111210Y2211285020105210451261504CMDHHHRP式中0为线圈节距有关的系数，对单层同心式线圈或单层交叉式线圈，0平均值，对其他形式线圈，0。（61）线圈端部轴向投影长D0SIN930605896549CMEFL（62）线圈端部平均长2215930621612CMEELDL哈尔滨理工大学学士学位论文26（63）定子导线重量225T111T212CUCU1SAV25105104213105897232426121042434KGNDNDGQNL（式中3CU89G/CM。324磁路计算（64）极弧系数MP280889/29QQP（65）计算极弧系数IP0889（66）气隙磁密波形系数255128890SIN42SIN4IFK（67）气隙磁通波形系数I22I880889SINSIN0899208892K（68）气隙系数式中10112101012202222020244075440751244400707503812444007075038038124444075440751654400707503816544007TBKTBBTBKTBB20750150151034（69）永磁体空载工作点假定值00791MB（70）空载漏磁通系数假定值0125（71）空载漏磁通哈尔滨理工大学学士学位论文27442M0RM00100791112326041018510WB125BBA（72）气隙磁密440I1EF100018510066T0889149152114BL（73）气隙磁位差直轴磁路222702206600151286007101011037A410BFK交轴磁路22Q7022066101286007109461A410BFK20015CM式中永磁体在磁化方向上与永磁体槽间的间隙。（74）定子齿磁密1EFT1T1FE106612421141661T05509321BTLBBKL（75）定子齿磁位差T1T1T122412251845AFHHT1T1410A/CMBH根据查表得到（76）定子轭部磁密440J11FEJ1100018510152T2221093325BLKH（77）定子轭部磁位差J11J1J1220381639621192AFCHLJ1J11163A/CM038BHC通过查表得定子轭校正系数。（78）转子齿磁密2EFT2T2FE20661652114099T11909321BTLBBKLT2B为转子齿宽，T21T22T2T221314113113119CM33BBBB202R1T21R122283620080050320314CM54DHHBBQ哈尔滨理工大学学士学位论文282R1202T22R222283621800803113CM54DHHBBQ（79）转子齿磁位差T2T2T22237418135AFHHT2T2374A/CMBH通过查表为。（80）转子轭磁密T69088693021210018502104J2FE240J2HKLB（81）转子轭磁位差J22J2J22206206442109AFCHLJ2J22206A/CM,060BHC通过可查表得可得到转子轭部校正系数（82）每对极总磁位差T1J1T2J2110371845119213510914318AFFFFFF计算漏磁系数时，每极总磁位差0QT1J1T2J2/212742/26371AFFFFFF）（83）空载漏磁系数通过转子槽的漏磁通202R1R2R00EF0202R1R2R172322210008200521752410637121141001501503203032216210WBHHHFLBBBBB（）通过隔磁磁桥的磁通X0BR2M2638621287A/CMMIN03FHBH，B1B101522415002303T1500BH（443X1B12EF21022303015211410146110WBBWL0B2M2637114646A/CM0420015FHHB2B201522415002236T1500BH444X2B22EF1022360152114107110WBBWL3XX1X2217110T哈尔滨理工大学学士学位论文29式中1W、2W分别为隔磁磁桥1和隔磁磁桥2的宽度，1W015CM，2W015CM。转子内部漏磁系数2330RX1218510216210217110123418510转子端部漏磁系数2M22220282,11011BL空载漏磁系数01211234101111245（84）齿磁路饱和系数2091194651351841946QT2T1QSTFFFFK（85）主磁导H102918143110851520F（86）主磁导标幺值1553426010405110420102912102725M0R2MAH（87）外磁路总磁导标幺值N012453155393（88）漏磁导标幺值01124513155077（89）永磁体空载工作点NM0N07971B（90）气隙磁密基波幅值4401FI1EF10001851012550828T0889149152114BKL（91）空载反电动势0DP0444444500947640018508992238VEFKNK325参数计算（92）定子直流电阻哈尔滨理工大学学士学位论文304AV122211121T1T222426126421710007431362222LNRDDANN式中铜线电阻率4221710MM/CM。（93）转子折算电阻2BR014070017601583RRR4BCBBBB104816343410210140755KKLRA导条电阻4C2RRR22R81635443410259600176223500KQDRPA端环电阻式中B104K；C8163K；转子导条长度B21CML；导条截面积2B55MMA；端环平均直径R2596CMD；端环截面积2R500MMA；导条和端环电阻42B43410MM/CM，42R43410MM/CM。（94）转子绕组重量对铸铝转子55AL2BBRR2721027545521250025910389KGGQALAD（95）漏抗系数227220EFDPX410450410211409476410020423FLKNCP（96）定子槽比漏磁导S1U1U1L1L10937504613095311131151KKU1L1KK为槽上、下部节距漏抗系数。U131/411/41/409375KL197/1633/47/1609531K011U1010112012010504613038038068HHBBBL1R1R222182221670337023110755682216721131SSKK）哈尔滨理工大学学士学位论文31112S1068075562204519952216722045BRHRR123423411A1111LN34431211111075561111LN07556344310755621075561075561075560337KAAA