电动车辆用永磁同步电机设计

1、电动车辆发展背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

2、电为动力的汽车，电动机是其主要动力来源。电动汽车分类 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 047kw/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 C

3、ellPowered 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，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

4、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801 20kW ，整车质量为 1575kg ， 0 1 00km/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 FCHV4

5、 ，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，戴姆勒一克莱斯勒、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

6、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。士罔于H2气压调节阀值熾料电池车图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

7、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一一并联和混联（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 Advenee混合动力车装备77kW直喷

8、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1. 3常见电机简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。址胡机业池銅|屮U：.：:交谎 发屯机图1-3感应电动机磁感线分布示意图图1-4感应电动机绕

9、组模型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

10、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。电位髯图1-5电动机转速控制原理框图图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

11、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。第2章永磁同步电动机概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

12、比较多并在各个领域中得到原来越广泛应用的一种电机。21 永磁同步电机分类 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

13、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 永磁同步电动机的总体结构 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， 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。23 永磁同步电动机的工作原理 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， 按所需的极数装 镶有永磁体的磁极

14、。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。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1 2 f/p,其中p为电动机对数。这个旋转

15、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B功率角， 负载愈大，B也愈大，直到一个极限角度Bm，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B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。24 永磁同步电动机的特点永磁同步电动机应用广泛

16、，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2030 %)，因而发热低，可以取消风扇或减小风扇， 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，

17、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，起动转矩倍数可达倍以上，效率可达94%，功率因数可达，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，

18、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 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

19、， 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，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 年德国教授首先提出横向磁场永磁电机(Tran sverseFluxPMMachi

20、 ne 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

21、范围和小于12%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20W15KW。我国交流伺服电动机和驱动器，尚处在发展初期。此外机械加工设备的更新，需要各种永磁同步电动机。第 3 章 车用永磁同步电机设计过程3 1 电机基本设计参数 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： PN 45 kW ； ?额定转速额定线电压： nN 4500r /min ； ?： 380V；额定效率 绝缘等级：0.85 ； ?： F；15起动转矩倍数 ： ；定子外径 定子内径 气隙长度 转子内径 铁心长度 定转子槽数 铁心材料 ? ? ? ?

22、 ?： 36/32 ；：DW315-50；转子结构型式内置径向W型。32 电机结构本电机适用于吨以下车辆，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：A3333图3-1本电机设计尺寸3. 3永磁同步电动机的稳态性能分析3. 3. 1稳态运行和相量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

23、电压方程8:ggggggUEoI1R1jllXij Id Xadj IqXaqggggEohRjldXdjlqXq(3-1 )式中gEo永磁气隙基波磁场所产生的每相空载反电动势有效值（V)；gU外施相电压有效值（V）；g1l定子相电流有效值（A）;Ri定子绕组相电阻（）；Xad、Xaq 直、交轴电枢反应电抗（）；XqXaq Xi(3-3)gIq 直、交轴电枢电流(A)idIqI1 si nI1 cosggIl与E0的夹角ggIi超前Eo时为正。Xd 直轴同步电抗,Xd Xad Xi(3-2)Xq 交轴同步电抗,(3-4)0)，称为内功率因数角，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

24、时的典型相量 图，如下图所示。其中E为气隙和成基波磁场所产生的电动势；Ed为气隙和成基波磁场直轴分gg量所产生的电动势，称为直轴内电动势；为U超前Eo的角度，即功率角，也g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U超前定子g相电流11的角度，即功率因数角9。图3-2永磁电机的几种典型向量图gg图d中所示是直轴增，去磁临界状态（即 11与E。相同）下的相量图，由此可 列出如下电压方程：gU cosE0 hRU sinI1Xq（3-5）从而可以求得直轴增、去磁临界状态时的空载反电动势Eo.U2IiXq 2I1R1（3-6）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

25、状态。实际E。值由永磁体所产生的空载气隙磁通算出比较E。与E。，若前者大于后者，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. 2稳态运行性能分析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、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：arcta n Iq（3-7）(3-8)U sin IqXq Id R(3-9)U cosE0 IdXd IqR(3-10)从式(

26、3-9)( 3-10 )中整理得定子电流的直、交轴分量:I RUNSinXq E0 U N cosI d2XdXq R2m2XdXq R1忽略定子电阻,EUN XqSinR cos2 2RU N 0.5UN XdXq sin 2(3-14)PemRmsinXd由式（mU223-14）可得电动机的电磁功率（W)1 丄 sin 2 XqXd(3-15)除以电动机的机械角速度即可得电动机的电磁转矩（TemRemsinXdmpU 22丄丄sin 2Xd Xq3-16）式中一电动机的电角速度;p电动机的极对数。(3-11 )IXdUzSin R E。UNCOSqXdXqR2（3-12）定子相电流I1（3

27、-13）而电动机的输入功率（W ）可表示为P mU11 cosmU11 cosU I d sinI q cosTN图3-3 （a）为计算所得的“（电磁转矩/额定转矩）一转矩角”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Xd 般小于交轴同步电抗Xq，磁阻转矩为一负正弦函数，因而矩角特性曲线上最大之所对应的转矩角大于900，这是永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

28、“（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Tmax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。最大转矩与电动机额定转矩的比值Tp0 Tmax/TN称为永磁同步电动机的失步转矩倍数12。3. 3. 2 . 2工作特性曲线计算出电动机的 E0、Xd、Xq和R1等参数后，给定一系列不同的转矩角 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巳和效率 ，从而得到电动机稳态运行性能 与输出功率卩2之间的关系曲线（a）（ b）图3-3是永磁同步电动机的矩角特性曲线。（每槽导体数Ns=5 ）(

29、3-17)输入功率瀚定功 率定子相电疲/额定 相电流功率因数效率由图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损耗分析计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：2Pcumli Ri3. 3. 3. 2铁心损耗永磁同步电动机的铁耗pFe不仅与电动机所米用的硅钢片材料有关，而且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

30、作点改变，定子齿、轭部磁密也随之变化，从而 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工作特性曲线图（醃同图3-4本设计中平底槽电机的工作特性曲线(V)I I V Vq aq（3-18）气隙合成磁通（Wb）E4.44 fKdpNK（3-19）其中f 电源频率（Hz）;P 绕组因数；N定子绕组每相

31、串联匝数；K 气隙磁场的波形系数。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卩“与其它电机一样，可根据实测值或参考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Ps目前没有还没有一个准确实用的计算公式，一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 ，1时电动机的杂散损耗（ W）可用下式近似计算：211*3PspsN PN 10I N其中 IN 电动机额定相电流（ A）;PsN 电动机输出额定功率时的杂散损耗（W ）3. 4磁路分

32、析与计算3. 4. 1磁路计算特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。E1 d X ad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。图3-6永磁同步电动机空载气隙磁密近似波形(3-20)式中Q2 永磁

33、同步电动机的转子槽数;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p和计算极弧系数i的计算公式也不同。对米用图3-6转子磁路结构的永磁同步电动机，经电磁场计算个气隙磁密波形分析，存在如下关系：Q2 12pQ22p1 电动机定子极距(cm)；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)4 B 1 B sin 1(3-22)2因此，永磁同步电动机的空载气隙磁密波形系数Kf(3-21)图3-7内置混合式转子磁路结构(3-24)（3-23）永磁同步电动机空载时永磁体提供的气隙

34、磁通（Wb）bmoBA00式中Am 永磁体提供每级磁通的面积（cm2）; 空载时永磁体提供的气隙基波磁通（Wb）210B i iLef 10 4（ 3-25）式中Lef 电枢计算长度（cm）因此，电机基波磁通10与气隙总磁通0之比，即永磁同步电动机气隙磁通的波形系数K 亠 孚 s in 1（ 3-26）0i2由式（3-26）可知，i的大小影响气隙基波磁通与气隙总磁通的比值，即影响 永磁材料的利用率。3. 4. 2永磁体工作点的计算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 计米取径向式结构。永磁体磁动势源的计算磁动势2Fc 2

35、HchM 10（3-27）永磁体虚拟内禀磁通4r BrAm 10（ 3-28 ）式中Br , Hc 在工作温度下永磁材料的计算剩磁密度和计算矫顽力。F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 F Ft1 Fj1 Ft2 Fj2（ 3-29） 式中F、Ft1、Fj1、Ft2、Fj2 分别为电动机每对极的气隙、定子齿、定子轭、转子齿、转子轭等部位的磁位差（A）。永磁同步电动机直轴电枢磁动势Fad （ A/极）匚1.35KdpNKad ,Fad1 dp3-30）则其作用于永磁体的去磁磁动势标么值2Fad2.7KdpNKadIdoPFc（3-31）式中Kad 电机直轴电枢磁动势折

36、算系数。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. 5永磁同步电动机参数计算和分析3. 5. 1空载反电动势空载反电动势 Eo时永磁同步电动机一个非常重要的参数。Eo （V）由电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Eo 4.44fKdpNoK4.44fKdpK bm0BrAm 1040(3-32)Eo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，而且对电动机的动、稳态性能有很大的影响。合理设计Eo可降低定子电流，提高电动机效率，降低电动机的温升。3. 5. 2交、直轴电枢反应电抗对于一台内置式永磁同步电动

37、机的电磁场进行数值计算不难发现:当电动机直轴电流Id从IN增大到IN时，其直轴电枢反应电抗Xad从 增至 ；而交轴电流从I N增大到I N时，交轴电枢反应电抗电动机的交、直轴电抗时，可不考虑Xaq从降至。可见，在计算永磁同步Xad的非线性，但必须考虑交轴磁路的饱和对Xaq的影响。考虑交轴磁路饱和时 分中具体阐述。Xaq需迭代求解，其步骤在迭代计算部3. 5. 3交、直轴电枢磁动势折算系数交、直轴电枢磁动势折算系数Kaq和Kad反映了电动机磁路结构对电动机电枢反应电抗 Xaq和Xad的影响。转子磁路结构不同，电动机的交、直轴电枢磁动势折算系数也各有差别。由定义有：Kad KdjKf，Kaq Kq

38、jKf。 Kf可由式（3-23）得到，Kd、Kq为电动机交、直轴电枢反应磁密的波形系数。对本设计，可取 Kd = Kq=1，因而其直、交轴电枢磁动势折算系数为1Kaq Kad -（ 3-33）Kf 4si n 丄2或者由经验给出。本设计中取Kd =1， Kq=。异步起动永磁同步电动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主要是效率高、功率因数高、起动品质因数（Tlst ）高和单位功率的永磁体用量省等。3. 6. 1主要尺寸和气隙长度的选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，包括定子冲片内径Di1和电枢计算长度 Lef。一般来说，异步

39、起动永磁同步电动机的设计 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Lef。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

40、选定电动机的 Di2Lef，然后凭经验选取一定的主要尺寸比Lef/ 1，得出电动机的主要尺寸。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4）为调整电动机的性能，常常要调整bM，因为bM直接决定了永磁体能够提供磁通的面积。当要求电动机磁负荷较高时, 能安装bi更大的转子磁路结构。应选择能安装更多永磁体，也就是永磁体尺寸除影响电动机的运行性能外, 系数还影响着电动机中永磁体的空载漏磁0，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,越小。为经过一些列推导， 可得内置径向

41、式转子磁路结构永磁体尺寸的预估公式biKsK bmo1So o2oB 1 丄ef(3-34)式中bmO Br K LMKs 电动机的饱和系数，其值可取;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. 6. 2永磁体设计永磁体的尺寸主要包括永磁体的轴向长度LM、磁化方向长度hM和宽度bM。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长度，因此实际上只有两个永磁体尺寸（即hM和bM ）需设计。设计时，应考虑下列因素：1） hM的确定应是电动机的直轴电抗Xad。因为hM是决定Xad的一个重要因

42、素，而Xad又影响电动机的许多性能。2） hM不能过薄。这主要是从两方面考虑：一是hM将导致永磁体生产的废品率 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hM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更大程度上取决于永磁体的磁化方向长度K 与转子结构有关的系数，其取值范围为。3电枢绕组设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

43、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。3 7 异步启动同步电动机设计中的迭代计算3 7 1 迭代计算一般方法 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

44、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

45、 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 7 2 异步起动永磁同步电机设计中的涉及的三个迭代过程3721 空载永磁体工作点的确定永磁体空载工作点的标么值为bm0 ，在设计电动机过程中占有重要地位，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。Bx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fa=0,有m0m0式中m0 空载时用瓷体向外磁路提供的总磁通m的标么值;fm0

46、空载时永磁体向外磁路提供的磁动势Fm的标么值。外磁路的有关各参数可表示为(3-35)m0m0（3-36）式中一主磁导标么值;漏磁导标么值;合成磁导标么值;0 空载漏磁系数。解得ft 血口4匸作m01hm0n(3-37)从而得出空载永磁体工作点(bm0 , hm0 )。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，n不是常数。尤其是磁路饱和程度比较高时，空载、额定工况和最大去磁时的n随饱和程度不同而变化较大，而且m0与n相互制约，此时就需要运用迭代方法求解。图3-9计算bm0框图图3-8以框图的形式给出了bmo的迭代计算过程，具体的计算过程如下:1) 假设bmo2) 计算

47、此时空载主磁通bmoBA 10（3-38）3）气隙磁密0 104i 1 l-ef（3-39）4）气隙磁位差 直轴磁路22 K 10 2（3-40）交轴磁路Fq2BK 10 20（3-41）式中2永磁体延磁化方向与永磁体槽间的间隙。5）每对极总磁位差F t1Fj1Ft2Fj2（3-42）其中各项计算见计算书。6）主磁导0F（3-43）7）主磁导标么值2 hM 102r 0Am（3-44）8）外磁路总磁导标么值（3-45）式中0 空载漏磁系数。9）漏磁导标么值(0 1)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(10); /*输入工作点估计值

48、bmo */sea nf(%f,&b_m0); while(true)/*赋值给变量 b m0 */* 计算 bmo */if(bm0=b_m0)Mi_b_m=bm0-b_m0;else Mi_b_m=b_m0-bm0;b_m0_=b_m0/100;if(Mi_b_mb_m0_)b_m0=bm0;con ti nue;elseprintf(经迭代,bm0=%fn,bm0);fprintf(fp,经迭代,bm0=%fn,bm0);goto c;其中“ ”部分表示上述步骤2)到步骤/*比较二者误差*/*当误差大于1%时*/*将求得bm0回代到计算过程*/10）的计算过程。（3-46）10）永磁体工

49、作点bm0(3-47)11 ）比较并确定误差，当计算值bmo与假设值bmo之间误差超过1%,则应回到步骤1）重新设定bm0，重复上述计算步骤。3. 7 2 2交轴电枢反应电抗 Xaq的计算对Xaq的计算，同bm0的计算相似，由于在交轴磁路饱和时的而由式（3-12）Xaq是非线性的,XQUN sin R E UN cosXdXq R1（3-48）aq - Faq曲线查取及式Xq Xaq X“可知Iq与Xaq使相互制约的，从而得到如下迭代计算方法：1 ）给定某一转矩角；2） 假设交轴电流分量I q，则交轴电枢磁动势厂1.35KdpNKaq |Faq1 qp（3-49）式中Kaq 交轴电枢磁动势折算

50、系数。3） 由Faq求交轴气隙基波磁通aq根据Faq由预先算得的交轴相应的 aq ；4） 由aq求出交轴电枢反应电动势Eaq4.44 fKdpN aq（3-50）5） 计算XqXq Xaq Xi（3-51）式中X1 定子漏抗。6）代入（3-12）|XdUzSin R E。UNCOSqXdXq R2 求出交轴电流分量I q ；7）比较Iq和Iq，重复进行步骤2）到步骤6） 本设计中所得 aq - Faq曲线如图图3-10 aq-Faq曲线图在程序中所用到的语句如下：printf(请输入交轴电流预估值l_q:(如);seanf(%f,&l_q);/* 输入 I q 的预估值 lq */for(i=

51、0;iIqi)if(I_qIqi+1)Xaq_=Xaqi+(Xaqi+1-Xaqi)*(l_q-Iqi)/(Iqi+1-Iqi);break;else con ti nu e;else con ti nu e;/*根据输入的I q在aq-Faq曲线中查找Xaq*/for(i=0;iI_q=Iq；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1st的求解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

52、中不再赘述，具体计算和迭代过程可见计算书。3. 8起动电流过大的原因分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iSt 0IN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

53、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。第4章不同设计方法的比较梨形槽与平底槽设计区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。转子槽形选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

54、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。不同转子槽形下工作特性的比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“功率因数一输出功率”比较图：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

55、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=）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）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。综上可以得出：在本设计中，采用任意一种转子槽形对电机性能影响不大，但 考虑到采用平底槽所得到的性能更好。有关每槽导体数 N s的比较Ns=4、5、6、7每槽导体数Ns是电机设计的一个重要参数，它直接与每相绕组串联匝数、槽满率、电机工作特性以及起动特性相关。本设计中，分别取值加以比较。每槽导体数 N s对工作特性的影响一方

56、面，讨论 Ns与功率因数cos的关系从图中可以看到，较少的每槽导体数可以使功率因数在不同工况下更加稳定，保证电动机的损耗在整个输出功率范围内控制在一个比较小的范围内，从而提高电动机的性能、延长电动机的寿命。另一方面，讨论不同的 Ns对效率 的影响，如下图：0 0 口 切 別 |勿 评/詁刃西 |帥 w w moomoo图4-4不同Ns下的“输岀功率P2-功率因数 COs ”图扣JI.o i I iioIi.i-J 143 isd 詔 i7i fed htf Lot1st1st(4-1)图4-5不同每槽导体数下的电机工作效率从图中我们不难看出：随着Ns的增大，电机更快地进入效率较高的工作状态，而

57、且四条曲线的最高效率没有本质上的差别。但通过对图4-6地观察,可以看到，Ns越大，电机的最大输出功率F2在不断降低。图4-6输岀功率与 Ns的关系图我们可以认为，随着每槽导体数的减少，电机的性能越来越好，但需要注意的 是，随着Ns的减小，电动机的起动电流也在不断增大，起动电流可以用起动 电流倍数：表示。如图4-7所示:菇矩角日（rad图 4-7 起动电流与 Ns 的关系图产生这种现象的原因在于：结合章节所述，随着每槽导体数减少，转子导体内 产生的感应电动势急剧增大， 从而产生更大的电流。 这一电流产生抵消定子磁 场的磁通， 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 导致起动

58、电流过大。所以，每槽导体数并非越小越好。综上，每槽导体数 Ns 制约着电动机特性，对电动机性能的影响很大。一味的 提高或降低每槽导体数并不能提高电动机的工作特性， 应该综合考虑。 本设计 中选用 N s =5 的设计方案。第 5 章 电动机设计流程的程序化概述现代的通用程序设计中， 一方面由于处理器速度和存储器容量得到极大的提高， 另一方面由于软件越 来越复杂，因此，程序设计追求的首要目标是清晰度、可读性和可理解性。C 语言具有简洁、紧凑，使用方便、灵活的特点。我的工作主要是根据电动机设计计算流程编译了操作的电动机设计程序， 并根 据输出的计算结果对设计进行优化。程序设计的优化对程序进行优化，

59、 通常是指优化程序代码或程序执行速度。 优化代码和优化速度实际上是一个矛盾的 统一，一般是优化了代码的大小，就会带来执行时间的增加，如果优化了程序的执行速度，通常会带 来代码增加的副作用，很难鱼与熊掌兼得，只能在设计时掌握一个平衡点。这里主要讨论 C程序的优化。C程序优化的一些要点为： 如果是嵌套循环，则应将最忙的循环放在最里层； 如果有条件判断，则尽可能将循环嵌入条件中，而不是将条件嵌在循环之中； 把执行速度最快，或者逻辑最可能为真的判断放在最前面执行。程序设计中的难点设计过程中的三个迭代过程 这部分内容在中已有述及， 这里需要说明的是， 在进入迭代过程前的各量取值 可能会使迭代过程所要实现

60、的收敛曲线变得不收敛。 其中较典型的例子是， 当 每槽导体数过多（如 12）或过少（如 3）时，对 Iq 的计算会变得不收敛，工 作特性的输出值溢出。编程中的查表问题和差值问题 本设计中的查表问题较多， 所谓表格其实是对某条曲线的量化表示。 在查表中 的自变量对应曲线上横轴的某一点。 由于并没有给出曲线事实上的形状， 所以 需要认为曲线上的每一小段都为线性曲线， 并使用差值法找到实际自变量对应 的因变量值。以查转子铁心的磁化曲线为例，在编程中的实现方法如下：func7（float B） 子函数定义float Ht1150=,100,105, 110,116,122,128,134,141,14