永磁电机概述ppt课件

1、永磁电机概述永磁电机概述INITIAL ELECTROMAGNETIC DESIGN CHOICESA. Radial or Axial Flux?B. Ratings, Motor Classes, and TRV torque-per-unit-rotor Volume C. AC or DC Control?D. Choice of RotorsE. Pole-Number SelectionF. Noise, Vibration, Cogging Torque, and Torque RippleG. Winding ArrangementH. Magnet Selection and

2、 PC permeance coefficientI. Steel Selection and Iron LossJ. Insulation Systems, Slot Fill, and Mechanical Aspects of Rotor StructureAC or DC Control? 无刷永磁电机分为两种类型：无刷永磁电机分为两种类型：AC、DC 两种类型永磁电机的设计有着不同的要求，与其反两种类型永磁电机的设计有着不同的要求，与其反电动势波形及转子位置检测有关电动势波形及转子位置检测有关 AC：相电流是正弦的，逆变器每个桥臂是：相电流是正弦的，逆变器每个桥臂是180导导通，运用

3、位置编码器，脉宽调制通，运用位置编码器，脉宽调制 DC：电流波形是梯形的，：电流波形是梯形的，120导通，用三个霍尔导通，用三个霍尔探测器检测开关位置。探测器检测开关位置。 因此因此 交流交流AC电机需求由永磁转子产生正弦的反电动电机需求由永磁转子产生正弦的反电动势势直流电机直流电机DC需求梯形的反电动势波形需求梯形的反电动势波形EIieieiePTCCBBAAee5 . 1E、I一相反电动一相反电动势和电流的幅值势和电流的幅值在一相绕组正导游通在一相绕组正导游通120范围内，范围内，输入线电流输入线电流I为恒值其一相反电动为恒值其一相反电动势为恒值转子角速度为势为恒值转子角速度为 时一相绕时

4、一相绕组产生的电磁转矩组产生的电磁转矩Tep，总电磁转，总电磁转矩矩T为为EITepEIT360)1202(3DC运转特性运转特性1对应梯形反电势的全距和集中绕组2高的功率密度3霍尔效应管用于检测正确的电流开关位置低损耗4适于电力驱动AC运转特性运转特性1) 对应正弦反电动势和平滑运转的分布的分对应正弦反电动势和平滑运转的分布的分 数槽绕组数槽绕组2) 更好的控制及延伸的弱磁更好的控制及延伸的弱磁3) 轴上的旋转编码器用以控制电流高本钱轴上的旋转编码器用以控制电流高本钱4) 适于伺服驱动及驱动需求高质量的弱磁才适于伺服驱动及驱动需求高质量的弱磁才干干Choice of Rotors转子的两种最

5、根本的拓扑转子的两种最根本的拓扑有一点突出的外表磁铁，常用于有一点突出的外表磁铁，常用于DC电动机中电动机中嵌入式磁铁，有显著的凸极，主要用于嵌入式磁铁，有显著的凸极，主要用于AC电机电机图图2 外表和内置的永磁四极电机外表和内置的永磁四极电机红、蓝色是相反极化的磁铁，灰色是叠片式铁心红、蓝色是相反极化的磁铁，灰色是叠片式铁心a非凸极的外表磁铁转子非凸极的外表磁铁转子 b凸极内置式磁铁凸极内置式磁铁转子转子IPM对外表磁铁非凸极转子，对外表磁铁非凸极转子，Xd=Xq，如图，如图2a对凸极转子，对凸极转子，Xq Xd，其优点是峰值转矩从，其优点是峰值转矩从q轴移轴移一个距一个距d轴约轴约1001

6、20电角的角度，这意味着当电流电角的角度，这意味着当电流在在q轴上时，假设出现一个瞬时过载，将会有一个额外轴上时，假设出现一个瞬时过载，将会有一个额外的转矩将电机拉回正确的触发角，防止磁极滑动。的转矩将电机拉回正确的触发角，防止磁极滑动。凸极同时还提供了一个额外的磁阻转矩。凸极同时还提供了一个额外的磁阻转矩。图3a串联充串联充磁磁并联充并联充磁磁对应非凸极电机，那么对应非凸极电机，那么Xd=Xq，图，图3b为对应非凸为对应非凸极电机的等效电路。极电机的等效电路。两种类型转子的稳态向量图见图两种类型转子的稳态向量图见图3asqqddpmeqdRiiXijXjjvvv电动机惯例图图3c对应凸极电机

7、，稳态等效电路分为对应凸极电机，稳态等效电路分为d、q两个两个电路。电路。在低饱和的情况下，在低饱和的情况下，Xd和和Xq是相互独立的，分别对是相互独立的，分别对应应d轴和轴和q轴的磁阻轴的磁阻在高度饱和的情况下，在高度饱和的情况下，d轴和轴和q轴分量是交叉耦合的。轴分量是交叉耦合的。所以所以 Xd = f(Id,Iq) ， Xq = f(Id,Iq).这发生在电流向量超前于这发生在电流向量超前于q轴时，由图轴时，由图3 可见，将有一可见，将有一个分量位于个分量位于d轴上，它具有三个作用：轴上，它具有三个作用：有一个负的有一个负的XdId向量在向量在q轴上。它减少了电动机磁通，轴上。它减少了电

8、动机磁通，减少了高速时的铁耗减少了高速时的铁耗它减少了要求逆变器输出的电压它减少了要求逆变器输出的电压它引进了一个磁阻转矩它引进了一个磁阻转矩假设转速超越根本同步速，那么需求弱磁，这就需求假设转速超越根本同步速，那么需求弱磁，这就需求内置式永磁转子内置式永磁转子IPM。简单的外表式永磁转子的。简单的外表式永磁转子的弱磁才干遭到限制。弱磁才干遭到限制。普通的，三相绕组产生的电流向量应该被放在转子普通的，三相绕组产生的电流向量应该被放在转子q轴轴上，除非要用到弱磁。这是用在高于根本转速时，当上，除非要用到弱磁。这是用在高于根本转速时，当逆变器电压曾经到达最大值，而要求的电流最大值不逆变器电压曾经到

9、达最大值，而要求的电流最大值不能到达时。能到达时。逆变器开关时间是超前的，可以到达约逆变器开关时间是超前的，可以到达约1520电角电角图图1是一台小型是一台小型4极极DC控制电机转控制电机转矩转速曲线。可矩转速曲线。可以看出转矩范围以看出转矩范围由由1500r/min扩扩展到约展到约25003000r/min磁极外表的槽用于控制磁极外表的槽用于控制Xq的大小，它还可以控的大小，它还可以控制交叉饱和，使电机运转更易于控制，更稳定。制交叉饱和，使电机运转更易于控制，更稳定。Pole-Number SelectionDC电机趋向于选择低极数，电机趋向于选择低极数，2,4,6等等ac电机趋电机趋向于选

10、择高极数向于选择高极数8,12,16等高的极数使分数槽等高的极数使分数槽绕组成为能够，极对数还是电机转速的函数。绕组成为能够，极对数还是电机转速的函数。以下几点是要留意的：以下几点是要留意的：1电机磁通在高频率下是不能改动的，否那么将呵斥电机磁通在高频率下是不能改动的，否那么将呵斥铁耗过高。在更高转速下可以用弱磁方法以限制铁耗铁耗过高。在更高转速下可以用弱磁方法以限制铁耗2磁通频率磁通频率=转子旋转频率转子旋转频率极对数极对数3对普通的叠片铁心，不能超出对普通的叠片铁心，不能超出150200Hz。4两极永磁电机的制造较为困难，绕组端部长，导致两极永磁电机的制造较为困难，绕组端部长，导致损耗的添

11、加，同时定子铁心轭部宽，导致电机直径添加。损耗的添加，同时定子铁心轭部宽，导致电机直径添加。Winding ArrangementAC绕组的设计是为了获得正弦的开路反电势波形，绕组的设计是为了获得正弦的开路反电势波形，DC绕组是要获得梯形波绕组是要获得梯形波分数槽带绕组常用于分数槽带绕组常用于AC电机中，斜一个定子槽电机中，斜一个定子槽AC Windings:分数槽带绕组常用于分数槽带绕组常用于AC电机中，斜一个定子槽电机中，斜一个定子槽斜槽、分数槽：减少齿谐波转矩斜槽、分数槽：减少齿谐波转矩分数槽的益处：分数槽的益处： 平均每对极下的槽数大为减少以较少数目的大槽替代数目较多平均每对极下的槽数

12、大为减少以较少数目的大槽替代数目较多的小槽可减少槽绝缘占据的空间，有利于槽满率的提高的小槽可减少槽绝缘占据的空间，有利于槽满率的提高 添加绕组的短长距和分布效应，改善反电动势波形的正弦添加绕组的短长距和分布效应，改善反电动势波形的正弦性性 分数槽绕组电机有能够设计为线圈节距分数槽绕组电机有能够设计为线圈节距y=1集中绕组可以集中绕组可以缩短线圈周长和绕缩短线圈周长和绕a组端部伸出长度，减少用铜量，各个线圈组端部伸出长度，减少用铜量，各个线圈端部没有重叠，不用设相间绝缘。端部没有重叠，不用设相间绝缘。 分数槽集中绕组有利于用绕线机进展机械绕线提高工效分数槽集中绕组有利于用绕线机进展机械绕线提高工

13、效 槽满率的提高，使线圈周长缩短，铜耗随之减低进而提高效率槽满率的提高，使线圈周长缩短，铜耗随之减低进而提高效率和减低温升和减低温升 减低齿槽转矩和转矩动摇减低齿槽转矩和转矩动摇如图是一个如图是一个18槽槽8极内置式永磁电机，其一相的极内置式永磁电机，其一相的绕组见图绕组见图a，转子安排见图，转子安排见图b，这是一个分数，这是一个分数槽电机，使反电势波形非常接近正弦。使转矩平槽电机，使反电势波形非常接近正弦。使转矩平滑滑a三相正弦绕组中一相的分布三相正弦绕组中一相的分布b IPM电机的一半横截面75. 0433*8182mpZq80183604c三相受控的正弦电流在转子三相受控的正弦电流在转子

14、q轴上轴上d三相反电势三相反电势e电磁转矩电磁转矩DC Winding:DC绕组的构造是要获得一个梯形反电势波形，与绕组的构造是要获得一个梯形反电势波形，与梯形的电流波形梯形的电流波形120导通相互作用产生一个导通相互作用产生一个平滑的转矩。平滑的转矩。这需求一个整距集中绕组。这需求一个整距集中绕组。图图6 显示一个显示一个12槽槽4极对称三相绕组中的一相的分极对称三相绕组中的一相的分布布a2/3短距短距b集中整距集中整距极距极距=12/4=3 梯形梯形120导导通三相电通三相电流流短距绕组短距绕组中的三相中的三相反电势反电势短距绕组的短距绕组的电磁转矩电磁转矩整距绕组中整距绕组中的反电势的反

15、电势整距绕组的整距绕组的电磁转矩电磁转矩A相120导通B相120导通A相120导通对于永磁资料磁滞回线的第二象限部分可用于描画其特性，称为退磁曲线。对于永磁资料磁滞回线的第二象限部分可用于描画其特性，称为退磁曲线。Br-H=0时的剩余磁感应强度时的剩余磁感应强度, Hc-B=0时的磁感应矫顽力时的磁感应矫顽力Hcj-Bi=0时的时的Hcj内秉矫顽力内秉矫顽力内禀退磁曲线 Magnet Selection and PC磁铁的类型对电机的性能和本钱影响很大磁铁的类型对电机的性能和本钱影响很大内秉矫顽力内秉矫顽力Hcj和和Hc的区别：的区别：Hc是处于技术饱和磁化后的磁体被反向充磁时，使磁感应强度是

16、处于技术饱和磁化后的磁体被反向充磁时，使磁感应强度B降为降为0所需的反向磁场强度的值，但此时磁体的磁化强度并不为所需的反向磁场强度的值，但此时磁体的磁化强度并不为0，只是所，只是所加的反向磁场强度与磁体的磁化强度相互抵消，此时假设撤销外磁场，加的反向磁场强度与磁体的磁化强度相互抵消，此时假设撤销外磁场，磁体仍具有一定的磁性。磁体仍具有一定的磁性。Hcj：假设外加反向磁场：假设外加反向磁场Hcj，磁铁的磁性将会根本消除。，磁铁的磁性将会根本消除。Hcj是衡是衡量磁体抗退磁才干的一个非常重要的一个物理量，是表征永磁资料抵量磁体抗退磁才干的一个非常重要的一个物理量，是表征永磁资料抵抗外部反向磁场以坚

17、持其原始磁化形状的一个主要目的。抗外部反向磁场以坚持其原始磁化形状的一个主要目的。在图在图2-3的坐标下，永磁资料中的磁场满足：的坐标下，永磁资料中的磁场满足：B=0H+0M0-真空磁导率，真空磁导率，M-单位体积内磁矩的矢量和，称为磁单位体积内磁矩的矢量和，称为磁化强度。其中化强度。其中0M称为内禀磁化强度，用称为内禀磁化强度，用Bi表示，表示，Bi=0M=B+0H ,Bi=f(H)称为内禀退磁曲线。称为内禀退磁曲线。典型的不同磁铁在典型的不同磁铁在25C时的剩磁时的剩磁Br和回复磁导率和回复磁导率REC见表见表Alnico- 铝镍钴合金，Ferrite-铁氧体，Sintered samar

18、ium cobalt-烧结的钐钴，Sintered Neodymium iron boron-烧结的钕铁硼，当永磁体处于外加磁场时，任务点为A，当去掉外加磁场时，任务点不是沿着退磁曲线变化，而是到了一个新位置A假设循环的改动外磁场，得到一个部分磁滞回线，由于其非常狭窄，故可用一条直线替代，称为回复线其斜率称为回复磁导率。回复磁导率回复磁导率REC HBRECtan磁能积磁能积-Bd*Hd，Bd*Hd越大，磁体蕴越大，磁体蕴含的磁能量越大。含的磁能量越大。磁铁不能任务在非线性区域，如图磁铁不能任务在非线性区域，如图9，要有足够的，要有足够的设计裕度使磁铁在过载条件下也不会失磁。运转设计裕度使磁铁

19、在过载条件下也不会失磁。运转点可以经过计算磁导系数点可以经过计算磁导系数PC和电负载效应来和电负载效应来获得，对铁氧体永磁电机获得，对铁氧体永磁电机PC至少要至少要8，对稀土永磁，对稀土永磁，可以低些。可以低些。三条斜线对三条斜线对应三条空载应三条空载磁路磁阻磁路磁阻 磁导系数磁导系数PC-又称退磁系数。在退磁曲线上磁感应又称退磁系数。在退磁曲线上磁感应强度强度Bd与磁场强度与磁场强度Hd的比值，即的比值，即PC=Bd/Hd，PC越大，磁体任务点越高，越不容易被退磁。越大，磁体任务点越高，越不容易被退磁。PC可以经过减少气隙、是磁通途径缩短及宽可以经过减少气隙、是磁通途径缩短及宽的齿和轭来改善，低磁密也可以改善的齿和轭来改善，低磁密也可以改善PC磁铁资料的温度特性也要思索进去磁铁资料的温度特性也要思索进去永久永久失磁失磁铁氧体永磁体设计小结铁氧体永磁体设计小结 铁氧体磁铁需求良好的磁路和低的磁阻，铁氧体磁铁需求良好的磁路和低的磁阻，否那么，负载线将不能足够陡，导致运否那么，负载线将不能足够陡，导致运转点落在非线性区域转点落在非线性区域 当当x轴线由轴线由0定标负载线的斜率等于负定标负载线的斜率等于负的的PC， PC=磁铁厚度磁铁厚度气隙面积气隙面积)/(气隙长度气隙长