稀土永磁电机的研究与物理场分析市公开课一等奖省赛课获奖课件

稀土永磁电机

研究与多物理场分析唐任远国家稀土永磁电机工程技术研究中心第1页靠电流产生稀土永磁产生效率低功率因数低可靠性低高效、高功率因数结构简单、运行可靠体积小、重量轻形状和尺寸灵活多样电机磁场反应快，动态性能好第2页稀土永磁电机与电力电子技术、当代控制技术等先进技术相结合

能够部分替换传统电励磁电机

能够实现电励磁电机所难以到达高性能

第3页稀土永磁电机发展方向大功率化

高功效化

微型化

小型

大型功率体积重量几mW直径0.8mm、长1.2mm几十MW直径12m一百多吨转速几小时1转每分钟几十万转第4页应用场所遍布计算机、工程装备、交通运输、风力发电、家用电器、医疗设备、航空、航海、航天、兵器等各个领域，显示出了强大生命力。电机结构也不再局限于传统径向磁通结构，出现了无铁心、轴向磁通、横向磁通、直线、双定子、双转子等新型结构。

第5页中国稀土资源丰富

品种全、质量高、得天独厚！年世界稀土资源分布情况第6页1996年年烧结钕铁硼产量分布我国钕铁硼永磁产量占绝对优势第7页中国稀土矿储量居世界首位，烧结钕铁硼永磁产量约占世界总产量四分之三左右。这一得天独厚丰富资源为中国稀土永磁电机发展和应用提供了极为有利条件。第8页稀土永磁电机追求到达高功率密度、高效率、高动态响应和低速平稳性、低振动噪声电机电磁负荷高，结构新奇而又多样，增加了设计分析、仿真计算和研究开发复杂性。

第9页电机内存在着各种不一样类型多场耦合系统

包括到电磁、机械、电子、流体、热学等多个学科相互影响

利用和发展多场耦合系统，搞清各种场分布规律及其控制技术。在此基础上对各种参数进行综合分析比较和优化。第10页分类1新型结构永磁电机2永磁发电机3交流永磁伺服电动机4高效异步起动永磁电动机第11页1

新型结构永磁电机

第12页伴随电动车、磁悬浮列车和舰船电力推进等大功率电气传动技术发展,人们对低速、高转矩密度、直接驱动电机要求日益迫切,以减小电机体积、重量和原材料消耗,提升电机功率（转矩）密度。第13页轴向磁通（盘式）永磁电机横向磁通永磁电机无铁心永磁电机为更加好地适应这些特殊行业需要，在传统径向磁通永磁电机基础上出现了:第14页1.1盘式永磁电机

盘式永磁电机气隙是平面型，气隙磁场是轴向，能够使电机制成扁平型，可取得很高转矩密度。如制成多气隙组合式结构，能够深入提升转矩，尤其适合于大转矩直接驱动装置。

第15页1.1盘式永磁电机

盘式永磁电机结构a)单边b)外转子c)内转子d)多盘第16页1.1盘式永磁电机

盘式永磁电机优点是转矩密度高，由此带来关键技术之一是冷却系统合理设计和电机温度场分布，需要进行三维流场-温度场耦合分析。

第17页1.1盘式永磁电机

电机温度场分布取决于冷却介质和损耗分布，为了能够取得电机温度准确分布，需要建立永磁电机磁场－电路－流场－温度场耦累计算模型，在产品开发阶段完成热性能分析，从而降低试验成本，缩短设计周期。第18页磁场分布

磁场－电路耦累计算

电流波形

1.1盘式永磁电机

第19页磁场－电路耦累计算焦耳热流场－温度场耦累计算热源

1.1盘式永磁电机

第20页1.1盘式永磁电机

流速分布转子温度场分布电机整机温度场分布第21页180kW盘式永磁电机其转矩密度达8.5kN/m2，为传统电机2倍左右。

1.1盘式永磁电机

第22页1.2横向磁通永磁电机

传统电机齿和槽在同一平面内，齿宽和槽宽相互制约。改成横向磁通电机后能够使转矩密度相当于传统结构电机2～5倍，尤其适合用于车、船等直接驱动场所。传统径向磁通电机磁路第23页1.2横向磁通永磁电机

横向磁通永磁电机结构复杂,内部磁场呈复杂三维分布,在转子和定子铁心齿部,磁通沿径向流通,而定子铁心轭部磁通沿轴向流通,流通方向相互垂直。横向磁通电机磁路需要用三维电磁场分析计算来搞清其电磁场分布规律和优化设计规律，进而提升其性能。第24页横向磁通电机一个经典结构图1.2横向磁通永磁电机

第25页定子结构1.2横向磁通永磁电机

第26页转子结构1.2横向磁通永磁电机

第27页1.2横向磁通永磁电机

电机磁密分布端部漏磁很大。定子齿外端磁密较低，越往里齿磁密越高，在轭部与齿部交接面最高。第28页1.2横向磁通永磁电机

气隙磁密分布图每一个气隙带磁密分布相间，呈半正弦波形磁密分布，即一段磁密到达正最大幅值，而相连下一段则出现零磁密。第29页1.2横向磁通永磁电机

气隙磁密分布图对于内外气隙磁密带，分布恰好相对，即外气隙带出现磁密正最大幅值时，内气隙带则出现零磁密，反之亦然。第30页1.2横向磁通永磁电机

15kW横向磁通永磁电机照片功率因数为0.8，转矩密度为传统电机2.5倍左右。第31页横向磁通永磁电机试验中1.2横向磁通永磁电机

第32页传统电机磁场是由电流产生，为了降低磁路磁阻，都选取高磁导率硅钢片叠压制成定、转子铁心，造成体积大、重量大(铁心重占总重60%左右)、损耗大(铁心损耗占总损耗20%~30%)、振动噪声大(铁心有齿有槽是产生电磁噪声根源)，难以满足高性能调速系统要求。1.3无铁心永磁电机

第33页利用钕铁硼永磁高矫顽力（约900kA/m）优异特征而不用或少用硅钢片，制成无铁心永磁电机，则电机重量能够大幅度下降、效率提升、振动噪声显著降低，同时含有更低转动惯量、更加快响应速度、更宽调速范围、更长使用寿命。1.3无铁心永磁电机

无铁心电机三维磁场是开域，分析计算关键技术之一是怎样确定三维开域场边界条件和对计算结果有效处理。第34页无铁心永磁电机气隙表面磁密矢量分布

无铁心电机磁密矢量分布图从图中能够看出,沿圆周方向,磁场呈周期性分布,在电机端部有一个很大轴向分量磁密。1.3无铁心永磁电机

第35页已制成2.2kW8极无铁心永磁电机实物照片，其效率90％，功率密度比传统电机提升1倍以上，噪声57dB。

电机定子、转子实物照片

1.3无铁心永磁电机

第36页无铁心电机与同规格Y2系列感应电动机对比分析电机型号Y2-132S-8TYB2200-750比较结果中心高132112额定功率/W22002200效率/％78.089.8提升11.8％功率因数0.710.95提升0.24功率密度/W·kg－133.8568.75提升103％噪声/dB(A)7157降低14dB（A）1.3无铁心永磁电机

该类电机在数控机床、机器人、电动车、电梯、家用电器等要求较高控制场所含有辽阔应用前景。第37页2永磁发电机

第38页永磁发电机

直驱低速永磁风力发电机

半直驱式永磁风力发电机混合励磁发电机

第39页2.1直驱低速永磁风力发电机

当前，兆瓦级风力发电机在风电场中占主导地位，而直驱永磁风力发电机组应用越来越广泛，它省去了增速齿轮箱，大大提升了可靠性和效率，提升了单位kW发电量。国内已成功开发出1~3MW直驱永磁风力发电机，每分钟只有十几转。

第40页单支撑结构直驱式永磁风力发电机结构图

2.1直驱低速永磁风力发电机

第41页2.1直驱低速永磁风力发电机

因为电机结构及受力情况比较复杂，采取传统计算已经不能满足要求，故需采取有限元软件对电机进行强度和刚度分析计算。

第42页计算时对模型接触进行一定简化，对模型施加对应载荷及约束进行强度分析，可得到不一样构件位移场分布矢量图及重力方向位移云图。2.1直驱低速永磁风力发电机

转子支架位移场分布矢量图及重力方向位移云图锥形支撑位移场分布矢量图及重力方向位移云图第43页2.2半直驱式永磁风力发电机

因为在一样功率时，电机重量与其转速成反比，MW级直驱永磁风力发电机重几十吨，甚至一百多吨，运输和吊装都比较困难。发电机吊装图第44页每台电机用钕铁硼永磁1吨多。所以又出现了经一级齿轮增速半直驱式永磁风力发电机，150～200rpm，重量能够成倍减小。半直驱永磁风力发电机2.2半直驱式永磁风力发电机

第45页2.3混合励磁发电机在发电机运行中为了保持电压不变，需要进行磁场调整。对于永磁发电机来说，转速改变或负载电流改变会造成输出电压变动，但因为永磁电机气隙磁场是由永磁体和磁路磁导决定，调整气隙磁场困难而造成电压调整困难。

第46页综合电励磁及永磁体励磁两种电机优点混合励磁同时发电机能够依据电压改变经过改变电励磁电流大小和方向来调整磁场，进而调整电压实现了无刷化，免维护辅助电励磁部分损耗小，保留了永磁发电机高效率特点2.3混合励磁发电机第47页混合励磁发电机一个经典结构

2.3混合励磁发电机第48页以一台功率为7.5kW、4极混合励磁发电机为例

样机定子和转子2.3混合励磁发电机第49页该电机含有以下特点：（1）不加电励磁时，发电机固有电压调整率为10.72%；加电励磁时，发电机电压调整率仅在1%范围内(3)效率高，在额定负载时，效率达91.26%

(4)空载线电压波形畸变率小，仅为1.98%

(2)调整特征基本呈直线分布，调整特征好2.3混合励磁发电机第50页3交流永磁伺服电动机第51页高性能永磁交流伺服电动机优点有动态响应速度快低速平稳性好

效率高、功率因数高转动惯量小它广泛用于机床、机器人、电动车、电梯、家用电器等场所。

第52页3.1转矩脉动仿真及抑制近年来永磁交流伺服电机采取槽数与极数靠近分数槽绕组越来越多，经过三维电磁场分析可得，因为采取槽数与极数相近分数槽绕组，在电机漏磁通中存在着齿顶漏磁通。齿顶漏磁示意图

第53页永磁体产生磁通经过气隙进入定子后，有一部分经过定子齿后又返回转子，并未匝链定子绕组，这部分磁通称为齿顶漏磁通。当极数和槽数相近时，齿顶漏磁通占整个漏磁通百分比很大，有高达50.4%，需要进行详细分析计算。3.1转矩脉动仿真及抑制第54页不一样极槽配合分数槽绕组产生谐波次数及大小都是不一样，由此产生脉动转矩大小不尽相同，采取有限元分析软件进行场路耦合仿真。

8极9槽转矩脉动曲线不一样极槽配合下转矩波动

极槽数8-98-368-48转矩波动9.4%13.2%17.6%3.1转矩脉动仿真及抑制第55页对齿槽转矩需采取各种办法加以抑制，如：3.1转矩脉动仿真及抑制这些使三维磁场计算更为复杂。优化磁极形状将定子槽斜槽或永磁体斜极增设辅助槽优化极弧因数第56页办法之一是斜极在径向磁通电机中斜极永磁体机构在轴向磁通电机中斜极结构3.1转矩脉动仿真及抑制第57页3.2三维瞬态磁场－声场耦合分析电机振动噪声高性能伺服系统要求电机振动噪声很低，需要采取振动噪声抑制技术，为此需要进行三维瞬态磁场-声场额耦合分析计算。第58页声场分析是流体—结构相互作用耦合场计算，是瞬态声学分析。流体和结构在网格界面处相互作用引发声压施加给结构一个强迫力，而且结构运动产生一个有效“流体载荷”。流固耦合边界标志3.2三维瞬态磁场－声场耦合分析电机振动噪声第59页

a）定子四阶模态b）整机七阶模态模态

样机计算值/dB(A)试验值/dB(A)误差(%)162.860.763.4276.272.515.1382.982.01.1有限元计算噪声与试验结果对比

3.2三维瞬态磁场－声场耦合分析电机振动噪声第60页节点压力云图节点位移云图3.2三维瞬态磁场－声场耦合分析电机振动噪声有限元计算振动速度与试验结果对比样机计算值/mm﹒s-1试验值/mm﹒s-1误差(%)11.511.531.320.9921.022.7第61页针对8极9槽、8极36槽和8极48槽三台径向结构永磁同时电动机对它们噪声大小进行分析计算。选取了8极9槽、8极36槽和8极48槽三台径向结构永磁同时电动机对它们噪声大小进行分析计算。不一样极槽配合电磁噪声计算

极槽配合计算值dB（A）实测值dB（A）误差(%)8极9槽71.44702.068极36槽55.7659.66.448极48槽54.1450.76.793.2三维瞬态磁场－声场耦合分析电机振动噪声第62页在由脉宽调制（PWM）控制永磁交流电动机组成系统中，电流开关频率和时间谐波影响更为显著。电动机噪声与振动主要取决于以下几个原因：（1）极数和槽数配合；（2）工作频率；（3）逆变器开关（载波）频率；（4）机械固有频率和系统模态。3.2三维瞬态磁场－声场耦合分析电机振动噪声第63页

空载声压级随开关频率和基波频率改变从开关频率改变规律可见，开关频率越高，噪声越低。3.2三维瞬态磁场－声场耦合分析电机振动噪声第64页3.3高精度高速交流永磁伺服电动机右图显示开发机床用交流伺服电动机机床用交流伺服电动机

第65页交流伺服电机使用中3.3高精度高速交流永磁伺服电动机第66页机床用交流伺服电机主要性能指标

性能指标堵转转矩6N·m12N·m22N·m效率/%84.590.989.1功率因数0.940.970.98转动惯量/(kg·m)0.00250.00840.0125振动/(mm·s-1)1.21.82.5噪声/dB（A）64.259.974.03.3高精度高速交流永磁伺服电动机第67页3.4直驱低速交流永磁伺服电动机开发无齿轮曳引电梯用永磁同时电机含有以下几个优点：1、结构简单，不需要减速箱，工艺愈加简单，同时减小体积和重量，提升有效空间利用率。

2、振动小噪声低，尤其是在低速运行区域，优势愈加显著，运行稳定，调速精度高。传统有齿轮曳引电梯噪声大部分来自于齿轮箱产生机械振动和高速旋转电动机本身振动和噪声。3、因为实现了无齿轮调速，省去了齿轮上损耗，提升了效率。同时采取永磁体励磁后，不需要励磁电流，没有励磁损耗，也可使效率提升。4、可布置出各种曳引方式无机房电梯，即使在有机房和小机房布置时也显示出较高自由度和灵活度。

5、安全、可靠、舒适度好。第68页原有齿轮传动曳引机，即使电机效率高达94%，但因齿轮箱存在，综合效率仅为65％左右，且振动噪声很大，维护也较困难。现采取无齿轮曳引后，效率可提升近25个百分点，有功节电率可达28.9％。

3.4直驱低速交流永磁伺服电动机第69页电梯电机实物照片

曳引机用交流伺服电机结构图3.4直驱低速交流永磁伺服电动机第70页电机磁密分布图3.4直驱低速交流永磁伺服电动机第71页电机磁力线分布图3.4直驱低速交流永磁伺服电动机第72页4超超高效异步起动永磁电动机

第73页据国际能源机构（IEA）年7月工作汇报，经过改进电动机效率结合变频调速能够节约大约7％电能，其中大致有1/4～1/3是靠提升电动机效率来取得，其余部分则来自系统改进。当前，美、欧、日、澳大利亚、巴西等国都纷纷制订电动机效率限值，并强制执行。

为协调各国能效分级标准，年IEC制订一项新能效标准IEC60034-30。该标准将普通用途电动机效率水平分为IE1、IE2、IE3和IE4四级。

第74页IE1为标准效率，相当于我国当前生产普通系列感应电动机效率水平；IE2为高效率，比普通电机效率平均提升2.75个百分点，损耗平均下降20％左右；IE3为超高效率，即效率再提升1.5～2个百分点，损耗平均再降低15％左右；IE4为超超高效率，损耗预计再下降20％左右，需要进行全新电机设计，建立新体系结构（新电机极数、速度范围），采取更高性能材料。第75页总结我国研发生产高效永磁电动机经验能够得出：永磁电动机轻易做到高效率，即到达IE2级效率值。深入优化设计，采取高性能硅钢片和先进工艺，在降低一个机座号或者缩短铁心情况下，能够到达超高效，即IE3级效率值。

在不降低机座号或适当增加铁心情况下，部分规格可能到达超超高效，即IE4级效率值。

第76页需要说明是，这些产品是在IEC60034-30颁布之前研发生产，与IE3和IE4效率值稍有出入，只要调整设计和优化，就能够到达所要求标准。第77页4.1三维场－路耦合分析起动过程异步起动永磁同时电动机在起动方面较感应电机和电励磁同时电机异步起动过程更为复杂。采取有限元分析软件进行场路耦合仿真。第78页起动过程转速曲线

起动过程中T-n曲线

4.1三维场－路耦合分析起动过程第79页4.2化纤纺织用超超高效高牵入转矩永磁同时电动机

在相同负载情况下，化纤纺织用电机尺寸普通比普通电机大1～2个功率等级，使得电机在运行时存在“大马拉小车”现象，电能浪费严重。

国内经过多年研究，所开发7.5kW4极、15kW4极电机在体积不增大情况下能够到达超高效甚至超超高效性能指标。

第80页15kW高效高牵入转矩永磁同时电动机在