【《高速永磁同步电动机的电磁设计案例分析》3500字】

高速永磁同步电动机的电磁设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u27851高速永磁同步电动机的电磁设计案例分析 1175301.1性能要求 296721.2转子设计 2245711.2.1极对数的选择 244791.2.2转子尺寸的设计 3115961.3定子设计 358281.1.1铁芯材料的选择 3312131.1.2定子槽数和槽形的选择 4120821.1.3定子绕组形式的选择 4314481.1.4定子内外径和铁芯长度的设计 5323731.4永磁体设计 613131.4.1永磁体材料的选择 6115281.4.2永磁体尺寸的设计 8287351.5气隙设计 8270771.6具体电磁参数 91.1性能要求电动机是空气压缩机中如同心脏一样的重要驱动器件。压缩机用电动机要有较快的速度和较大的功率，还要有高效的负荷能力，这样才能使空气压缩机拥有良好的起动和运行工作特性，进而达到减耗节能的目的[10]。高速永磁同步电动机以其出色的性能在空气压缩机领域备受关注。本课题所设计高速永磁同步电动机的各项额定性能指标如表1.1所示：SEQ表格\*ARABIC1表1.1电动机额定性能指标表性能参数数值额定功率（kW）100额定电压（V）320额定转速（r/min）25000效率>90%槽满率<78%额定转矩（N·m）38.201.2转子设计1.2.1极对数的选择极对数与电机的转速、转矩、功率、机械特性和制造成本等元素都息息相关，设计时通常需要综合考虑各方面的影响。就本课题所设计的电动机而言，它转速大、工作频率高，极数一般不会太多，通常选择2极或4极。表1.2对这两种方案进行了比较。SEQ表格\*ARABIC2表1.22极和4极电机比较表极数2极4极频率低高转子结构的强度高低绕组端部的长度长短加工难度及结构比较简单，容易加工相对复杂，难加工从电磁方面来看，2极电机磁极少，电动机在运行过程中产生的定子绕组电流频率和铁芯磁通交变频率相对小一些，从而能实现降低铁耗的效果。从机械方面来看，2极电机磁极整体性强，加工制造难度较低；机械强度好，承受径向离心力和轴向推力能力较强。虽然2极电机绕组跨距较大，不仅占用了更大的空间，还会降低刚度，但4极电机的永磁转子拼接块数更多，同样也会降低刚度，并且它在降低铁耗的效果上也不如2极电机。因此，综合两个方面考虑，本课题采用了2极电机方案。1.2.2转子尺寸的设计转子外径的尺寸选取既不能太大，也不能过小。从减小离心力的目标出发，如果高速永磁同步电动机的转子外径过大，永磁体会有因为巨大的离心力而毁坏的危险。但如果转子外径过小，能够安装转轴等部件的空间就会不足，容易无法输出所需的转矩和功率；还会使转子形状过于细长，在运行时出现弯曲效应，造成转子和定子间的摩擦，损毁电机。因此，转子的尺寸要经过多方面考量，进行反复调整优化，才能获得理想的设计效果。1.3定子设计1.1.1铁芯材料的选择1.铁芯材料的选择高速永磁同步电动机的转速高达数万，磁通频率和电流交变频率也很高，电机总损耗的很大一部分都是铁耗。同时，高频附加损耗也会明显增加。硅钢片的磁导率较高，采用硅钢片叠压的形式来构成定子能够有效减小电动机的磁滞、涡流损耗。并且，还可采用损耗特性曲线较低的材料来降低定子齿轭部的磁密和损耗。综合性能与成本等因素，本课题所设计电机采用DW310_35为定转子铁芯材料。2.绕组材料的选择电流集肤效应和邻近效应总是出现在高频供电的电机中。线径越大，由集肤效应和邻近效应导致的绕组阻值上升程度就越大；于是铜耗变大，最终导致电机效率下降。因此，在满足绕组导电性等性能的前提下，应尽量选取线径更小的导线。本课题采取了线径为0.73mm的铜线作为定子绕组材料。1.1.2定子槽数和槽形的选择1.槽数选择(1.1)其中，q代表每极每相槽数；Z代表定子槽数；p代表极对数；m代表相数。(1.2)其中，v代表谐波次数；Kdv代表v次谐波的分布因数；由公式（1.1）可以看出，如果已知极对数p和相数m，只要能明确每极每相槽数q，就可以推算出定子的槽数Z。当q取值过小时，定子每槽导体数增多，槽漏抗变大，损耗增大；槽中线圈边的散热总面积减小，散热性能下降。此外，由公式（1.2）也可看出，定子中产生的谐波磁场会随着q的减小而增大，漏抗和损耗也会相应增大。综合性能和成本等因素考虑，本课题最终选择的定子槽数为18。2.槽形选择目前，开口槽、半开口槽和半闭口槽这三类槽形通常被用来设计成定子槽，而永磁同步电机往往采用槽底比顶部宽的半闭口槽，它能有效减小定子铁芯表面产生的损耗和齿部的脉振损耗。半闭口槽主要包括梨形槽、梯形圆底槽、梯形平底圆角槽和梯形圆角平口槽四种，前两种通常被应用于多槽电机，后两种则应用于少槽电机。基于本课题所设计的电动机槽数为18，选择梯形平底圆角槽。1.1.3定子绕组形式的选择涡流损耗出现的主要原因是三相绕组中的高频谐波电流。谐波有时候还能造成振动和噪声，使电动机工作性能下降。由公式（1.3）可看出，采用短距绕组是降低高次谐波的有效手段。 (1.3)其中，Kpv代表绕组v次谐波电动势节距因数；y1代表定子节距；从绕组层数方面来看，双层绕组在制造过程中更容易被制作成短距绕组。另外，双层绕组线圈尺寸相同，还具有便于排列的优点。综合电机性能、制作工艺等因素考虑，本课题采用双层短距集中绕组。1.1.4定子内外径和铁芯长度的设计定子内径Di1和铁芯计算长度Lef可以由经验公式（1.4）~（1.6）计算得到[7](1.4)其中，KE代表满载电势标幺值；PN代表电动机额定功率；(1.5)其中，P'代表计算功率；ηN代表电动机额定效率；(1.6)其中，αp代表计算极弧系数，铁芯稍有饱和的正弦波气隙磁场电机一般取0.66~0.71；KNm代表磁场波形系数，正弦分布的气隙磁密一般取1.1；Kdp代表基波绕组的系数，双层短距绕组一般取0.92；A代表线负荷；B得到电动机的定子内径与铁芯长度后，根据安装空间和散热性能的要求，再合理选择定子外径。1.4永磁体设计1.4.1永磁体材料的选择永磁材料发展至今已有很多种类，它们的多方面性能可以显著影响高速永磁同步电动机的性能，在设计电机时要综合考虑。首先，在电磁性能方面，永磁体在各种工作状态下都要能产生足够大的磁通，且从成本方面来说使用寿命不能太短。其次，机械性能也不可被忽视。此外，永磁体还要具有较好的稳定性。例如在热稳定性方面，高速永磁同步电动机工作时温度不会太低，永磁体的最大工作温度需要低于其能够承受的最大温度。只有在电机工作时，永磁体工作点始终位于退磁曲线的线性部分，才不会发生退磁故障。表1.3比较了四种常见永磁体的性能。SEQ表格\*ARABIC4表1.3常见永磁体材料性能比较表种类性能铝镍钴铁氧体钐钴铷铁硼剩磁（T）0.50~1.200.38~0.421.00~1.101.14~1.17矫顽力（kA/m）35~140160~216640~780844~884最大磁能积（kJ/m3）9~8526.3~29.5192~208247~263优点温度系数低，热稳定性强制造工艺简单价格低剩磁密度大，矫顽力高，温度系数低剩磁密度大，资源丰富缺点矫顽力小，可加工性差剩磁密度不高，材质硬而脆成本较高温度系数高，热稳定性差本课题所设计电机的工作温度为150℃，综合考虑性能、成本等因素，选择了SmCo28作为永磁体材料，其性能参数如表1.4所示：SEQ表格\*ARABIC5表1.4SmCo28材料性能表永磁体种类矫顽力（kA/m）剩磁（T）最高工作温度（℃）最大磁能积（kJ/m3）SmCo287561.04~1.07300207-2151.4.2永磁体尺寸的设计永磁体的长度lm通常与定子和转子的长度一致。永磁体产生的磁通面积取决于其宽度bm，因此应该合理设计bm，确保磁密大小能满足要求。如果宽度bm过大，不仅增加了成本，还容易使电动机饱和，降低磁性能；如果宽度b选取也要适中，如果厚度hm过大，电动机的交轴电感Lq和直轴电感Ld根据经验公式，表贴式高速永磁同步电动机的永磁体尺寸可由式(1.7)计算得到:(1.7)其中，δi为气隙计算长度；Br和Bδ分别为最大剩磁密度和气隙磁通密度，BrB1.5气隙设计作为同时接触定转子、进行能量转换的部位，传统电动机的气隙长度都较小，有利于降低运行时的空载电流、增大磁密，从而提高电动机性能。但如果设计了太小的气隙，则会导致气隙谐波发生畸变、谐波漏抗变大的后果，进而又会使附加转矩和谐波转矩都出现在转轴上，在运行时发出较大的噪声。另外，在高速永磁同步电动机中，转子护套的存在和散热的要求也使得气隙长度通常要比传统电动机长一些。对于大功率电机，气隙长度可由经验公式（1.8）计算得到：(38)1.6具体电磁参数本课题所设计的高速永磁同步电动机的具体电磁参数如表1.5所示：SEQ表格\*ARABIC7表1.5电磁设计参数参数类型参数名具体值参数名具体值额定数据额定功率(kW)100额定转速(r/min)25000额定转矩(N·m)38.20额定电压(V)320额定频率(Hz)416.67极对数1接线形式Y计算温度(℃)150定子数据槽数18材料DW310_35绕组形式双层短距集中铁芯长(mm)210定子外径(