（電機與電器專業(yè)論文）高速高效防爆稀土永磁同步電機研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rd e v e l o p sp a r t i a lc o n t e n t so fp r o j e c t ”t h e h i g hs p e e dh i g h l y e f f e c t i v ee x p l o s i o n p r o o fr a r ee a r t hp e r m e n e tm a g n e tm a c h i n er e s e a r c h ”，w h i c h i so n eo f t h en a t i o n a l8 6 3p l a n s r e v o l v e dt i g h t l yt h eh i g hs p e e dh i 曲l ye f f e c t i v ei n c r e a s e d s a f e t yr a r ee a r l h p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o r sd e s i g n ，t h ep a p e rr e s e a r c h e st h o r o u g h l yi n t h et w o p o l er o t o rs t r u c t u r e ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dt h ek e ye x p l o s i o n - p r o o f p a r a m e t e rt i m eke t c ，a l s oc o m p l e t e st h ed e s i g na n dt h ep e r f o r m a n c et e s t e x p e r i m e n t s o fat w o - p o l e i n c r e a s e d s a f e t yr a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e t i c s y n c h r o n o u sm o t o r t h i sa r t i c l em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r eg i v e na sf o l l o w s ： i b a s e do nt h o r o u g h l yd i s c u s s i n go nt h er o t o rs t r u c t u r eo fr a r ee a r t hp e r m a n e n t m a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o r an o v e lt w o - p o l er o t o rs t r u c t u r eh a sb e e nd e s i g n e da n d s i m u l a t e d 2 b yd e t a i l e d l ya n a l y s e dt h ec a k i n gs t r u c t u r es t r e s so ft i l es h a p er a r ee a r t h p e r m a n e n tm a g n e to fr a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e t i cd i r e c tc u r r e n tm o t o r , ah i g h r e l i a b i l i t y , g o o da n t i i m p a c tp e r f o r m a n c ec e m e n t a t i o ns t r u c t u r ei sp r o p o s e d 3 t h ep a p e rt a k e st h es k i ne f f e c ta n dr a d i a t i o nf a c t o r si n t oa c c o u n ta n db r i n g s f o r w a r das e to fr o t o rt i m et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d ，t h e np r o p o s e se f f e c t i v e a c t i o n sf o rb e i n ga d v a n t a g e o u si nl e n g t h e n i n gt h et i m e f fa n dd e c r e a s i n gt h er o t o r t e m p e r a t u r ef r o mt h ed e s i g na s p e c t 4 ah i 曲s p e e dh i g h l ye f f e c t i v ei n c r e a s e d s a f e t yr a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e t i c s y n c h r o n o u sm o t o ri sd e s i g n e d ，a n dt h es t a r t i n gp e r f o r m a n c ei s s i m u l a t e da n d a n a l y s e d f i n a l l y , t h em o t o rt e s th a sb e e nd o n e k e yw o r d ：r a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o r , i n c r e a s e d s a f e t y m o t o r , t w o - p o l em o t o r , t h et i m e ，e ，r o t o rt e m p e r a t u r er i s e l l 玨北工業(yè)大學碩士學位論文 第一章緒論 ；目t a 自# 薯i t _ _ j # t ；自；j ；自_ j ； ；= = t ；目目_ _ _ i ；j = = ；j j = ；自；q _ _ _ _ e _ # s 目_ 第一章緒論 1 1 論文研究背景、來源及意義 1 1 1 研究背景 在爆炸性危險場所中能夠做到嚴禁使用明火，但卻無法限制使用各種電氣 設備( 如電動機、電器、各種燈具、儀表等) ，而普通電氣設備在正?；蚬收蠣?態(tài)下都難免出現(xiàn)電孤、火花或高溫，這些因素在爆炸性危險場所則可能成為爆 炸性混合物的引燃源。因此，在這些場所中使用的電氣設餐都必須具備嚴格的 防爆措施。防爆電機就是一種使用面廣、使用頻率高的防爆型電氣產(chǎn)品。該類 電機具有安全防爆措施，能夠在具有可燃性氣體或腐蝕性氣體與空氣形成的爆 炸性氣體混合物等危險性場所安全運行，從而廣泛使用于石油、化工、煤炭及 冶金等行業(yè)。 防爆電機按防爆原理不同，可分為隔爆型、增安型、正壓型、無火花型電 機和粉塵防爆電機等，其中隔爆型電機和增安型電機是石油、化工等系統(tǒng)中應用 最為廣泛的兩類防爆電機。隔爆型電機是把電機中可能點燃爆炸性氣體混合物 的部件全部封閉在外殼內(nèi)，其外殼能夠承受通過外殼任何接合面或結(jié)構(gòu)間隙滲 透到外殼內(nèi)部的可燃性混合物在內(nèi)部爆炸而不損壞，并且不會引起外部由一種、 多種氣體或蒸氣形成的爆炸性環(huán)境的點燃。增安型電機則是通過對難常運行條 件下不會產(chǎn)生電弧、火花的電機組件采取一些附加措施，以提高安全程度，防 止內(nèi)部和外部部件可能出現(xiàn)危險溫度、電弧和火花的可能性的一類防爆電機。 隔爆型電機由于自身檢修頻繁，維修費用高，而且在一些特殊場合不適用( 若 使用環(huán)境中的氣體顆粒小于隔爆外殼的最小間隙，則不能可靠防爆) ，使得此類 防爆電機的應用日益減少。相比較而言，增安型電機具有的無需經(jīng)常維修、安 全性能更高以及能夠長期可靠安全運行的優(yōu)點，使其應用場合越來越廣泛。 從目前的文獻資料知，國內(nèi)外防爆電機生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的防爆型電機多為異 1 西北工業(yè)大學碩士學位論文 第一章緒論 步電機，無刷勵磁同步電動機等，并沒有將稀土永磁同步電機納入防爆電機領 域。而隨著永磁材料的高速發(fā)展，稀士永磁同步電動機具有其他類型電機無法 比擬的優(yōu)點： ( 1 ) 明顯的高效率和節(jié)電效果 稀土永磁同步電動機用永磁體取代電勵磁，且無勵磁損耗；同步運行時， 轉(zhuǎn)子繞組中無感應電流，就沒有銅耗，由于定、轉(zhuǎn)子同步，轉(zhuǎn)子鐵心中也沒有 鐵耗，因此效率較電勵磁同步電機和異步電機高，而且不需要從電網(wǎng)吸取滯后 的勵磁電漉，從而大大節(jié)約了無功，極大地提高了電機的功率因數(shù)。 ( 2 ) 高效率、高密度電機 高性能的稀土永磁材料釹鐵硼永磁體具有很高的磁能積，它的剩余磁 感應強度、矯頑力都較大，用較少的釹鐵硼永磁體就能產(chǎn)生足夠的電機磁能積， 因此電機體積、尺寸可以大為減小，成為高效率、高密度電機。 ( 3 ) 運行穩(wěn)定 由于轉(zhuǎn)子上不需要電勵磁裝置，因此大大簡化了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，提高了電機運 行的穩(wěn)定性。有數(shù)據(jù)表明，稀土永磁同步電動機效率比同容量異步電動機提高 3 一1 2 ；并且在體積和最高工作轉(zhuǎn)速與異步電動機相同的情況下，輸出功率也 高出1 0 一3 0 ”1 。 本課題主要是探索研究兩極增安型稀土永磁同步電機，該型電機是專門為 各防爆行業(yè)中的節(jié)能應用而設計開發(fā)的，工頻啟動，無需使用變頻器，可直接 代替普通異步電動機，大大減少了能耗，降低運行成本和維修費用，適用于長 期運行的無須調(diào)速驅(qū)動場合。 1 1 2 課題來源及其研究意義 本課題來源于國家“8 6 3 ”計劃( 項目編號2 0 0 4 a a 3 2 g 0 8 2 5 高速高效 防爆稀土永磁電機研究。 由于增安型防爆電機的高安全性、低維修成本和廣泛的應用場合等優(yōu)點， 使得國內(nèi)各行業(yè)對增安型防爆電機的需求量很大，因此加快對增安型防爆電機 2 兩北工業(yè)大學碩士學位論文第一章緒論 的研究是非常必要的。目前國內(nèi)外增安型電機大多為異步電機、無刷勵磁同步 電機等，稀土永磁電機應用較少，至今國際上對于增安型稀土永磁同步電機還 沒有形成統(tǒng)一的標準。 與異步電機、無刷勵磁同步電機等相比，稀土永磁同步電機不需外部電源 勵磁，效率高，是節(jié)能電機的發(fā)展方向。因此，對于防爆電機應用量大、運行 時間長的石油、化工、冶金以及煤炭等行業(yè)而言，若以增安型稀土永磁同步電 機替代防爆異步電機，將會在增強生產(chǎn)安全性和降低維修費用的同時，節(jié)約能 源，有效緩解國內(nèi)的能源緊缺現(xiàn)狀。此外，稀土永磁同步電機最適合傳統(tǒng)異步 電機改造。利用異步電機原來的機座、定子，只需對轉(zhuǎn)子進行永磁同步化改造 即可。異步電機同步化是最實惠的方式，既不報廢原來的電機，又降低了改造 成本，是一舉兩得的方案，從而可達到節(jié)能、降耗的目的。 鑒于石油、化工、紡織和煤炭等行業(yè)中風機、泵類多在工頻電源( 3 相3 8 0 v 、 5 0 h z ) 下運行，且對配套驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速要求較高，而兩極稀土永磁同步電動 機在工頻下轉(zhuǎn)速可達到每分鐘3 0 0 0 轉(zhuǎn)，用來驅(qū)動風機、泵類可直接起動、運行， 高效且無需變頻驅(qū)動，使用方便。因此，研發(fā)成功兩極增安型稀土永磁同步電 動機對于工業(yè)生產(chǎn)具有節(jié)能降耗、安全可靠的重大意義。 1 2 防爆電機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 2 1 國內(nèi)防爆電機行業(yè)發(fā)展概況 目前，我國防爆電機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)極為不合理增安型和無火花型產(chǎn)品所占比 例與用戶部門實際情況相差甚大。因為在各種爆炸危險環(huán)境中( 主要是石油、石 化和化工等工廠環(huán)境) 危險性較大的0 區(qū)和1 區(qū)場所一般占2 0 左右的比例，而 8 0 左右的場所都是危險性相對較小的2 區(qū)場所。根據(jù)防爆電機的選型規(guī)范要求， 2 區(qū)場所適合選用增安型或無火花型電機。而我國防爆電機行業(yè)生產(chǎn)的防爆電機 占總產(chǎn)量( k w ) 9 5 以上的是隔爆型電機，增安型電機產(chǎn)量不足5 ，正壓型、無火 花型和粉塵防爆電機產(chǎn)量極微。國外產(chǎn)品比例分配與國內(nèi)恰恰相反，增安型和 兩北工業(yè)大學碩士學位論文第一章緒論 ；_ - 1 1 1 , 1 , i , , i 目_ 一 無火花型電機占防爆電機的8 0 以上，隔爆型電機所占比例小于2 0 。在2 區(qū)場 所選用隔爆型電機，無論從經(jīng)濟性，還是使用維護的便利性上權(quán)衡都不如增安 型或無火花型電機。究其原因，我國增安型電機發(fā)展歷史短，研究水平低。 現(xiàn)階段我國防爆電機主導產(chǎn)品仍是相當于國外8 0 年代中期水平的y b 系列隔 爆型電動機和y a 系列增安型電動機，但目前防爆電機產(chǎn)品存在著通用基本系列 防爆電機多、專用特殊型電機少、產(chǎn)品標準化水平低、產(chǎn)品可靠性較差等問題。 根據(jù)目前國內(nèi)的需求，防爆電機行業(yè)具有以下發(fā)展趨勢： ( 1 ) 防爆類型向多樣化發(fā)展 目前，我國防爆電機產(chǎn)品中隔爆型防爆電機仍然占8 0 以上。隨著用戶部門 對增安型產(chǎn)品使用場所、安全性的逐步認識，以及增安型電機與隔爆型電機相 比所具有的顯著優(yōu)勢一經(jīng)濟、維修方便。必將帶動我國增安烈電機使用量的 增大及技術水平的提高，從而促使我國防爆電機制造行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向著合理的 方向發(fā)展。 ( 2 ) 商效、環(huán)保型“綠色防爆電機”將成為新世紀的熱點 2 1 世紀人們對生活質(zhì)量要求愈來愈高，環(huán)境保護意識愈來愈強。電動機的 振動噪聲已成為污染環(huán)境的公害。因此，新一輪的防爆電機將以節(jié)能、環(huán)保為 目標，推動相關技術進步，如新型電機繞組設計、低損耗高導磁材料應用研究、 通風結(jié)構(gòu)改進、稀土永磁材料應用研究、降低振動噪聲技術和質(zhì)量控制等，以 提高效率和降低振動噪聲，開發(fā)研制出環(huán)保型的“綠色防爆電機”。不可否認， 稀土永磁同步電機必將成為防爆電機的研究熱點。 1 2 2 國外防爆電機發(fā)展概況 國外防爆電機種類很多，其先進水平主要體現(xiàn)在電機的整體可靠性高、安 全性好、電機效率不斷提高、噪聲不斷降低等方面。 根據(jù)近十年來防爆電機的發(fā)展情況以及國際市場的發(fā)展對防爆電機的要求 來看，未來幾年內(nèi)國外防爆電機發(fā)展趨勢主要向著以下幾方面發(fā)展： ( 1 ) 大力開發(fā)特種、專用防爆電機 4 西北工業(yè)大學碩士學位論文第一章緒論 = ；e 自# ；目目t 目自自目e t 口= = = = = = = = ；# 目e 目；j e j j = 自i ；= = ；= q j i j i 目目一 i l l 墨 進入9 0 年代以來，國外許多著名的防爆電機生產(chǎn)廠看準市場，為用戶著想： 大力開發(fā)專用防爆電機，使防爆電機市場一直呈旺勢。目前，許多專用電機已 成系列。這些成系列的專用防爆電機除國內(nèi)已有的雙速變極低噪聲電機、采煤 機、運輸機用空冷電機、水冷卻電機、正壓型電機、制動電機、低溫用防爆電 機等外，還有國內(nèi)廠家很少生產(chǎn)的潛水電機，防腐蝕( 船用) 電機，高速電機 等。 ( 2 ) 提高制造工藝水平 國外防爆電機制造廠充分吸收普通電機的先進的制造工藝，在鑄造、沖壓、 精加工、絕緣處理等各方面，采用先進的技術與設備，確保加工質(zhì)量。在生產(chǎn) 中較多地采用自動檢測技術，保證零部件的質(zhì)量。 ( 3 ) 設計開發(fā)高效節(jié)能及環(huán)保產(chǎn)品 美匡 從8 0 年代開始開發(fā)研制高效節(jié)能電機，到9 0 年代大力推廣使用高效 節(jié)能電機。根據(jù)通過的能源法，從1 9 9 7 年1 0 月2 4 日開始，進入美國市場的普 通電機必須是執(zhí)行商效標準的節(jié)能電機。對于防爆電機，從1 9 9 9 年l o 月2 4 日開始必須符合高效標準。加拿大的能源法也作出類似的規(guī)定，從1 9 9 9 年1 1 月2 7 日開始，進入加拿大市場的防爆電機必須符合高效標準。本世紀，環(huán)保型 高效節(jié)能防爆電機必將取代普通型防爆電機。 1 3 稀土永磁同步電機研究現(xiàn)狀 1 3 1 稀土永磁同步電機國內(nèi)外發(fā)展概況 國外利用稀土永磁材料進行稀土永磁同步電動機的開發(fā)已經(jīng)有2 0 多年的歷 史。1 9 7 8 年，法國的c e m 公司研制的i s o s y n 系列0 5 5 1 8 5 千瓦的稀土鉆同 步電動機，效率比一般的異步電動機高2 8 ，功率因數(shù)提高0 0 5 o 1 5 。 我國在稀土永磁同步電動機的開發(fā)和應用上取得重大成就，先后開發(fā)了應 用于紡織行業(yè)中織布機、細紗機以及化纖機械、風機泵類等多種規(guī)格和型號的 稀土永磁同步電動機，取得了較好的經(jīng)濟效益。8 0 0 瓦紡織專用稀土永磁同步電 西北工業(yè)大學碩士學位論文 第一章緒論 動機是國內(nèi)第一臺研制成功的稀土永磁同步電動機，效率商達9 1 ，功率因數(shù) 高于0 9 5 ，節(jié)能率高達1 0 以上，已經(jīng)進行生產(chǎn)并取得了很好的經(jīng)濟效益。而 且我國已研制成最大容量為l1 0 千瓦和2 5 0 千瓦的稀土永磁同步電動機。 根據(jù)我國國情高性能的稀土永磁材料已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，釹鐵硼的產(chǎn)量現(xiàn)已 居世界第一位，釹鐵硼的價格也趨向合理。計算結(jié)果統(tǒng)計資料表明，中小型永 磁同步電動機的效率可提高5 ，節(jié)電率1 0 ，某些專用永磁同步電機節(jié)電達 1 5 2 0 。所以發(fā)展稀土永磁同步電動機是新世紀電機工業(yè)技術發(fā)展趨勢。 1 3 2 稀土永磁同步電機國內(nèi)外研究熱點 磁場磁勢計算、合適的仿真計算模型的建立、自起動問題的仿真問題中的 算法、精度、非線性的處理等方面一直是稀土永磁同步電動機的研究熱點。 目前國內(nèi)外對稀士永磁同步電機設計研究主要集中在兩個方面： ( 1 ) 結(jié)構(gòu)設計研究 稀土永磁同步電動機具有很高的矯頑力，故充磁方向很薄的永磁體就可提 供較高的氣隙磁密和磁勢。因此，除了傳統(tǒng)的徑向磁路結(jié)構(gòu)外，當極數(shù)較少時， 還可采用切向磁路結(jié)構(gòu)或混合式結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外學者都在研究稀土永磁同步電動 機的各種轉(zhuǎn)子形狀，其設計準則都是通過增加磁通、減弱電樞反應或高速運行 來提高功率密度和效率。 ( 2 ) 優(yōu)化設計 在稀土永磁材料價格昂貴的情況下，考慮如何合理地選擇永磁體的工作點， 使之在滿足電機性能指標前提下，使所用的永磁材料最少，即電機的成本最小 或體積最小。 優(yōu)化設計采用計算機來完成，優(yōu)化設計中，通常選擇永磁體體積作為目標 函數(shù)。由于永磁體尺寸大小可直接影響電機的各項性能指標，因而可直接選用 永磁體形狀尺寸作為設計變量，而將其他尺寸都用這些變量來表示。在約束條 件中，電抗參數(shù)、定子齒部和軛部磁密、定子電密、起動電流以及槽滿率等都 應限制在一定范圍，而效率、功率因數(shù)和起動轉(zhuǎn)矩等則應大于某一給定值a 兩北工業(yè)大學碩士學位論文第章緒論 雖然國內(nèi)關于稀土永磁同步電動機的研究已經(jīng)進行了很多工作，但迄今為 止，稀土永磁同步電動機在我國并沒有得到全方面的推廣，其原因是多方面的。 其一是稀土永磁同步電動機成本很高，但是隨著稀土永磁材料的發(fā)展，稀土永 磁同步電動機的成本呈下降趨勢，同時在稀土永磁同步電動機設計中如何選用 適量的稀土永磁體用量以成為學術界研究分析的重點。此外，稀土永磁同步電 動機的鐵耗相比于異步電動機比較復雜，如何準確分析和計算是設計高效節(jié)能 稀土永磁同步電動機的關鍵。同時稀土永磁同步電動機的穩(wěn)態(tài)性能研究和起動 過程研究一直以來是國內(nèi)外專家研究分析的焦點。稀土永磁同步電動機性能直 接由參數(shù)決定，因而稀土永磁同步電動機的測試方法目前顯得越來重要。 1 4 本文主要研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 本文的主要研究內(nèi)容分為七章，其結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章敘述本課題的研究背景、意義及來源等內(nèi)容，并詳細闡述該課題的 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，為后續(xù)的研究奠定基礎，指明方向。 第二章主要探討高速( 兩極) 稀土永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并詳細分析 了其中典型兩極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，開發(fā)出一種新穎的兩極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；結(jié)合稀土永磁直 流電動機，提出一種可靠性較高、抗沖擊性能良好的粘接結(jié)構(gòu)。 第三章對增安型稀土永磁同步電動機的關鍵防爆參數(shù)f ，時間計算進行了深 入研究。在考慮集膚效應和散熱等影響因素的基礎之上，提出稀土永磁同步電 動機的f ，時間計算方法；對稀土永磁同步電動機轉(zhuǎn)予溫升問題進行分析，從電 機設計方面總結(jié)出有利于延長f 。時間、降低轉(zhuǎn)予溫升的有效措施。 第四章對開發(fā)出的兩極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行電磁場分析，并對本文設計的一臺兩 極增安型稀土永磁同步電動機的起動性能進行仿真分析。仿真結(jié)果表明轉(zhuǎn)子結(jié) 構(gòu)的磁場分布良好，樣機能夠順利起動。 第五章詳細闡述了一臺3 0 千瓦的兩極增安型稀土永磁同步電動機的設計開 發(fā)。在電機設計指標給定之后，針對電機主要的外形尺寸、定轉(zhuǎn)子沖片及磁鋼 7 兩北工業(yè)大學碩士學位論文第一章緒論 尺寸的設計等問題，具體實施了設計計算，最后進行電機的性能計算。 第六章為樣機的試驗研究。主要闡述實驗1 7 1 的及實驗數(shù)據(jù)處理等過程，并 對樣機的效率、防爆性能等進行詳細分析和總結(jié)。 第七章全面概括本文研究工作及取得的研究成果等，并提出對該謀題的展 朝。 8 西北工業(yè)大學碩士學位論文第一二章高速稀土永磁同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 第二章高速稀土永磁同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘揍研究 與電勵磁同步電動機相比較而言，稀土永磁同步電動機結(jié)構(gòu)比較簡單，運 行可靠性高。目前國內(nèi)外對稀土永磁同步電機設計研究主要集中在結(jié)構(gòu)設計方 面，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是稀土永磁同步電機設計的關鍵和核心。稀土永磁體放置在轉(zhuǎn)子 上，為解決起動問題，轉(zhuǎn)子上還設有鼠籠條。稀土永磁同步電動機的高力能指 標主要取決于稀土永磁體，起動性能主要取決于鼠籠條。選擇合格的轉(zhuǎn)予結(jié)構(gòu) 形式，在保證稀土永磁同步電動機起動性能的前提下，提高力能指標，減小稀 土永磁體用量，是稀土永磁同步電動機設計的主要任務。 在稀土永磁同步電動機的設計中，兩極電機是一個難點。兩極電機要具有 較高的穩(wěn)態(tài)性能指標就要增加永磁體的用量，而較好的起動性能又要求電機的 轉(zhuǎn)子槽不能太淺，這使得永磁體槽與轉(zhuǎn)子槽競爭轉(zhuǎn)子有限空間的問題更為突出； 此外，兩極結(jié)構(gòu)時電機的聚磁力差。在詳細研究稀土永磁同步電動機轉(zhuǎn)予結(jié)構(gòu) 的基礎上，本章開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)新穎的、性能良好的兩極轉(zhuǎn)子。 在稀土永磁電機加工過程中，內(nèi)嵌平塊式磁鋼的粘接對于磁鋼與鐵芯的加 工精度要求不高，成本低，方法簡便，可使電機在振動和沖擊負荷下可靠地工 作。而對于稀土永磁電機中常見的瓦片形磁鋼結(jié)構(gòu)，雖然容易放置，但是磁鋼 加工難度大，工藝較復雜，粘接結(jié)構(gòu)稍有變形，就會嚴重影晌電機的性能。本 章對瓦片形磁鋼在稀土永磁直流電機上的粘按狀況進行了探討，并用分析軟件 對常見的粘紿結(jié)構(gòu)進行應力分析，進而提出一種可靠性較高、抗沖擊性能良好 的粘接結(jié)構(gòu)。 2 1 稀土永磁同步電動機的基本原理 稀土永磁同步電動機的運行原理同電勵磁同步電機，不同之處在于它以永 磁體提供磁通，而后者是以電流產(chǎn)生磁通。稀土永磁同步電動機定子為三相對 稱繞組，與三相異步電動機、電勵磁同步電機相同，轉(zhuǎn)子上粘有稀土永磁( 目前 9 西北工業(yè)大學碩士學位論文 第二章商速稀土永磁同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 ；_ _ z _ _ _ _ t - _ 日_ m _ _ 目日_ _ _ 目；j j 篁t ；阜i _ _ _ 一i t i , _ # _ _ _ - _ 多為釹鐵硼材料) 磁鋼。 初始狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子上已充磁的永磁磁鋼在電機中形成靜止的磁場，當定子 繞組中通入三相正弦波電壓時，在定子三相繞組中產(chǎn)生對稱三相正弦波電流， 從而在氣隙中產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。 圓形旋轉(zhuǎn)磁場的角速度： ：翌( 2 1 ) p 式中：， 輸入電源頻率 p 電機極對數(shù) 動態(tài)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場與靜態(tài)的轉(zhuǎn)予磁場作用，帶動轉(zhuǎn)子磁場與定子上的圓 形旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，并力圖使定、轉(zhuǎn)子磁場軸線對齊，從而進入同步運行。 當外加負載轉(zhuǎn)矩對，轉(zhuǎn)子磁場軸線將落后定子磁場軸線一個功率角6 ，負載愈 大，p 也愈大，直到一個極限角度鞏，電動機失步為止。 可見，同步電動機在運行中，要么轉(zhuǎn)速與頻率嚴格成比例旋轉(zhuǎn)，否則就失 步停轉(zhuǎn)。所以，它的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場同步，靜態(tài)誤差為零；在負載擾動下，只 是功率角0 變化，而不引起轉(zhuǎn)速變化，響應時問是實時的。 2 2 稀土永磁同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)研究 根據(jù)稀土永磁體在轉(zhuǎn)予中放置的位置不同，稀土永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子可 分為表面式和內(nèi)置式結(jié)構(gòu)鈕。 2 2 1 表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)具有外凸式和內(nèi)嵌式兩種，如圖2 - 1 、2 - 2 所示，其中 i 是轉(zhuǎn)子鐵芯，2 是轉(zhuǎn)軸，3 是永磁體。這種結(jié)構(gòu)中，永磁體通常是瓦片形，永 磁體的磁通方向是徑向，永磁體表面與定子鐵芯內(nèi)圓之間一般套有一個起保護 作用的非磁性圓筒。 0 西北工業(yè)大學碩士學位論文第一章高速稀土永磁同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 1 圖2 - i 外凸式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖2 - 2 內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)予結(jié)構(gòu) 2 2 2 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 根據(jù)稀土永磁體在轉(zhuǎn)子內(nèi)部放置的方向不同，稀土永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子 結(jié)構(gòu)可分為徑向式、切向式和混合式。 徑向式結(jié)構(gòu)是指稀土永磁體產(chǎn)生的磁通方向是沿轉(zhuǎn)子圓的半徑方向，優(yōu)點 是漏磁系數(shù)小，無需隔磁措施，轉(zhuǎn)子沖片的機械強度高等，但非整體性的結(jié)構(gòu) 導致加工難度增加，結(jié)構(gòu)強度差。圖2 - 3 ( 圖中1 是鼠籠條，2 是轉(zhuǎn)軸，3 是永 磁體，4 是非磁性材料，5 是轉(zhuǎn)子鐵芯，6 是隔磁槽，以下同。) 中a 、b 均為切 向式結(jié)構(gòu)。a 是美國的專利，b 的v 形結(jié)構(gòu)最早見于英國某產(chǎn)品中，該結(jié)構(gòu)有效 的利用了轉(zhuǎn)子空間。 b 圈2 - 3 內(nèi)置徑向式結(jié)構(gòu) 切向式結(jié)構(gòu)是指稀土永磁體產(chǎn)生的磁通方向是沿轉(zhuǎn)子圓周的切線方向，這 種結(jié)構(gòu)的漏磁系數(shù)較大，并需采取隔磁措施，優(yōu)點是一個極距下的磁通有相鄰 西北工業(yè)大學碩士學位論文第二章高速稀土永磁同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 的兩個磁極并聯(lián)提供，可有更大的每極磁通，尤其當電動機極數(shù)較多、徑向結(jié) 構(gòu)不能提供足夠的每極磁通時，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢更為突出。圖2 - 4 是四種不同的 切向結(jié)構(gòu)，其中a 是一種典型的4 極切向式結(jié)構(gòu)，永磁體內(nèi)側(cè)采用非磁性套筒 或非磁性轉(zhuǎn)軸；b 、c 的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)利用空氣隙隔磁，省去了a 中的隔磁套，轉(zhuǎn)子 沖片具有整體性，當勵磁不足時還可在隔磁槽中放置永磁體來增加勵磁。 畿繇 ab 圖2 _ 4 內(nèi)置切向式結(jié)構(gòu) 混合式結(jié)構(gòu)集中上述兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，但工藝復雜，成本高。圖2 5 是德 國西門子公司的專利，主要用于剩磁密度較低的鐵氧體永磁同步電動機。隨著 永磁材料的高速發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)已失去其優(yōu)勢。 圈2 - 5 內(nèi)置混合式結(jié)構(gòu) 1 2 西北工業(yè)大學碩士學位論文第二章高速稀十永磁同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 在相同的條件下，三種內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中電機直軸同步電抗。相差不 大，但交軸同步電抗x 。卻相差很大，其中切向式的工。最大，徑向式次之。較 大的x 。和凸極率可以提高電動機的牽入同步能力、磁阻轉(zhuǎn)矩和電動機的過載倍 數(shù)等，但會使電機起動過程中振動和噪聲變大，起動時間延長。因此，設計高 過載倍數(shù)的電動機時可以利用大凸極率所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，而設計高起動性能 的電動機時則應設法降低磁阻轉(zhuǎn)矩。 2 3 高速( 兩極) 稀土永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)研究 由式療：竺可知。當頻率，一定時，極對數(shù)p ：1 時電機轉(zhuǎn)速船最大。而 p 兩極稀土永磁同步電動機轉(zhuǎn)予結(jié)構(gòu)中，極距最大，永磁體所需空間也最大，這 造成永磁體槽與轉(zhuǎn)子槽放置空間上競爭的問題。此外兩極電機轉(zhuǎn)速高，對轉(zhuǎn)子 結(jié)構(gòu)強度的要求也比較高。這些問題導致兩極稀土永磁同步電機的設計成為異 步起動稀土永磁同步電機設計中的難點。 2 3 1 弼極稀土永磁同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 兩極稀土永磁同步電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式多種多樣，各有優(yōu)缺點。傳統(tǒng)的兩 極結(jié)構(gòu)形式是瓦片形磁鋼，永磁體容易放置，但是加工難度大，工藝較復雜。 而矩形磁鋼易加工，且具有較大的放置空間，又可降低成本，所以目前稀土永 磁同步電機大多采用多段矩形磁鋼替代瓦片形磁鋼。但是對于多段矩形永磁體 組合的徑向結(jié)構(gòu)，其段數(shù)越多，每段的永磁體寬度就越小，在加工和安放時永 磁體越易損壞。 西j b 工業(yè)火學碩士學位論文 第二章高速稀土永磁同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 a b d 圈2 6 四種稀土永磁同步電機的兩極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 圖2 - 6 中所示的四種兩極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)( 圖中，l 為鼠籠條，2 為磁鋼，3 是轉(zhuǎn) 軸，4 是轉(zhuǎn)子鐵心) 中，圖a 是法國l s s o y 公司的兩極結(jié)構(gòu)，磁鋼形狀簡單，鼠 籠條作用明顯，缺點是轉(zhuǎn)子沖片被磁鋼分為三塊，所以在制造加工方面工藝操 作復雜，成本高：圖b 是用平板狀磁鋼代替?zhèn)鹘y(tǒng)的瓦片狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較為簡單， 加工容易，但相比瓦片形磁鋼漏磁增加：圈c 在交軸方向開有隔磁槽，可以減 小x 。x 。值，有助于改善電機的起動性能；圖d 結(jié)構(gòu)在交軸方向填入徑向磁鋼， 大大減小了漏磁，但永磁體用量增加很多，使電機造價上升。 2 3 2 稀土永磁同步電機轉(zhuǎn)子槽形研究 稀土永磁同步電機的起動性能一般來講比異步電機的差，其鼠籠條僅在起 動過程起作用。為簡化，鼠籠條都取為對稱均布，且由于其起動作用，轉(zhuǎn)子槽 兩北工業(yè)大學碩士學位論文第二章高速稀土永磁同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 形多選取擠流效應較強的雙籠、深槽或凸形槽。對小型稀土永磁同步電機來說， 因其轉(zhuǎn)子空間有限，槽形多選取圓形、梨形或梯形槽等。此外閉口槽可減小齒 槽效應和雜散損耗，麗對電機的功率因數(shù)影響不大，因此閉口槽在稀土永磁同 步電機中應用廣泛。 設計中轉(zhuǎn)子槽形應設計的淺一些，可為磁鋼的放置留出的足夠空間，但從 提高電機的牽入性能方面而言，在轉(zhuǎn)子軛部磁密不過飽和且結(jié)構(gòu)強度滿足的情 況下，應盡量增加轉(zhuǎn)子槽的寬度，以減小電阻，同時端環(huán)截面積也應盡可能的 增大。 2 3 3 一種新穎的兩極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 基于上述對兩極稀土永磁同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的研究分析，本文提出一種 兩極結(jié)構(gòu)，如圖2 7 所示。該結(jié)構(gòu)綜合了圖2 - 6 中b 、d 各自的優(yōu)點。其中主磁 鋼、副磁鋼和隔磁槽磁鋼均為矩形，轉(zhuǎn)子槽為口半梨形槽。主磁鋼和副磁鋼產(chǎn) 生磁通。隔磁槽中的磁鋼可以有效減少漏磁。這種結(jié)構(gòu)磁場分布良好，具有結(jié) 構(gòu)簡單、漏磁小、易起動等特點。 圖2 - 7 一種新的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 2 4 瓦片形磁鋼粘接技術研究 在稀土永磁同步電機制造過程中，瓦片形磁鋼是在轉(zhuǎn)子鐵芯中粘接的，因 此對于瓦片形磁鋼與轉(zhuǎn)子鐵芯中瓦形槽的加工精度要求不高，成本低，粘接工 西北工業(yè)大學碩士學位論文 第二章高速稀土永磁同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 口_ 自；自；口_ _ i 一i e ；t 目j 日目自自i _ = = ；i j 目t 自目j ；_ _ _ 目目e 藝簡便，膠接處的應力分布較為均勻，從而可使電機在振動和沖擊負荷下可靠地 工作。而對于稀土永磁直流電機，瓦片形磁鋼是在其外殼內(nèi)壁粘接的，磁鋼與 外殼的定位與固定完全依靠膠粘劑的粘接作用，沒有其它輔助定位和固定結(jié)構(gòu)： 同時在稀土永磁直流電機受沖擊過程中，不同的粘接結(jié)構(gòu)應力集中點位置不同， 應力與應變大小各異，對電機的可靠性影響程度不同。瓦片形磁鋼和外殼的結(jié) 構(gòu)尺寸、粘接過程中所施加的夾緊力大小、力作用點的位置不同均嚴重影響粘 接質(zhì)量。所以，本章針對瓦片形磁鋼在稀土永磁直流電機上的粘結(jié)結(jié)構(gòu)進行了 分析研究。 2 4 。1 兩種典型粘接結(jié)構(gòu)分析 磁鋼性脆，在受沖擊時，需要膠層吸收一部分能量，避免磁銅破裂，因此要 求膠層有一定厚度，并具有韌性，能起到緩沖作用。理想情況下，導磁外殼( 一 般為4 5 。鋼) 內(nèi)徑尺寸為月，磁鋼外徑尺寸為r ，則膠層厚度為： j = 胄一r( 2 - 2 ) 理想的粘接狀態(tài)如圖2 - 8 所示，可見磁鋼與外殼之間膠粘劑的厚度均勻。 圖2 - 8 理想的粘接結(jié)構(gòu) 一般情況下，工程上常用的公差是：外殼內(nèi)徑尺寸為彤。，磁鋼外徑尺寸為 匕( 其中a ，b 是加工誤差) ，則膠層最大、最小厚度分別為： 占一= r + 口一，+ b = r r ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 西北工業(yè)大學碩士學位論文第二章高速稀永磁同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 磁鋼與外殼常會粘接成圖2 - 9 所示結(jié)構(gòu)，磁鋼中部與外殼之間膠層非常薄， 甚至會直接接觸，此時磁鋼兩端部處膠層比中間厚很多。 圖2 - 9 常見的粘接結(jié)構(gòu) 在對某稀土永磁壹流電機的設計過程中，作者提出不同于傳統(tǒng)的公差：外 殼內(nèi)徑尺寸為r 二，磁鋼外徑尺寸為帶6 ，則膠層最大、最小厚度分別為： 巧。= r r ( 2 - 5 ) 艿。= r 一口一r - b ( 2 6 ) 實際過程中形成的粘接結(jié)構(gòu)如圖2 1 0 ，膠層最厚處產(chǎn)生在中間，而磁鋼邊緣 處只需很少膠粘劑就能填充滿。 2 4 2 應力分布分析 圖2 1 0 改進的粘接結(jié)構(gòu) 以作者設計的某稀土永磁直流電機的磁鋼質(zhì)量，取沖擊加速度為4 0 9 ，根據(jù) 式f ；m ( 4 0 9 ) 計算沖擊力，對磁鋼施加垂直向下的沖擊力，力的作用點位于磁 鋼正上方，對上述三種粘接結(jié)構(gòu)進行應力分析。 兩北工業(yè)大學碩士學位論文 第二章高速稀土永磁同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 對于圖2 8 的理想粘接結(jié)構(gòu)，經(jīng)分析知，當磁鋼受到?jīng)_擊力時，磁鋼頂部略 有變形，圖2 1 1 的應力分析圖放大了此變形效果，下凹較明顯。圖2 1 2 是理 想結(jié)構(gòu)時應力分布示意圖( 其中x 軸為磁鋼弧度，a 、b 是磁鋼的兩端點；y 軸 是當磁鋼頂部上施加1 個單位力時，磁鋼上層面各處受到的單位應力，下同。) 。 可見應力分布較均勻，應力最大點分布于磁鋼的頂部及兩端部，僅為1 3 個單 位應力。因此具有該結(jié)構(gòu)的電機受到?jīng)_擊力時，均勻膠層的彈性會緩沖部分應 力，磁鋼所受沖擊應力小，抗振動和沖擊能力很強，電機可靠性高。 糖“ 叫 t 卜人_ 。卜t _ 圈2 - 11 理想結(jié)構(gòu)時應力分析圖 豳2 一1 2 理想結(jié)構(gòu)時應力分布示意圈 對于圖2 - 9 的常見粘接結(jié)構(gòu)，經(jīng)分析知，最大變形發(fā)生在磁鋼頂部，由圖 2 1 3 的應力分布圖可見頂部下凹現(xiàn)象非常明顯。圖2 1 4 是常見結(jié)構(gòu)的應力分布 示意圖，可見磁鋼兩端所受沖擊力很小，最大應力集中點在磁鋼頂部，為2 1 3 個單位應力。此時當電機受到?jīng)_擊力時，兩端部厚厚的膠層使得磁鋼所受沖擊 力小，而磁鋼頂部稀薄的膠層很容易剝離，磁鋼頂部易與瓦形鋼片直接相撞而 造成磁銅碎裂，可靠性非常差。 豳2 - 1 3 常見結(jié)構(gòu)應力分析圖 圈2 - 1 4 常見結(jié)構(gòu)應力分布示意胬 f 牟 一 一 一 一 一 西北工業(yè)大學碩士學位論文第二章高速稀土永磁同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 對于圖2 一l o 的改進結(jié)構(gòu)，經(jīng)分析知，磁銅兩端部稍有變形，由圖2 一1 5 的應力 分析圖可看出頂部幾乎沒有變形，這主要是因為頂部厚厚的膠層具有很大的彈 性，緩沖了大部分沖擊力。圖2 1 6 為改進結(jié)構(gòu)的應力分布示意圖，可見最大應 力集中點分布在磁鋼兩端部，僅為1 5 4 個單位應力。 牲蚓 h ，n 個一 。l。l上 c # 翻旺 圈2 - 1 5 改進結(jié)構(gòu)應力分析圈圈2 - 1 6 改進結(jié)構(gòu)的應力分布示意圈 這種粘接結(jié)構(gòu)下，當宅機受到?jīng)_擊力時，磁鋼中間部分由于膠層的存在沒 有被撞擊至破裂的危險，而兩端較薄膠層處的磁鋼受沖擊力影響不大?？梢?， 僅對磁鋼和外殼的公差尺寸進行很小改動，就可大大改進粘接質(zhì)量。 2 4 3 分析結(jié)果、應用實例及改善粘接質(zhì)量的措施 電機在受沖擊力時，在理想結(jié)構(gòu)下，磁鋼上應力小且分布均勻，抗沖擊性 好；當如圖2 9 的粘接結(jié)構(gòu)時，磁鋼頂部所受應力最大，最容易與外殼直接碰 撞而破裂。粘接結(jié)構(gòu)如圖2 - 1 0 時，磁鋼上應力較小，分布較均勻，可靠性高。 在所設計的某稀土永磁直流電機中，磁鋼與外殼的粘接結(jié)構(gòu)起初如圖2 - 9 所示，在做沖擊試驗時，磁鋼有掉片、斷裂現(xiàn)象發(fā)生，后經(jīng)研究，改變磁鋼與 外殼的加工公差，為圖2 - 1 0 的粘結(jié)結(jié)構(gòu)，通過了沖擊試驗，證實了圖2 1 0 的 粘接結(jié)構(gòu)能夠有效改善電機運行的可靠性。 在對瓦片形磁鋼粘接研究中，本文總結(jié)出一些改進磁鋼粘接質(zhì)量的措施： ( 1 ) 結(jié)構(gòu)尺寸：應確保磁鋼和外殼的結(jié)構(gòu)尺寸，建議采取外殼內(nèi)徑負公差， 西北工業(yè)大學碩士學位論文第二章商速稀土永磁同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼粘接研究 磁鋼外徑正公差； ( 2 ) 夾具設計：用于定位和夾緊磁鋼的夾具，應確保所施加的夾緊力與外 殼內(nèi)壁表面保持垂直，盡量避免其它方向的分力，以免磁鋼與外殼膠接過程中產(chǎn) 生相對滑動或形成間隙，造成尺寸偏差； ( 3 ) 夾緊力：夾緊力大小要恰當，因為夾緊力過大，易造成外殼變形、磁 鋼脆裂，過小會造成粘接層貼合不好，引起粘接面減少、內(nèi)徑尺寸不合格、固 化過程中磁鋼滑移等問題； ( 4 ) 膠粘劑：選擇好的膠粘剎對于提高粘接質(zhì)量至關重要。目前國內(nèi)外膠 粘劑生產(chǎn)廠家開發(fā)的優(yōu)良性能的膠粘劑種類非常多?？筛鶕?jù)電機運行性能要求， 選用合適的膠粘劑。 2 5 小結(jié) 本章在論述稀土永磁同步電機工作原理的基礎上，探討了稀土永磁同步電 機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，特別對高速( 兩極) 的稀土永磁同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行了深入研 究。在對多種兩極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行了分析比較之后，開發(fā)出一種性能良好的兩極 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。同時，對瓦片形磁鋼在稀土永磁直流電機中的粘接結(jié)構(gòu)進行應力分 析，進而提出一種更為有效的粘接結(jié)構(gòu)。分析結(jié)果表明，該粘結(jié)結(jié)構(gòu)抗沖擊性 能較強，可靠性高，并在一臺稀土永磁直流電動機上得到了驗證。最后，作者 根據(jù)實踐經(jīng)驗，總結(jié)出提高瓦片形磁鋼粘結(jié)質(zhì)量的措施，對于瓦片形磁鋼的粘 接工藝發(fā)展具有一定的促進作用。 西北 業(yè)大學碩士學位論文第三章增安型稀士永磁同步電動機0 時間及轉(zhuǎn)子溫升研究 第三章增安型稀土永磁同步電動機，。時間及轉(zhuǎn)子溢升研究 f 。時間和起動電流比，。，。是增安型電動機的重要防爆性能參數(shù)，直接決 定著電機防爆性能的合格與否。按照防爆電氣設備標準g b 3 8 3 6 3 規(guī)定：7 5 k w 及以下的鼠籠型轉(zhuǎn)子電動機應進行實測t ，時間和起動電流t e ，。，。由于電動 機容量越來越大( 幾百千瓦以至幾千千瓦) ，電壓等級也高( 6 千伏至l 萬伏) ，用 實測辦法確定，。時間太困難，只有尋求計算方法來確定f 。值。因為只有當電機 過熱保護裝置動作時間小于電機的r 。時間，才能保證增安型電動機在爆炸性氣 體環(huán)境中經(jīng)濟可靠地應用。因此，增安型電機的，。時間計算的準確性十分關鍵。 增安型異步電動機的t 。時間計算已有研究成果”，并得到普遍應用。增安 型無刷勵磁同步電動機的t 。時間計算在文獻 1 1 1 的附錄b 中也給出了詳細的計 算公式。目前增安型稀土永磁同步電動機的f 。時間計算尚未有人提及。 稀土永磁同步電動機在正常運行時，理論上轉(zhuǎn)子無基波損耗，轉(zhuǎn)子溫升應 該較低，但在實際中由于磁鋼渦流損耗和諧波損耗等不可避免的問題引起轉(zhuǎn)子 發(fā)熱，溫升增大。針對作者研制的一臺稀土永磁同步電動機在試驗時出現(xiàn)轉(zhuǎn)子 溫升過大現(xiàn)象，本章從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設計、槽配合以及稀土永磁材料等多方位進行 了分析，提出降低轉(zhuǎn)予溫升的解決方法。最后通過實驗得知，磁鋼的渦流損耗 對轉(zhuǎn)子溫升影響很大。 3 1 增安型稀土永磁同步電動機f 。時間研究 t 。時間計算是對電機的定子和轉(zhuǎn)子分別進行，并取兩個計算值中的較小值 做為該電機對應于相應溫度組別的f 。時間。定子表面，時間是指在最高環(huán)境溫 度下達到額定運行穩(wěn)定溫升后的電動機定子繞組，從開始通入最初起動電流時 計起直至上升到極限溫度的時間。轉(zhuǎn)子表面k 時間是指電動機在最高環(huán)境溫度 下達到額定運行穩(wěn)定溫升后，從轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)開始計時，直至轉(zhuǎn)子表面溫度點的溫 西北工業(yè)大學碩士學位論文第三章增安型稀土永磁同步電動機，f 時間及轉(zhuǎn)子溫升研究 度上升到爆炸性危險物允許的極限溫度所需要的時間。電機的極限溫度是指電 機所允許的最高溫度，它由爆炸性氣體混合物被點燃的危險溫度及結(jié)構(gòu)材料的 熱穩(wěn)定性等因素決定。由于稀土永磁同步電動機損耗較小，功率因數(shù)高，與異 步電機相比，定子電流小很多，因此增安型稀土永磁同步電動機定予表面，。時 間更容易滿足要求，通常只考慮轉(zhuǎn)予表面f ，時間。 由上述分析知，對于增安型稀土永磁同步電動機的f ：時間只需計及轉(zhuǎn)子表 面，。時間。稀土永磁同步電動機和異步電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有很大差別。稀土永 磁同步電動機本身無自起動能力，采用鼠籠條異步起動，同步運行，亦即鼠籠 條僅在起動過程中有電流流過。由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特殊性，使鼠籠條的設計在空 間上受到較大限制：而且由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和永磁體的影響，稀土永磁同步電動機 的起動電流倍數(shù)比異步電機大。因此，稀土永磁同步電動機轉(zhuǎn)子r 。時間的計算 與異步電動機相比，有很大差異。 稀土永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子只有鼠籠條和端環(huán)發(fā)熱，而且兩者上韻電流密 度不同，發(fā)熱損耗不同。此外，由于端環(huán)距轉(zhuǎn)子鐵芯較遠，在較短的時間內(nèi)兩者 很難達至n 溫度平衡，因此不能將它們作為等溫體來計算，需分別計算鼠籠條，。時 間0 。和端環(huán)k 時間0 。電機轉(zhuǎn)予堵轉(zhuǎn)時的溫升，可根據(jù)焦耳一楞次效應來進行 計算，并應考慮鼠籠條和端環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的熱量、鼠籠的熱容量、集膚效應等對鼠 籠條內(nèi)的熱量分布的影響以及轉(zhuǎn)子鐵芯和永磁體的熱傳導等實際影響因素。 考慮到集膚效應和散熱因素的影響，本章完善了稀土永磁同步電動機f ，時 間的理論計算，并對比了一臺增安型稀土永磁同步電動機r s m a 9 2 5 0 一6 的t 。 時間理論計算和試驗結(jié)果。 3 1 1 忽略散熱和集膚效應時的f ；時間計算 當稀士永磁同步電動機額定運行到穩(wěn)定溫升時，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)予，此時轉(zhuǎn)差率5 = 1 ， 角速度m = 0 ，轉(zhuǎn)子沒有功率輸出，全部轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子發(fā)熱。因此，在轉(zhuǎn)子鼠籠和鐵 芯中產(chǎn)生的總損耗只：為： 硅北工業(yè)大學碩士學位論文第三章增安型稀土永磁同步電動機f 時間及轉(zhuǎn)子溫升研究 只：= 巧- b 式中： 巧電動機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)： r 電動機的額定功率，k w 。 堵轉(zhuǎn)t 秒后，鼠籠條和端環(huán)的總發(fā)熱量形為： w = 只2 ， 此時鼠籠條和端環(huán)的溫升島和靠分別為： ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) 吼2 彘熹 浯s ， & = 燾，彘 凈a ， 式中： w 發(fā)熱量，u ： 以鼠籠條的溫升，k ； a o k 端環(huán)的溫升，k ； c 。鼠籠條材料的比熱容，材培k ； c 。端環(huán)材料的比熱容，七，堙k ； m 。鼠籠條總質(zhì)量，堙； m 。