電動車輛用永磁同步電機設(shè)計

1、北京理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）第1章 引 言1.1電動車輛發(fā)展背景汽車尾氣的排放對人類健康和人們生活構(gòu)成了嚴重威脅，再綜合能源問題的考慮，于是，具有零排放污染的電動汽車重新被重視起來，各國都制定了相關(guān)的鼓勵政策。典型的例子如美國，1993年9月，美國政府提出了10年完成的“新一代汽車合作計劃”(pngv)，由政府牽頭，組織幾十個公司和機構(gòu)，完成提高燃料經(jīng)濟性和開發(fā)電動汽車的規(guī)定目標。各大公司在政府的支持下，也制定了發(fā)展電動汽車的長遠規(guī)劃1，調(diào)動社會上各種力量參與電動汽車的研制。電動汽車經(jīng)歷了關(guān)鍵性技術(shù)的突破，樣機、樣車的研制，區(qū)域性試用以及小批量實際應(yīng)用等探索階段，現(xiàn)在已接近商業(yè)化生產(chǎn)。

2、電動汽車是以電為動力的汽車，電動機是其主要動力來源。1.2電動汽車分類目前的電動汽車分類主要有以下兩種：1） 燃料電池電動汽車 初期的電動汽車因電池組體積大、續(xù)駛里程短、使用不方便、成本高等缺點，無法與技術(shù)已經(jīng)成熟的內(nèi)燃機汽車相比。要想發(fā)展電動汽車必須在技術(shù)上解決比能量、比功率、壽命、成本以及研發(fā)經(jīng)費等各種難題。到了20世紀90年代，電動汽車技術(shù)有了顯著的進步。如燃料電池的比功率從1997年的016kw/kg，提高到2000年的047kw/kg，提高了近3倍。燃料電池，尤其是以氫為原料的質(zhì)子交換膜燃科電池(pemfc)，成了電動汽車發(fā)展的希望2。 燃料電池汽車(fuel cellpowered

3、 e1ectric vehicles)實際上是一種使燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軓亩?qū)動車輛的汽車，排放物只是沒有污染并可再利用的水。燃料電池的發(fā)展還有些關(guān)鍵性技術(shù)難題，如催化劑、質(zhì)子交換膜、極板等，這些問題都在研究攻關(guān)階段，但不管如何，“氫能”必將引起汽車工業(yè)的革命。1996年，北京舉辦的國際電動汽車及代用燃料汽車展覽會上，參展的電動汽車有福特的ranger電動輕卡車，通用的ev1型車，豐田的rav4l型車，psa集團的saxo型車，菲亞特的zic等車型，充分展示了電動汽車的發(fā)展水平。此外，還有很多混合動力汽車展出。1999年，在日本東京國際車展上，展出的燃料電池汽車有豐田公司功率為75kw的燃

4、料電池汽車；奔馳公司a級燃料電池汽車，車內(nèi)空間與內(nèi)燃機車型相同。功率為50kw，最高速度為150km/h；三菱公司功率為40kw的燃料電池汽車；福特、本田等公司也都展示了自己公司燃料電池汽車的成果。2000年10月，通用公司在北京展出了號稱“氫動一號”的燃料電池汽車，應(yīng)用液態(tài)氫驅(qū)動燃料電池組，總體積與一臺普通汽油機相當，功率為80120kw，整車質(zhì)量為1575kg，0100km/h加速時間僅為12秒，這些指標與相應(yīng)的汽油機汽車基本相當。豐田公司最新一輪燃料電池汽車fchv4，輸出功率為90kw，最高時速150km，續(xù)駛里程250km。 現(xiàn)在開發(fā)出來的汽車代用燃料還有壓縮天然氣(cng)、液化石

5、油氣(lpg)、甲醇和乙醇等等，這些代用燃料汽車都已投入實際使用，尤其是壓縮天然氣和液化石油氣汽車使用得更廣泛一些。另外，還有正在研究階段的太陽能汽車，以及在設(shè)想中的核能汽車等新能源汽車。但是從資源的角度和現(xiàn)在發(fā)展狀況看，電動汽車是最具生命力的。隨著社會的發(fā)展，氫燃料電池的氫的提取、氫的儲存、氫的社會供應(yīng)等技術(shù)難題會逐漸解決。各大公司都已建立了電動汽車批量生產(chǎn)的總裝配生產(chǎn)線。據(jù)說，戴姆勒克萊斯勒、通用、福持、豐田、本田的電動車路試工作已結(jié)束，2002年將投入商業(yè)化生產(chǎn)。估計到2010年，世界燃料電池汽車的年產(chǎn)量可達100萬輛，占世界汽車總產(chǎn)量的1左右。圖1-1 氫燃料電池車基本工作原理2）混合

6、動力汽車 混合動力汽車也稱為復(fù)合動力汽車(hybrid vehicle)。混合動力汽車是兼顧降低燃油消耗和減少排放污染兩種意義而研制的，也就是說，是向零排放過渡的一種形式。一般這種車的動力是由一臺發(fā)動機和一臺電動機兩套系統(tǒng)組成的，任何一個系統(tǒng)都可以單獨使用，也可以邊走邊充電。正常行駛時用電動機驅(qū)動，當需要充電或車輛需要瞬間大功率時，發(fā)動機即投入運轉(zhuǎn)。也就是說，可將發(fā)動機限定在高效率及排放清潔的范圍內(nèi)運行。由于混合動力汽車是介于內(nèi)燃機汽車和電動汽車之間的一種形式，成本比電動汽車要低得多(見表3)，雖然比發(fā)動機汽車還是高，但技術(shù)上比電動汽車要容易實現(xiàn)得多。由于各國、各地區(qū)的排放法規(guī)日益嚴格，目前已

7、有很多國家實際使用了混合動力汽車，各大汽車公司都生產(chǎn)和銷售這種車型?；旌蟿恿I車中發(fā)動機與電動機的聯(lián)接基本上有兩種形式并聯(lián)和混聯(lián)(串聯(lián)與并聯(lián)混合)。在并聯(lián)形式中，電動機與蓄電池都控制在最小范圍內(nèi)，有利于控制成本和質(zhì)量；而混聯(lián)的形式。比較接近電動車，所以燃油經(jīng)濟性較好。日產(chǎn)公司的dino混合動力車裝備1.8l 4缸發(fā)動機，無級變速電動機和理離子蓄電池，采用并聯(lián)方式聯(lián)接。三菱公司的suw advence混合動力車裝備1.5l 77kw直噴汽油機，與12kw電動機組合一起，并配以鋰離子蓄電池。圖1-2混合動力汽車工作原理圖13常見電機簡介通常電動機的作功部分作旋轉(zhuǎn)運動，這種電動機稱為旋轉(zhuǎn)電動機；也有

8、作直線運動的，稱為直線電動機3。電動機能提供的功率范圍很大，從毫瓦級到萬千瓦級。電動機的使用和控制非常方便，具有自起動、加速、制動、反轉(zhuǎn)、掣住等能力，能滿足各種運行要求；電動機的工作效率較高，又沒有煙塵、氣味，不污染環(huán)境，噪聲也較小。由于它的一系列優(yōu)點，所以在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防、商業(yè)及家用電器、醫(yī)療電器設(shè)備等各方面廣泛應(yīng)用。圖1-3感應(yīng)電動機磁感線分布示意圖圖1-4感應(yīng)電動機繞組模型各種電動機中應(yīng)用最廣的是交流異步電動機（又稱感應(yīng)電動機）。它使用方便、運行可靠、價格低廉、結(jié)構(gòu)牢固，但功率因數(shù)較低，調(diào)速也較困難。大容量低轉(zhuǎn)速的動力機常用同步電動機（見同步電機）。同步電動機不但功率因數(shù)高，

9、而且其轉(zhuǎn)速與負載大小無關(guān)，只決定于電網(wǎng)頻率。工作較穩(wěn)定。在要求寬范圍調(diào)速的場合多用直流電動機4。但它有換向器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，維護困難，不適于惡劣環(huán)境。20世紀70年代以后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電動機的調(diào)速技術(shù)漸趨成熟，設(shè)備價格日益降低，已開始得到應(yīng)用。電動機在規(guī)定工作制式（連續(xù)式、短時運行制、斷續(xù)周期運行制）下所能承擔(dān)而不至引起電機過熱的最大輸出機械功率稱為它的額定功率，使用時需注意銘牌上的規(guī)定。電動機運行時需注意使其負載的特性與電機的特性相匹配，避免出現(xiàn)飛車或停轉(zhuǎn)。電動機的調(diào)速方法很多，能適應(yīng)不同生產(chǎn)機械速度變化的要求。一般電動機調(diào)速時其輸出功率會隨轉(zhuǎn)速而變化。從能量消耗的角度

10、看，調(diào)速大致可分兩種：保持輸入功率不變。通過改變調(diào)速裝置的能量消耗，調(diào)節(jié)輸出功率以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速?？刂齐妱訖C輸入功率以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。圖1-5電動機轉(zhuǎn)速控制原理框圖圖1-5燃料電池工作原理示意圖電動車不在發(fā)動機內(nèi)燃燒汽油。它使用存儲在電池中的電來發(fā)動。在驅(qū)動汽車時有時使用12或24塊電池，有時則需要更多。正如遠距離控制的模擬電動汽車一樣，電動車配有用來旋轉(zhuǎn)車輪的電發(fā)動機以及使發(fā)動機運轉(zhuǎn)的電池。 電動汽車主電動機的特征是：機殼由機座內(nèi)襯和機座外套組成，新型體積小、重量輕，對電機的冷卻及時可靠。 電動汽車主電動機，包括端蓋、定子鐵心、轉(zhuǎn)子、定子繞組，其特征在于：機殼由機座內(nèi)襯和機座外套組成，機

11、座內(nèi)襯的內(nèi)側(cè)固定定子鐵心。鐵心的冷卻方式采用水冷或者風(fēng)冷，本設(shè)計采用風(fēng)冷方式，由固定在轉(zhuǎn)子軸上的風(fēng)扇實現(xiàn)，所實現(xiàn)的冷卻較為可靠。第2章 永磁同步電動機概述永磁同步電機的運行原理與電勵磁同步電機相同，但它以永磁體提供的磁通替代后者的勵磁繞組勵磁，使電機結(jié)構(gòu)較為簡單，降低了加工和裝配費用，且無需勵磁電流，省去了勵磁損耗，提高了電動機的效率和功率密度。因而它是近年來研究比較多并在各個領(lǐng)域中得到原來越廣泛應(yīng)用的一種電機。21永磁同步電機分類永磁同步電機分類方法主要有：l 按工作主磁場方向分為：徑向磁場式、軸向磁場式；l 按電樞繞組位置可分為：內(nèi)轉(zhuǎn)子式（常規(guī)式）、外轉(zhuǎn)子式；l 按轉(zhuǎn)子上有無啟動繞組可分為

12、：無起動繞組電動機（用于變頻器供電場合，利用頻率的逐步升高啟動，并隨頻率的改變而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，常稱為調(diào)速永磁同步電動機）、有起動繞組電動機（既可用于調(diào)速運行又可在某一頻率和電壓下利用起動繞組所產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩起動，常稱為異步起動永磁同步電動機）；l 按供電電流可分為：矩形波永磁同步電動機、正弦波永磁同步電動機（簡稱永磁同步電動機）。 本課題所涉及電動機為徑向磁場、內(nèi)轉(zhuǎn)子式的異步起動永磁同步電動機，采用正弦波供電電流。22永磁同步電動機的總體結(jié)構(gòu) 永磁同步電動機由定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等部件構(gòu)成。定子與普通感應(yīng)電動機基本相同，采用疊片結(jié)構(gòu)以減小電動機運行時的鐵耗。轉(zhuǎn)子鐵心可做成實心或疊片疊壓而成。電樞繞組既

13、有采用集中整距繞組的，也有采用分布短距繞組和非常規(guī)繞組的。一般來說，矩形波永磁同步電動機通常采用整距繞組，正弦波永磁同步電動機通常采用分布短距繞組。23永磁同步電動機的工作原理永磁同步電動機屬于異步啟動永磁同步電動機，其磁場系統(tǒng)由一個或多個永磁體組成，通常是在用鑄鋁或銅條焊接而成的籠型轉(zhuǎn)子的內(nèi)部，按所需的極數(shù)裝鑲有永磁體的磁極。定子結(jié)構(gòu)與異步電動機類似。 當定子繞組接通電源后，電動機以異步電動機原理起動動轉(zhuǎn)，加速運轉(zhuǎn)至同步轉(zhuǎn)速時，由轉(zhuǎn)子永磁磁場和定子磁場產(chǎn)生的同步電磁轉(zhuǎn)矩（由轉(zhuǎn)子永磁磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁場產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩合成）將轉(zhuǎn)子牽入同步，電動機進入同步運行。永磁同步電機的定子為三相對稱

14、繞組，與三相異步電動機結(jié)構(gòu)相同。轉(zhuǎn)子上粘有釹鐵硼（ndfeb）磁鋼5。驅(qū)動器為交-直-交電壓型逆變器，通過正弦波脈寬調(diào)制（spwm）輸出頻率、電壓可變的三相正弦波電壓。三相正弦波電壓在定子三相繞組中產(chǎn)生對稱三相正弦波電流，并在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場的角速度,其中為電動機對數(shù)。這個旋轉(zhuǎn)磁場與已充磁的磁極作用，帶動轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)并使定、轉(zhuǎn)子磁場軸線對齊。當外加負載轉(zhuǎn)矩以后，轉(zhuǎn)子磁場軸線將落后定子磁場軸線一個功率角，負載愈大，也愈大，直到一個極限角度m，電動機失步為止。由此可見：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。它的靜態(tài)誤差

15、為零；在負載擾動下，只是功率角變化，而不引起轉(zhuǎn)速變化，它的響應(yīng)時間是實時的。這是其它調(diào)速系統(tǒng)做不到的。但是，因為它存在失步問題，所以它不適合用于重載下運行。又由于它只能在頻率漸升情況下才能啟動，所以也不適于快速啟動。24永磁同步電動機的特點永磁同步電動機應(yīng)用廣泛，具有以下特點：(1) 更高的綜合節(jié)能效果 永磁同步電動機由永磁體激磁，無需勵磁電流，故可顯著提高功率因數(shù)（可達1甚至容性）；定子電流小，定子銅耗顯著減??；轉(zhuǎn)子無銅耗（三相異步電動機轉(zhuǎn)子繞組損耗約占總損耗的2030），因而發(fā)熱低，可以取消風(fēng)扇或減小風(fēng)扇，從而無風(fēng)摩耗或減少風(fēng)摩耗，故永磁同步電動機一般比同規(guī)格異步電動機效率可提高28，并且

16、在很寬的負載變動范圍內(nèi)始終保持高的效率和功率因數(shù)，尤其在輕載運行時節(jié)能效果更顯著。 (2) 可滿足某些工業(yè)應(yīng)用需大的起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的動態(tài)需求 常規(guī)異步電動機起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)都有限，為達要求，需選擇更大容量的異步電動機，而到了正常運行狀態(tài)，異步電動機則又處于輕載運行狀態(tài)，效率和功率因數(shù)均較低。例如為油田抽油機設(shè)計的具有異步起動能力的永磁同步電動機，起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)可達3.6倍以上，效率可達94，功率因數(shù)可達0.95，既滿足了負載動態(tài)時大轉(zhuǎn)矩的要求，還具有很高的節(jié)能效果6。 (3) 能滿足低速直接驅(qū)動的需求 為了提高控制精度、減小振動噪聲、杜絕油霧帶來的不安全，也為了大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動的需求

17、，近年來對低速電動機的需求也不斷增長。如用于電梯拖動的永磁同步曳引機，轉(zhuǎn)矩提高了十幾倍，取消了龐大的齒輪箱，通過曳引輪直接拖動轎廂，明顯減小了振動和噪聲。又如船用吊艙式電力推進器，將低速大轉(zhuǎn)矩的永磁同步電動機置于船艙外的吊艙，無需原來的傳動系統(tǒng)，直接驅(qū)動螺旋槳，實現(xiàn)船舶的運行和控制。這是船舶驅(qū)動技術(shù)的又一發(fā)展，國外自上世紀九十年代已成功用于豪華郵輪、專用油輪等7。 (4) 能滿足多極高功率因數(shù)的需求 近年來，永磁同步電動機朝著多極化發(fā)展，多極電機可顯著減小定、轉(zhuǎn)子鐵心軛部高度，從而減小電機體積、減少鐵心用量。多極電機還顯著減小了定子端部長度，減小定子銅耗、從而減少發(fā)熱、提高了效率。如某安裝于轎

18、廂和井壁間隙的永磁同步電動機，轉(zhuǎn)子采用60極結(jié)構(gòu)，顯著縮短了定子線圈端部長度，實現(xiàn)無機房電梯。若仍用異步電動機驅(qū)動，隨著極數(shù)增加，其功率因數(shù)明顯降低，在輕載和空載時，功率因數(shù)將更低，因此在y型系列電機中，10極電機已不多見。而該60極永磁同步電動機功率因數(shù)高達0.98，空載、輕載時甚至可達1，節(jié)能效果明顯。 (5) 高功率密度的需求 艦船、車輛受體積所限，要求電動機要有高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度。永磁同步電動機由于無需激磁繞組，空間結(jié)構(gòu)小，高性能的釹鐵硼永磁材料具有高剩余磁感應(yīng)強度和高矯頑力，從而可提供很高的磁負荷，使電機尺寸縮小。有些并聯(lián)供磁的電機，磁負荷甚至可高達1特斯拉以上。傳統(tǒng)電機的齒槽結(jié)

19、構(gòu)，約束著磁負荷和電負荷的關(guān)系，過高的磁負荷將減小放置繞組的空間，成為實現(xiàn)高功率密度的瓶頸。1986年德國h.weh教授首先提出橫向磁場永磁電機（transversefluxpmmachinetfm）的設(shè)想，該設(shè)想一反傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使電機的磁負荷和電負荷不再相互制約，特別適合高功率密度、大轉(zhuǎn)矩、低速和直接驅(qū)動的場合。橫向永磁電機我國目前還處于實驗研究階段。英國研制的用于艦艇的橫向磁場電機，功率達10mw，轉(zhuǎn)速為180r/min。此外橫向磁場電機在風(fēng)力發(fā)電和海洋潮汐發(fā)電中也有應(yīng)用。 (6) 能夠滿足運動控制系統(tǒng)的需求 目前電氣傳動技術(shù)已從簡單的速度控制發(fā)展到運動軌跡控制。由于永磁同步電動機比異步電動

20、機更易于實現(xiàn)磁場定向矢量變換控制，因此近年來永磁同步伺服電動機系統(tǒng)成了高精度數(shù)控機床、機器人等高科技設(shè)備的主流。在某些場合，甚至實現(xiàn)了1000001的調(diào)速范圍和小于12的低速轉(zhuǎn)矩波動。外國產(chǎn)品幾乎占據(jù)了國內(nèi)所有市場，功率一般為20w15kw。我國交流伺服電動機和驅(qū)動器，尚處在發(fā)展初期。 此外機械加工設(shè)備的更新，需要各種永磁同步電動機。 第3章 車用永磁同步電機設(shè)計過程31電機基本設(shè)計參數(shù) 本電動機是為滿足一般小型乘用車的使用而設(shè)計的，完成一般客運的功率提供功能，其基本設(shè)計參數(shù)如下：額定功率 ：；額定轉(zhuǎn)速 ：；額定線電壓 ：380v；額定效率 ：；絕緣等級 ：f；起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù) ：2.6；定子外徑

21、 ：0.26m；定子內(nèi)徑 ：0.17m；氣隙長度 ：0.065m；轉(zhuǎn)子內(nèi)徑 ：0.06m；鐵心長度 ：0.19m；定轉(zhuǎn)子槽數(shù) ：36/32；鐵心材料 ：dw315-50；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式內(nèi)置徑向型。32電機結(jié)構(gòu)本電機適用于1.5噸以下車輛，采用徑向磁場、繞組內(nèi)置、w型轉(zhuǎn)子導(dǎo)條結(jié)構(gòu)，其大致尺寸如下圖：圖3-1本電機設(shè)計尺寸33永磁同步電動機的穩(wěn)態(tài)性能分析331穩(wěn)態(tài)運行和相量圖正弦波永磁同步電動機（以下簡稱永磁同步電動機）與電勵磁凸極同步電動機有著相似的內(nèi)部電磁關(guān)系，故可采用雙反應(yīng)理論來研究。需要指出的是，由于永磁同步電動機轉(zhuǎn)子直軸磁路中永磁體的磁導(dǎo)率很小，使得電動機直軸電樞反應(yīng)電感一般小于交軸電樞反

22、應(yīng)電感，這一點異于電勵磁凸極同步電動機。電動機穩(wěn)定運行于同步轉(zhuǎn)速時，根據(jù)雙反應(yīng)理論可寫出永磁同步電動機的電壓方程8： （3-1）式中 永磁氣隙基波磁場所產(chǎn)生的每相空載反電動勢有效值（v）； 外施相電壓有效值（v）； 定子相電流有效值（a）； 定子繞組相電阻（）；、直、交軸電樞反應(yīng)電抗（）； 定子漏抗（）； 直軸同步電抗， （3-2）交軸同步電抗， （3-3）、直、交軸電樞電流（a） （3-4） 與的夾角（），稱為內(nèi)功率因數(shù)角，超前時為正。 由電壓方程可以畫出永磁同步電動機不同情況下穩(wěn)定運行時的典型相量圖，如下圖所示。圖3-2永磁電機的幾種典型向量圖其中為氣隙和成基波磁場所產(chǎn)生的電動勢；為氣隙和

23、成基波磁場直軸分量所產(chǎn)生的電動勢，稱為直軸內(nèi)電動勢；為超前的角度，即功率角，也成為轉(zhuǎn)矩角，這一角度與輸入功率、輸出功率密切相關(guān)；為電壓超前定子相電流的角度，即功率因數(shù)角9。圖d中所示是直軸增，去磁臨界狀態(tài)（即與相同）下的相量圖，由此可列出如下電壓方程： （3-5）從而可以求得直軸增、去磁臨界狀態(tài)時的空載反電動勢 （3-6） 上式通常用來判斷所設(shè)計的電動機是運行于增磁狀態(tài)還是運行于去磁狀態(tài)。實際值由永磁體所產(chǎn)生的空載氣隙磁通算出比較與，若前者大于后者，則電動機運行于去磁工作狀態(tài)，反之將運行于增磁工作狀態(tài)。且由上圖可知，要使電動機運行于單位功率因數(shù)（圖3-2b）或容性功率因數(shù)狀態(tài)(圖3-2a)，只

24、有設(shè)計在去磁狀態(tài)時才能達到10。332穩(wěn)態(tài)運行性能分析計算 永磁同步電動機的穩(wěn)態(tài)運行性能包括：效率、功率因數(shù)、輸入功率、電樞電流與輸出功率之間的關(guān)系以及失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)等。3321電磁轉(zhuǎn)矩和矩角特性從圖3-2中可得到以下關(guān)系： （3-7） （3-8） （3-9） （3-10） 從式（3-9）（3-10）中整理得定子電流的直、交軸分量： （3-11） （3-12）定子相電流 （3-13） 而電動機的輸入功率（w）可表示為 （3-14） 忽略定子電阻，由式（3-14）可得電動機的電磁功率（w） (3-15)除以電動機的機械角速度，即可得電動機的電磁轉(zhuǎn)矩（nm） （3-16）式中 電動機的電角速度； 電

25、動機的極對數(shù)。 （a） （b）圖3-3是永磁同步電動機的矩角特性曲線。圖3-3（a）為計算所得的“（電磁轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩）轉(zhuǎn)矩角”曲線，圖中曲線1為式（16）第一項，即永磁氣隙磁場與定子電樞反應(yīng)磁場相互作用產(chǎn)生的基本電磁轉(zhuǎn)矩，又稱永磁轉(zhuǎn)矩；曲線2為式（16）中第二項，既由于電動機d、q軸磁路不對稱而產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩；曲線3為曲線1與曲線2的合成。由于永磁同步電動機直軸同步電抗一般小于交軸同步電抗，磁阻轉(zhuǎn)矩為一負正弦函數(shù)，因而矩角特性曲線上最大之所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩角大于，這是永磁同步電動機一個值得注意的特點。圖（b）為本同步電動機的“（輸出轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩）-轉(zhuǎn)矩角曲線”11。矩角特性上的轉(zhuǎn)矩最大值被稱為永

26、磁同步電動機的失步轉(zhuǎn)矩，如果負載轉(zhuǎn)矩超過此值則電動機將不再能保持同步轉(zhuǎn)速。最大轉(zhuǎn)矩與電動機額定轉(zhuǎn)矩的比值稱為永磁同步電動機的失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)12。3322工作特性曲線 計算出電動機的、和等參數(shù)后，給定一系列不同的轉(zhuǎn)矩角，便可求出相應(yīng)的輸入功率、定子相電流和功率因數(shù)等，然后求出電動機此時的損耗，便可得到電動機的輸出功率和效率，從而得到電動機穩(wěn)態(tài)運行性能與輸出功率之間的關(guān)系曲線。圖3-4本設(shè)計中平底槽電機的工作特性曲線（每槽導(dǎo)體數(shù)=5） 由圖3-4可見，輸出功率的不斷增大，要求有更大的輸入功率，即要求有更高的定子相電流提供更強的磁場。同時也可看到，在低功率運行時電動機的效率和功率因數(shù)是很低的。電動機的

27、工作曲線圖是電動機的工作性能重要體現(xiàn)。333損耗分析計算 永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)運行時的損耗包括下列四項3331定子繞組電阻損耗 常規(guī)計算公式： （3-17）3332鐵心損耗 永磁同步電動機的鐵耗不僅與電動機所采用的硅鋼片材料有關(guān)，而且隨電動機的工作溫度、負載大小的改變而變化。這是因為電動機溫度和負載的變化導(dǎo)致電動機中永磁體體工作點改變，定子齒、軛部磁密也隨之變化，從而影響到電動機的鐵耗。工作溫度越高，負載越大，定子齒、軛部的磁密越小，電動機的鐵耗就越小14。永磁同步電動機鐵耗的準確計算非常困難。這是因為永磁同步電動機定子齒、軛磁密飽和嚴重，且磁通諧波含量非常豐富的緣故。工程上常采用與感應(yīng)電動機鐵

28、耗計算類似的公式，然后根據(jù)試驗值進行修正。永磁同步電動機在某負載下運行時，從相量圖中可求出其氣隙基波合成電動勢（v） （3-18）氣隙合成磁通（wb） （3-19）其中 電源頻率（hz）； 繞組因數(shù)； n定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；氣隙磁場的波形系數(shù)。由不難求出定子齒、軛部磁密，進而求出電動機的鐵耗。3333機械損耗 永磁體同步電動機的機械損耗與其它電機一樣，可根據(jù)實測值或參考其它電機機械損耗的計算方法。3334雜散損耗 永磁同步電動機雜散損耗目前沒有還沒有一個準確實用的計算公式，一般取根據(jù)具體情況和經(jīng)驗取定。 隨著負載的增加，電動機電流隨之增大，雜散損耗近似隨電流的平方關(guān)系增大。當定子相電流為時電

29、動機的雜散損耗（w）可用下式近似計算： 其中 電動機額定相電流（a）； 電動機輸出額定功率時的雜散損耗（w）。34 磁路分析與計算341 磁路計算特點進行永磁同步電動機磁路計算時，一般采用通常的電機磁路的磁位差計算方法。永磁同步電動機的空載氣隙磁密波形如圖3-4所示。圖3-5永磁同步電動機空載氣隙磁密波形1-氣隙磁密 2-基波 3-三次諧波 4-五次諧波圖3-4為永磁同步電動機實測氣隙磁密波形（不涉及定子槽開口時）。圖中永磁同步電動機的空載氣隙磁密波形基本上為一平頂波，與感應(yīng)電動機的氣隙磁密波形相差較大，而與直流電機的空載氣隙磁密波形相似。磁路計算時，永磁同步電動機的空載氣隙磁密波形可近似簡化

30、為圖3-5所示的矩形波15。圖3-6永磁同步電動機空載氣隙磁密近似波形圖3-7內(nèi)置混合式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)3411計算極弧系數(shù)永磁同步電動機轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)形式不同，其極弧系數(shù)和計算極弧系數(shù)的計算公式也不同。對采用圖3-6轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的永磁同步電動機，經(jīng)電磁場計算個氣隙磁密波形分析，存在如下關(guān)系： （3-20） （3-21）式中 永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子槽數(shù)； 電動機定子極距（cm）； 氣隙長度（cm）。3412氣隙磁場波形系數(shù)如圖3-5所示，經(jīng)傅立葉級數(shù)分解后，可得到永磁同步電動機空載氣隙磁密基波幅值（t） （3-22）因此，永磁同步電動機的空載氣隙磁密波形系數(shù) （3-23）永磁同步電動機空載時永磁體提供

31、的氣隙磁通（wb） （3-24）式中 永磁體提供每級磁通的面積（）；空載時永磁體提供的氣隙基波磁通（wb） （3-25）式中 電樞計算長度（cm）。因此，電機基波磁通與氣隙總磁通之比，即永磁同步電動機氣隙磁通的波形系數(shù) （3-26）由式（3-26）可知，的大小影響氣隙基波磁通與氣隙總磁通的比值，即影響永磁材料的利用率。342 永磁體工作點的計算3421空載和負載工作點的計算特點 永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)包括：徑向式、切向式和混合式。本設(shè)計采取徑向式結(jié)構(gòu)。永磁體磁動勢源的計算磁動勢 （3-27）永磁體虛擬內(nèi)稟磁通 （3-28） 式中 ，在工作溫度下永磁材料的計算剩磁密度和計算矯頑力。 為經(jīng)磁

32、路計算所得的電動機每對極主磁路的總磁位差（a），其值為 （3-29）式中 、分別為電動機每對極的氣隙、定子齒、定子軛、轉(zhuǎn)子齒、轉(zhuǎn)子軛等部位的磁位差（a）。 永磁同步電動機直軸電樞磁動勢（a/極） （3-30）則其作用于永磁體的去磁磁動勢標么值 （3-31）式中 電機直軸電樞磁動勢折算系數(shù)。將上述式（3-27）至式（3-31）進行迭代計算（在迭代計算中具體論述）即得到永磁體工作點。35永磁同步電動機參數(shù)計算和分析351空載反電動勢空載反電動勢時永磁同步電動機一個非常重要的參數(shù)。（v）由電動機中永磁體產(chǎn)生的空載氣隙基波磁通在電樞繞組中感應(yīng)產(chǎn)生，其值為 （3-32）的大小不僅決定了電動機是運行于去磁

33、狀態(tài)還是增磁狀態(tài)，而且對電動機的動、穩(wěn)態(tài)性能有很大的影響。合理設(shè)計可降低定子電流，提高電動機效率，降低電動機的溫升。352交、直軸電樞反應(yīng)電抗對于一臺內(nèi)置式永磁同步電動機的電磁場進行數(shù)值計算不難發(fā)現(xiàn)：當電動機直軸電流從0.005增大到時，其直軸電樞反應(yīng)電抗從33.0增至35.0；而交軸電流從0.008增大到時，交軸電樞反應(yīng)電抗從124.4降至89.7?？梢?，在計算永磁同步電動機的交、直軸電抗時，可不考慮的非線性，但必須考慮交軸磁路的飽和對的影響?？紤]交軸磁路飽和時需迭代求解，其步驟在迭代計算部分中具體闡述。353交、直軸電樞磁動勢折算系數(shù) 交、直軸電樞磁動勢折算系數(shù)和反映了電動機磁路結(jié)構(gòu)對電動

34、機電樞反應(yīng)電抗和的影響。轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，電動機的交、直軸電樞磁動勢折算系數(shù)也各有差別。由定義有：，?？捎墒剑?-23）得到，、為電動機交、直軸電樞反應(yīng)磁密的波形系數(shù)。 對本設(shè)計，可取=1，因而其直、交軸電樞磁動勢折算系數(shù)為 （3-33）或者由經(jīng)驗給出。本設(shè)計中取=1，=0.36。3.6異步起動永磁同步電動機的設(shè)計特點異步起動永磁同步電動機一般應(yīng)用于要求高效的場合，因而對電動機的要求主要是效率高、功率因數(shù)高、起動品質(zhì)因數(shù)（）高和單位功率的永磁體用量省等。361主要尺寸和氣隙長度的選擇異步起動永磁同步電動機的主要尺寸與普通電動機的主要尺寸一樣，包括定子沖片內(nèi)徑和電樞計算長度。一般來說，異步起動永

35、磁同步電動機的設(shè)計可能有以下三種情況：1）替代原來的感應(yīng)電動機或原有性能較差的永磁同步電動機。在這種情況下，待設(shè)計的永磁同步電動機一般要求與原來電動機同中心高，顧客在原來電動機主要尺寸的基礎(chǔ)上進行初步的估算，然后再調(diào)整設(shè)計，直至電動機設(shè)計成功。2）要求待設(shè)計的永磁同步電動機直接利用某特定的定子沖片，以提高電動機定子沖片的通用性和縮短電動機的研制周期。在這種情況下，由給定的定子沖片既可知道定子沖片內(nèi)徑，再由電動機的功率和電機常數(shù)選擇電樞計算長度。3）僅給定電動機的性能指標，而無其它限制。此時選擇電動機主要尺寸的自由度要比前兩種情況大得多。根據(jù)預(yù)估的電磁負荷，由電動機的功率和轉(zhuǎn)速可選定電動機的，然

36、后憑經(jīng)驗選取一定的主要尺寸比，得出電動機的主要尺寸。一般來說，如無其它限制，電動機的主要尺寸比應(yīng)選小一點，以便于在轉(zhuǎn)子內(nèi)部放置更多的永磁材料。永磁同步電動機為減小過大的雜散損耗，降低電動機的震動與噪聲和便于電動機的裝配，其氣隙長度一般要比同規(guī)格感應(yīng)電動機的氣隙大。且電動機中心高度越大，永磁同步電動機的氣隙長度比感應(yīng)電動機的氣隙大得也越多。362永磁體設(shè)計永磁體的尺寸主要包括永磁體的軸向長度、磁化方向長度和寬度。永磁體的軸向長度一般取得與電動機鐵心軸向長度相等或稍小于鐵心軸向長度，因此實際上只有兩個永磁體尺寸（即和）需設(shè)計。設(shè)計時，應(yīng)考慮下列因素：1）的確定應(yīng)是電動機的直軸電抗。因為是決定的一個

37、重要因素，而又影響電動機的許多性能。2）不能過薄。這主要是從兩方面考慮：一是將導(dǎo)致永磁體生產(chǎn)的廢品率上升，永磁體成本提高，且使用磁體不易運輸和裝配；二是永磁體太薄將使其易于退磁。3）設(shè)計應(yīng)使永磁體工作與最佳工作點。因為電動機中永磁體的工作點更大程度上取決于永磁體的磁化方向長度。4）為調(diào)整電動機的性能，常常要調(diào)整，因為直接決定了永磁體能夠提供磁通的面積。當要求電動機磁負荷較高時，應(yīng)選擇能安裝更多永磁體，也就是能安裝更大的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。永磁體尺寸除影響電動機的運行性能外，還影響著電動機中永磁體的空載漏磁系數(shù)，從而也決定了永磁體的利用率。計算結(jié)果表明，永磁體尺寸越大，越小。經(jīng)過一些列推導(dǎo)，可得內(nèi)置徑

38、向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)永磁體尺寸的預(yù)估公式為 （3-34）式中 電動機的飽和系數(shù)，其值可取1.05-1.3； 與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，其取值范圍為0.7-1.2。363電樞繞組設(shè)計 異步起動永磁同步電動機的繞組可采用與普通交流電動機一樣的三相繞組。由于永磁同步電動機由永磁體勵磁，氣隙磁場諧波較多，使電動式中的諧波也較多。因此，為設(shè)計高性能的電動機，必須在繞組設(shè)計上采取一定的措施。異步起動永磁同步電動機通常采用y接的雙層短距繞組以避免電動機繞組中產(chǎn)生環(huán)流，并削弱電動式諧波。永磁同步電動機的繞組匝數(shù)和線規(guī)可根據(jù)電動機的電磁負荷、定子槽形尺寸和槽滿率的限制來確定。37異步啟動同步電動機設(shè)計中的迭代計算371

39、迭代計算一般方法迭代法也稱輾轉(zhuǎn)法，是一種不斷用變量的舊值遞推新值的過程,跟迭代法相對應(yīng)的是直接法（或者稱為一次解法），即一次性解決問題。迭代法又分為精確迭代和近似迭代?！岸址ā焙汀芭ｎD迭代法”屬于近似迭代法。迭代算法是用計算機解決問題的一種基本方法。它利用計算機運算速度快、適合做重復(fù)性操作的特點，讓計算機對一組指令（或一定步驟）進行重復(fù)執(zhí)行，在每次執(zhí)行這組指令（或這些步驟）時，都從變量的原值推出它的一個新值。 利用迭代算法解決問題，需要做好以下三個方面的工作： 1）確定迭代變量。在可以用迭代算法解決的問題中，至少存在一個直接或間接地不斷由舊值遞推出新值的變量，這個變量就是迭代變量。 2）建立

40、迭代關(guān)系式。所謂迭代關(guān)系式，指如何從變量的前一個值推出其下一個值的公式（或關(guān)系）。迭代關(guān)系式的建立是解決迭代問題的關(guān)鍵，通?？梢允褂眠f推或倒推的方法來完成。 3）對迭代過程進行控制。在什么時候結(jié)束迭代過程？這是編寫迭代程序必須考慮的問題。不能讓迭代過程無休止地重復(fù)執(zhí)行下去。迭代過程的控制通?？煞譃閮煞N情況：一種是所需的迭代次數(shù)是個確定的值，可以計算出來；另一種是所需的迭代次數(shù)無法確定。對于前一種情況，可以構(gòu)建一個固定次數(shù)的循環(huán)來實現(xiàn)對迭代過程的控制；對于后一種情況，需要進一步分析出用來結(jié)束迭代過程的條件。下面我們使用上述方法對有關(guān)電動機設(shè)計的三個重要問題進行迭代計算。372異步起動永磁同步電機

41、設(shè)計中的涉及的三個迭代過程3721空載永磁體工作點的確定永磁體空載工作點的標么值為，在設(shè)計電動機過程中占有重要地位，影響著電機的多種性能。在標么值表示情況下，退磁曲線可用解析式表達。圖3-8退磁曲線及永磁體工作點示意圖電機空載時，電樞磁動勢的標么值=0，有 （3-35）式中 空載時用瓷體向外磁路提供的總磁通的標么值； 空載時永磁體向外磁路提供的磁動勢的標么值。外磁路的有關(guān)各參數(shù)可表示為 （3-36）式中 主磁導(dǎo)標么值； 漏磁導(dǎo)標么值； 合成磁導(dǎo)標么值； 空載漏磁系數(shù)。解得 （3-37）從而得出空載永磁體工作點（，）。以上是線性等效磁路下的工作點計算，但通常情況下永磁電機的磁路是飽和的，不是常數(shù)

42、。尤其是磁路飽和程度比較高時，空載、額定工況和最大去磁時的隨飽和程度不同而變化較大，而且與相互制約，此時就需要運用迭代方法求解。圖3-9計算框圖圖3-8以框圖的形式給出了的迭代計算過程，具體的計算過程如下：1）假設(shè)2）計算此時空載主磁通 （3-38）3）氣隙磁密 （3-39）4）氣隙磁位差 直軸磁路 （3-40） 交軸磁路 （3-41）式中 永磁體延磁化方向與永磁體槽間的間隙。5）每對極總磁位差 （3-42）其中各項計算見計算書。6）主磁導(dǎo) （3-43）7）主磁導(dǎo)標么值 （3-44）8）外磁路總磁導(dǎo)標么值 （3-45）式中 空載漏磁系數(shù)。9）漏磁導(dǎo)標么值 （3-46）10）永磁體工作點 （3-

43、47）11）比較并確定誤差，當計算值與假設(shè)值之間誤差超過1%，則應(yīng)回到步驟1）重新設(shè)定，重復(fù)上述計算步驟。 本設(shè)計中的計算由計算機程序完成， 其中運用的c語言語句如下：printf(請輸入bm0的估計值(0.110); /*輸入工作點估計值*/ scanf(%f,&b_m0); /*賦值給變量b_m0*/while(true) /*計算*/if(bm0=b_m0)mi_b_m=bm0-b_m0; /*比較二者誤差*/else mi_b_m=b_m0-bm0;b_m0_=b_m0/100;if(mi_b_mb_m0_) /*當誤差大于1%時*/b_m0=bm0; /*將求得bm0回代到計算過程*

44、/continue; else printf(經(jīng)迭代,bm0=%fn,bm0);fprintf(fp,經(jīng)迭代,bm0=%fn,bm0); goto c; 其中“”部分表示上述步驟2）到步驟10）的計算過程。3722交軸電樞反應(yīng)電抗的計算對的計算，同的計算相似，由于在交軸磁路飽和時的是非線性的，而由式（3-12）及式 （3-48）可知與使相互制約的，從而得到如下迭代計算方法：1）給定某一轉(zhuǎn)矩角；2）假設(shè)交軸電流分量，則交軸電樞磁動勢 （3-49）式中 交軸電樞磁動勢折算系數(shù)。3）由求交軸氣隙基波磁通根據(jù)由預(yù)先算得的交軸-曲線查取相應(yīng)的；4）由求出交軸電樞反應(yīng)電動勢 （3-50）5）計算 （3-5

45、1）式中 定子漏抗。6）代入（3-12）求出交軸電流分量；7）比較和，重復(fù)進行步驟2）到步驟6）。本設(shè)計中所得-曲線如圖圖3-10-曲線圖在程序中所用到的語句如下：printf(請輸入交軸電流預(yù)估值i_q:(如20.00); scanf(%f,&i_q); /*輸入的預(yù)估值*/for(i=0;iiqi) if(i_qiqi+1) xaq_=xaqi+(xaqi+1-xaqi)*(i_q-iqi)/(iqi+1-iqi); break; else continue; else continue; /*根據(jù)輸入的在-曲線中查找xaq*/for(i=0;i0.01) i_q=iq_i; contin

46、ue; /*比較二者，如果誤差超過1%，將計算值回代重新計算*/ else break; /*如果誤差在允許范圍內(nèi)，停止迭代*/3723起動電流的求解 起動電流的求解與很多因素相制約，其中比較重要的是啟動總阻抗。由于其過程比較復(fù)雜且與前述兩個迭代過程在原理上比較相似，在論文正文中不再贅述，具體計算和迭代過程可見計算書。38起動電流過大的原因分析通過對起動電流的計算我們發(fā)現(xiàn)，在啟動過程中，最初的電流通常會超過額定電流很多，所得起動電流倍數(shù)為。圖3-11某電動機相電流隨時間變化曲線在感應(yīng)電動機起動的瞬間，轉(zhuǎn)子處于靜止狀態(tài)，與變壓器二次側(cè)短路的情況相似，定子與轉(zhuǎn)子之間無電的聯(lián)系，只有磁的聯(lián)系。在電動

47、機接通的一瞬間，轉(zhuǎn)子因慣性還未轉(zhuǎn)起來，而旋轉(zhuǎn)磁場則以最大的切割速度切割轉(zhuǎn)子繞組，使轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)出很高的電勢，因而在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中流過很大的電流。這一電流產(chǎn)生抵消定子磁場的磁通，就像變壓器二次磁通要抵消一次磁通的作用一樣。而定子為了維持與當時電源電壓相適應(yīng)的原有磁通，就自動增加電流，因此轉(zhuǎn)子與定子的電流都大大增加，甚至高達額定電流的7倍以上，這就是感應(yīng)電動機起動電流大的原因。起動后，隨著電動機轉(zhuǎn)速的增大，定子磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的速度減小，因此轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電熱和電流都減小，同時定子電流中用來抵消轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生的磁通影響的那一部分電流也相應(yīng)減小。所以，隨著電動機轉(zhuǎn)速的增大，定子中的電流就從起動電流逐步恢