永磁同步電動機設計及結構設計(論文)

1、 湖南工程學院畢業(yè)設計論文畢 業(yè) 設 計 論 文題 目 永磁同步電動機的設計及結構的研究 （院）系 電氣與信息工程系 專業(yè) 電氣工程及其自動化 班級0 學號 0 號學生姓名 高富帥 導師姓名 完成日期 2005年6月8日 目 錄摘 要1Abstract2第1章 緒 論31.1永磁性材料簡述31.1.1 稀土永磁材料31.1.2 其它永磁材料41.1.2.1 鋁鎳鈷永磁51.1.2.2 鐵氧體永磁材料61.1.2.3 粘結永磁材料61.2 永磁同步電機的發(fā)展概況61.2.1永磁同步電機在國內(nèi)的發(fā)展概況71.2.2永磁同步電機在同外的發(fā)展概況71.3 永磁同步電動機的分類81.3.1永磁同步電動機

2、簡介81.3.2 永磁同步電動機的分類81.4 永磁同步電動機的主要特點和應用9第2章 永磁材料的性能和選用112.1 永磁材料磁性能的主要參數(shù)112.1.1 退磁曲線112.1.2 回復曲線122.1.3 內(nèi)稟退磁曲線132.1.4 穩(wěn)定性142.2 永磁材料的選擇和應用注意事項152.2.1 永磁材料的選擇152.2.2 永磁材料的應用注意事項16第3章 永磁同步電動機的結構和基本理論163.1永磁同步電動機的結構183.1.1永磁同步電動機的總體結構183.1.2永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子磁路結構193.1.2.1表面式轉(zhuǎn)子磁路結構203.1.2.2內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結構213.1.2.3爪極式轉(zhuǎn)

3、子磁路結構233.1.3隔磁措施233.2 永磁同步電動機的基本理論233.2.1 穩(wěn)態(tài)運行和相量圖233.2.2永磁同步電動機的穩(wěn)態(tài)性能分析和計算253.2.2.1 電磁轉(zhuǎn)矩和矩角特性253.2.3 工作特性曲線273.3 永磁同步電動機的磁路分析與計算273.3.1 磁路計算特點273.4 異步起動永磁同步電動機的起動過程283.4.1起動過程中的平均轉(zhuǎn)矩293.4.2起動過程中的定子電流293.4.3牽入同步機理30第4章 異步起動永磁同步電動機電磁計算方案314.1 額定數(shù)據(jù)和技術要求314.2 主要尺寸324.3 永磁體計算334.4 定、轉(zhuǎn)子沖片計算344.4.1定子沖片計算344

4、.4.2轉(zhuǎn)子沖片計算354.5 繞組計算364.6 磁路計算384.7 參數(shù)計算414.8 交軸磁化軸線XaqIq計算454.9 工作特性計算454.10起動性能計算48第5章 方案分析485.1 主要尺寸分析及氣隙長度的選擇545.2 永磁體計算方案分析545.3 定、轉(zhuǎn)子計算方案分析555.3.1 定、轉(zhuǎn)子槽配合的選擇555.3.2電樞繞組設計方案分析555.3.3 轉(zhuǎn)子計算方案分析565.4 磁路計算分析575.5 主磁導和漏磁導分析575.6 起動性能計算分析585.7 提高異步起動永磁同步電動機效率和功率因數(shù)的措施59結束語 62參考文獻 63致 謝 64附 圖A磁同步電動機的總體結

5、構圖65 湖南工程學院畢業(yè)設計論文永磁同步電動機的設計和結構的研究摘 要： 本文圍繞永磁同步電動機的設計研究開展工作，扼要闡述了稀土永磁電機。對永磁同步電動機（PMSM）的研究現(xiàn)狀作了闡述。概況起來，本課題所做的工作主要包括以下幾個部分： 第一部分，本文介紹各種永磁材料及永磁同步電動機，并對永磁同步電動機的研究現(xiàn)狀作了闡述。第二部分，本課題以對一臺25KW的三相異步起動永磁同步電動機的設計為目標，針對永磁同步電動機的若干問題進行研究。其中包括：對其穩(wěn)態(tài)特性的分析；對其穩(wěn)態(tài)參數(shù)進行計算；對其起動等動態(tài)性能進行計算；對其結構進行設計；并進行相關的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)性能分析。本文根據(jù)自行設計的三相徑向式異步

6、起動稀土永磁同步電動機而撰寫。第三部分：本課題設計了一臺25KW異步起動的永磁同步電動機。本文對三相異步起動永磁同步電動機的電磁結構進行了相關設計，包括：對定子轉(zhuǎn)子結構設計；氣隙磁場的分布；對永磁體尺寸的設計與分析；對磁極結構進行設計與分析等等。進入二十一世紀后，我國的能源問題己經(jīng)成為關系到可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略順利進行的關鍵。根據(jù)統(tǒng)計，每年耗電量的百分之五十以上為感應電動機直接消耗。而中小型感應電機的效率及功率因數(shù)偏低，造成能源的大量浪費。如何提高感應電機的效率問題已成為人們關注的話題。自上個世紀八十年代以來，隨著異步起動永磁電動機的問世及隨后的快速發(fā)展，使這種構想成為可能。我國稀土資源豐富，進一步

7、為這種高性能、不需變頻驅(qū)動的永磁電機提供了廣大的發(fā)展空間。永磁同步電動機作為一種新型電動機，源其自身的技術優(yōu)勢和卓越性能，在相關支撐技術發(fā)展的推動下，必將會獲得更為廣闊的應用和發(fā)展空間。關鍵詞： 永磁材料； 永磁電機； 永磁同步電動機； 異步起動永磁同步電動機Studying of the Permanent Magnet Synchronous- -Motor s design and structureAbstract： This paper is carried out around the development of the three phase line-start Perman

8、ent Magnet Synchronous Motor(PMSM), This paper consist of six parts:The part one:the paper introduces a kinds of permanent magnet machine and permanent magnent materiale,and the studing status of Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM).The part two:The paper aimed at the three phase line-start Perm

9、anent Magnet Synchronous Motor (LSPMSM)accurate design and analysis,which includes many aspects: the analysis of its steady, the calculating of the steady synchronous parameters, the accurate calculation of its starting characteristic and the optimization of the structure. The testing line-start PMS

10、M is designed the author.The part three: A three phase line-start Permanent Magnet Synchronous Motor (LSPMSM) is developed . The equivalent magnet circuit method has been used to optimize the structure of the three line-start permanent magnet synchronous motor . By request of designing the motor , t

11、he designof the stator configuration , airgap flux distribution and parameters of motor,and so on,are researched.An effective mathod of design is implemented,according to the result of research.While the world stepping into the 21 century, the source exhaustion problem has to be taken into account a

12、nd can make any influence on our country's development.According to the statistic, the induction motor costs 50% of the electrical power produced by the power station every year. As we know, the small induction motor always has the lower power factor and efficiency, it can cost even more electri

13、cal power. The thought has been turned into realization in 1980s since the first line-start permanent magnet synchronous motor has been made.The richer rare-earth source gives our country much more opportunity to develop the line-start permanent magnet synchronous motor.As a new style motor . due to

14、 its technology superiority amd brilliant function.Permanent Magnet Synchronous Motor is bound to gain wider space of use and development in coming new centurt. Keyworlds: permanent magnet material；permanent magnet machine; permanent magnet synchronous mator(PMSM); 第1章 緒 論永磁同步電動機的運行原理與電勵磁同步電動機相同。但它以

15、永磁體提供的磁通替代后者的勵磁繞組勵磁，使電動機結構較為簡單，降低了加工和裝配費用，且省去了容易出問題的集電環(huán)和電刷，提高了電動機運行的可靠性，又因無需勵磁電流，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得較多并在各個領域中得到越來越廣泛應用的一種電動機。1.1 永磁性材料簡述永磁電機的性能、設計制造特點和應用范圍都與永磁材料的性能密切相關。永磁材料種類眾多，性能差別很大，只有全面了解后才能做到設計合理，使用得當。因此，在研究永磁電機之前，首先從設計制造永磁電機的材料需要出發(fā)，扼要介紹電機中最常用的幾種主要永磁材料。1.1.1 稀土永磁材料稀土永磁體的磁能積比電磁鐵高得多

16、，其磁能量密度已接近超導裝置的水平。它的主要用途是用于同步或無刷直流電機。將磁體放入感應電機的轉(zhuǎn)子內(nèi)，其電機具有很高的效率和功率因數(shù)，可作為同步電機使用，也可以作為速度、轉(zhuǎn)矩和效率可控的直流無刷電機使用?，F(xiàn)在許多型號的電機，都有自己的功能和用途。在工業(yè)先進的國家，使用永磁體占20%左右，我們國家剛剛起步，稀土永磁電機的應用，主要取決于磁體的價格。近幾年來，釹鐵硼永磁材料的磁性能大幅度提高，熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性也有了較大的進展，價格也相對有所減低，國內(nèi)外都出現(xiàn)一個新的應用高潮。我國稀土資源豐富，稀土儲存量為世界其他各國存量之和的4倍，稀土礦石和釹鐵硼永磁燒結的產(chǎn)量已居世界前列。充分發(fā)揮我國稀土資源

17、豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應用稀土永磁電機，具有重要的意義。 在永磁電機產(chǎn)品結構方面，鋁鎳鈷和鐵氧體永磁幾乎各占一半市場，釹鐵硼永磁材料則以優(yōu)異的磁性能得到迅速發(fā)展。鐵氧體永磁以廉價的優(yōu)勢占據(jù)低檔電機的市場。鋁鎳鈷應用市場所占有的比例將相對減少，現(xiàn)有的大部分將被釹鐵硼取代。但由于鋁鎳鈷溫度穩(wěn)定性高，在高精度測速電機等信號類型微電機中仍然會占有一席之地。永磁同步電動機由于取消了勵磁繞組、集電環(huán)和勵磁柜，與普通電勵磁同步電動機相比，不僅提高了可靠性和維護性，其效率也有了較大提高；與異步電動機相比，不但效率提高，功率因數(shù)也大大改善。因此，研制中型高效稀土永磁同步電動機替代普通異步電動機和電勵磁同步電

18、動機，可改變目前我國電能浪費嚴重的現(xiàn)狀，帶來可觀的節(jié)能效果和顯著的經(jīng)濟社會效益。我國是稀土大國，稀土儲量占世界的80%，研究和開發(fā)中型高效稀土永磁同步電動機還可大面積推廣應用我國資源豐富的釹鐵硼永磁材料，變資源出口為高附加值產(chǎn)品出口，并促進稀土永磁材料行業(yè)、電機行業(yè)、風機水泵行業(yè)和石油化工行業(yè)的產(chǎn)品結構調(diào)整和更新?lián)Q代，產(chǎn)生以科技為先導的新的經(jīng)濟增長點，并促進一些重工業(yè)行業(yè)電機拖動方面的節(jié)能改造。稀土永磁電機的研究和開發(fā)大致可以分為三個階段:(1) 60年代后期和70年代，由于稀土鉆永磁價格昂貴，研究開發(fā)的重點是航空、航天用電機和要求高性能而價格不是主要因數(shù)的高科技領域。(2) 80年代，特別是

19、1983年出現(xiàn)價格相對較低的鋁鐵硼永磁后，國 內(nèi)外的研究開發(fā)重點轉(zhuǎn)移到工業(yè)和民用電機上，稀土永磁的優(yōu)異磁性能，加上電力電子器件和微機控制技術的迅猛發(fā)展，不僅使許多傳統(tǒng)的電勵磁電機紛紛用稀土永磁電機來取代，而且可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的電勵磁電機所難以達到的高性能。(3)進入90年代，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是鋁鐵硼永磁材料的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低，稀土永磁電機的研究開發(fā)進入了一個新的階段。目前，稀土永磁電機的單臺容量已經(jīng)超過1000kW，我國己制成了110kW和250kW的永磁同步電動機，其效率高達95%。德國制成的6相變頻電源供電的1095kW稀土永磁同步電動機，與過去使

20、用的直流電動機相比，體積減少到60%左右，總損耗降低了20%左右。從上敘述不難看出，稀土永磁材料各方面的性能和特點都優(yōu)于其它的永磁材料。所以，本課題設計的永磁同步電動機中永磁體選用稀土永磁材料。1.1.2 其它永磁材料1.2.2.1 鋁鎳鈷永磁鋁鎳鈷（AINio）永磁是20世紀30年代研制成功的。當時，它的磁性能最好，溫度系數(shù)又小，因而在永磁電機中應用得最多、最廣。60年代以后，隨著鐵氧體永磁和稀土永磁的相繼問世，鋁鎳鈷（AINio）永磁在電機中的應用被取代，所占比例呈下降趨勢。按加工工藝的不同，鋁鎳鈷（AINio）永磁分鑄造型和粉末燒結型兩種。前者的磁性能較高。后者的工藝簡單?？芍苯訅褐瞥伤?/p>

21、需形狀。在永磁電機中常用的是鑄造型。鋁鎳鈷永磁的顯著特點是溫度系數(shù)小， 僅為-0.02% 左右，因此，隨著溫度的改變磁性能變化很小，目前仍被廣泛用于儀器儀表類要求溫度穩(wěn)定性高的永磁電機中。這種材料的剩余磁感應強度較高，最高可達1.35T，但是它的矯頑力很低，通常小于160KA/m。它的退磁曲線呈現(xiàn)非線性變化。由于鋁鎳鈷永磁的回復線與退磁曲線并不重合，在磁路設計制造時要注意它的特殊性，由它構成的磁路必須事先對永磁體進行穩(wěn)磁處理，即事先人工預加可能發(fā)生的最大去磁效應，人為地決定回復線的起始點P的位置，使永磁電機在規(guī)定或預期的運行狀態(tài)下，回復線的起始點不再下降。鋁鎳鈷永磁電機的磁極上通常都有極靴且備

22、有再充磁繞組，使其可以再次充磁來恢復應有的磁能。依據(jù)鋁鎳鈷永磁材料矯頑力低的特點，在使用過程中，嚴格禁止它與任何鐵器接觸，以免造成局部的不可逆嬡辜勤辜通頒的畸變。另外，為了加強它的抗去磁能力，鋁鎳鈷永磁磁極往往設計成長柱體或長棒形。鋁鎳鈷永磁硬而脆，可加工性能較差，僅能進行少量磨削或電火花加工，因此加工成特殊形狀比較困難。1.2.2.2 鐵氧體永磁材料鐵氧體永磁材料屬于非金屬永磁材料，在電機中常用的有兩種。鋇鐵氧體（）和鍶鐵氧體（）。它們的磁性能相差不多，而鍶鐵氧體的Hc值略高于鋇鐵氧體，更適于在電機中使用。鐵氧體永磁的突出優(yōu)點：價格低廉，不含稀土元素、鈷、鎳等貴金屬；制造工藝也較為簡單；矯頑

23、力較大，Hc為128 320KA/m，抗去磁能力較強，密度小，只有4 5.2g/,質(zhì)量較輕；退磁曲線接近于直線，或者說退磁曲線的很大一部分接近直線，回復線基本上與退磁曲線的直線部分重合，可以不需要象鋁鎳鈷永磁那樣進行穩(wěn)磁處理，因而在電機中應用最為廣泛，是目前電機中用量最大的永磁材料。鐵氧體永磁的主要缺點：剩磁密度不高，Br僅為0.2 0.44T，最大磁能積僅為6.4 40 。因而需要加大提供磁通的截面積，使電機體積增大，環(huán)境溫度對磁性能的影響大，剩磁溫度系數(shù)為，矯頑力溫度系數(shù)為。必須指出，鐵氧體永磁的為正值，其矯頑力隨溫度的升高而增大，隨溫度降低而減小，這與其化幾種常駐用永磁材料不同。因此，鐵

24、氧體永磁在使用時要進行最低環(huán)境溫度時最大去磁工作點的校核計算，以防止在低溫度時產(chǎn)生不可逆退磁。另外，鐵氧體永磁材料硬而脆，且不能進行電加工，僅能切片和進行少量磨加工，通常彩軟質(zhì)砂輪，最好選用R3碳化硅砂輪，并且磨削速度要適當，磨削中要用水充分冷卻，這樣既能加快磨削速度，又不致磨裂永磁體。1.2.2.3 粘結永磁材料粘結永磁材料是用樹脂、朔料或低熔點合金材料為粘結劑，與永磁材料粉末均勻混合，然后用壓縮、注射或擠壓成形等方法制成的一種復合型永磁材料。按所用永磁材料種類不同。分為粘結鐵氧體永磁、粘結鋁鎳鈷永磁、粘結稀土永磁和粘結釹鐵硼永磁。通常的鑄造或燒結永磁體相比，粘結磁體因含有粘結劑而使磁性能稍

25、差，但卻具有如下的顯著優(yōu)點：1）形狀自由度大 容易制成形狀復雜的磁體或薄壁環(huán)、薄片關磁體。注射成形時還能嵌入其化零件一起成形。2）尺寸精度高，不變形 燒結磁體的收縮率為13% 27%，而粘結磁體的收縮率只有0.2% 0.5%。不需要二次加工就能制成高精度的磁體。3）產(chǎn)品性能分散性小 合格率訓，適于大批量生產(chǎn)。4）機械強度高 不易破碎，可進行切削加工。5）電阻率啟、易于實現(xiàn)多極充磁。6）原材料利用率高 澆口、邊角料、廢品等進行退磁處理，粉碎后能簡單地再生使用。7）密度小、質(zhì)量輕。因此，采用粘結永磁體，可以簡化電機制造工藝，并且能獲得良好的電機性能，特別是對于一次成形的多極轉(zhuǎn)子或多極定子。采用粘結

26、永磁體有它得天獨厚的優(yōu)點，深受用戶歡迎.1.2 永磁同步電機的發(fā)展概況 國內(nèi)外對開發(fā)高效電動機都很重視。各國學者和研究人員都紛紛致力于高磁場永磁材料，永磁式電動機及其驅(qū)動系統(tǒng)的理論和應用研究，取得了卓有成效的研究和開發(fā)成果。 1.2.1 永磁同步電機在國內(nèi)的發(fā)展概況自20世紀80年代開始，我國學者和研究人員都紛紛致力于高磁場永磁材料，永磁式電動機及其驅(qū)動系統(tǒng)的理論和應用研究，并取得了卓有成效的研究和開發(fā)成果。國內(nèi)在高效永磁電機的研究開發(fā)方面做了大量的工作，先后有沈陽工業(yè)大學、西北工業(yè)大學、華中理工大學、清華大學、上海電器科學研究所等相繼進行高效永磁電機研制開發(fā)，取得許多成果。特別是0.8KW紡

27、織專用永磁同步電動機，效率高達91%，功率因數(shù)高于0.95，節(jié)電率高達10%以上，批量生產(chǎn)后獲得用戶好評。我國已開發(fā)的容量較大的有上海電機廠開發(fā)的110KW和北京重型電機廠開發(fā)的250KW高效釹鐵硼永磁同步電動機。首鋼機電有限公司電機廠與沈陽工業(yè)大學工程院院士唐任遠教授合作，歷時年共同研制開發(fā)了TYX300-4300KW稀土永磁電機,此項目是國家高技術研究發(fā)展(863)計劃重大項目“釹鐵硼電機應用產(chǎn)品開發(fā)”(863-Z37-03)增補項目。該電機經(jīng)北京重型電機廠試驗，啟動性能、電機效率、功率因數(shù)、過載倍數(shù)等各項指標都達到預期的良好效果。通過在首鋼動力廠二供水車間9泵站方坯二冷系統(tǒng)2#機(47D

28、)號泵位運行，各項主要指標(效率、功率因數(shù)、起動、過載)遠超過被替代的原JS138-4300KW異步電機，節(jié)電效果顯著。目前，該電機是國內(nèi)運行的最大高壓永磁電機，而且各項技術指標都超過以往，尤其在中大型永磁電機里的節(jié)電率方面體現(xiàn)了較高的水平。目前，在我國包括微型特種電機，中小型電動機和大型發(fā)電機在內(nèi)的各類電機都可以采用永磁同步電機。例如，它可適用于汽車、儀表、鐘表、計算機外圍設備、航空設備、音像設備等。特別“八五”期間，我國不少專業(yè)研究單位和工礦企業(yè)在調(diào)整產(chǎn)品結構，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加速技術開發(fā)和全面實現(xiàn)產(chǎn)品國產(chǎn)化的主導思想基礎上，大力開展了永磁同步電動機及其驅(qū)動系統(tǒng)的實用性的應用研究，取得了相應

29、的開發(fā)性成果。隨著國民經(jīng)濟和科學技術的發(fā)展，特別是高新技術的迅速發(fā)展，對電機產(chǎn)品的性能和品種提出了許多的新的要求。從而也為電機產(chǎn)品獲得了更大的發(fā)展空間。我國許多高校和科研單位自上世紀80年代開始就紛紛開始進行高效率同步電動機的研制，取得了明顯的節(jié)能效果，0. 8kW 紡織專用永磁同步電動機，效率高達91%。我國已批量生產(chǎn)數(shù)控機床用的稀土永磁直流無刷電動機，調(diào)速比高達l: 100000。在我國，1990年生產(chǎn)的各類永磁式微型特種電機近7000萬臺，約占我國微特電機總產(chǎn)量的70%.1.2.2 永磁同步電機在同外的發(fā)展概況國外研制開發(fā)高效永磁電動機已有二十多年的歷史。1987年，法國CEM公司推出I

30、SOSYN系列0.5518.5KW稀土鈷永磁同步電動機，效率比一般異步電動機高2%8%,功率因數(shù)提高0.050.15，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為1.62.2倍。英國、前蘇聯(lián)、美國等也相繼推出類似系列產(chǎn)品，但功率普遍不大，最大不超過50KW。變頻調(diào)速的永磁同步電動機由于靠變頻器逐步提高電源頻率起動，轉(zhuǎn)子上無需安置起動籠，允許有較大的空間放置永磁體，可以制成較大功率的永磁電動機，目前已公布的世界上容量最大的變頻調(diào)速永磁電機是德國制造的1095KW船用電機。根據(jù)資料顯示，1990年日本的永磁式微型特種電機產(chǎn)量高達20億臺，1993年達到25億臺，接近 10 % 的年增長率。美國Electronicast公司預測，美

31、國永磁直流小功率電動機市場平均年增長率可達25 % 。1.3 永磁同步電機的分類1.3.1 永磁同步電動機簡介隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化的高度發(fā)展，電機產(chǎn)品越來越多地應用于各個工業(yè)領域，并且小型化、輕型化的產(chǎn)品愈來愈受到人們的青睞。眾所周知，電機是以磁場為媒介進行機械能和電能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置。為了在電機內(nèi)建立進行機電能量轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場，可以有兩種方法。一種是在電機繞組內(nèi)通以電流來產(chǎn)生磁場，即電勵磁電機。這種電勵磁電機既需要有專門的繞組和相應的裝置，又需要不斷供給能量以維持電流流動:另一種是由永磁體產(chǎn)生磁場，即永磁電機。由于永磁材料的固有特性，它經(jīng)過預先磁化以后，不再需要外加能量就能在其周圍空間

32、建立磁場，這樣既可簡化電機結構，又可以節(jié)約能量。所以永磁電機正是適用于目前的市場需求迅速的發(fā)展起來，并逐步替代電勵磁電機。稀土永磁的問世，特別是第三代稀土永磁鋁鐵硼永磁的出現(xiàn)，推動了電機產(chǎn)品相輕型化、高性能化發(fā)展，從而導致了電機產(chǎn)品的革命性變化。稀土永磁同步電機以轉(zhuǎn)子上稀土永磁體產(chǎn)生的勵磁代替普通同步電機的磁極繞組勵磁和異步電機的無功電流勵磁。因此，稀土永磁同步電機與前者向相比，去掉了電勵磁損耗，簡化了結構，大大提高了生產(chǎn)的工藝性;可避免從電網(wǎng)中吸取無功電流，提高了電機力能指標，減輕配電環(huán)節(jié)的負擔，提高電網(wǎng)的利用率。稀土永磁同步電機還以其同步后轉(zhuǎn)速恒定，便于多臺電機準確同步運行，并便于變頻調(diào)速

33、等優(yōu)點，進一步拓寬了其應用場合。由于轉(zhuǎn)子結構的不同，無論徑向或橫向的永磁轉(zhuǎn)子，都使永磁電機在三個方面不同于常規(guī)同步電機:(1) Xd明顯小于XQ；(2)勵磁在一定情況下是恒定的；(3)磁路的飽和效應比較強烈。1.3.2 永磁同步電動機的分類永磁同步電動機分類方法比較多：按工作主磁場方向的不同，可分為公式向磁場式和軸向磁場式；按電樞繞組位置的不同，可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式（常見式）和外轉(zhuǎn)子式；按轉(zhuǎn)子上有無起動繞組，可分為無起動繞組的電動機（用于變頻器供電的場合，利用頻率的逐步升高而起動，并隨著頻率的改變而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，常稱為調(diào)速永磁同步電動機）和有起動繞組的電動機（即可以用于調(diào)速運行又可以在某一頻率和電壓下利

34、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）；按供電電流小型的不同，可分為：方波驅(qū)動的永磁同步電動機和正弦波動的永磁同步電動機。主要的原因是由于轉(zhuǎn)子永磁磁極的磁場分別造成的，如圖所示(人們?yōu)榱藚^(qū)分二者，把梯形波驅(qū)動的永磁同步電動機稱為永磁無刷直流電動機，把正弦波驅(qū)動的永磁同步電動機稱為永磁同步電動機，除特別說明外，本文按梯形波驅(qū)動的永磁同步電動機稱為永磁無刷直流電動機，正弦波驅(qū)動的永磁同步電動機稱為永磁同步電動機方式命名)。圖1-2中E為轉(zhuǎn)子磁通所產(chǎn)生的反電動勢。 圖 1.3.2 永磁電機分類圖正弦波驅(qū)動的永磁同步電動機中沒有包含有高次諧波，渦流和磁滯損耗減少，電機效率增加。

35、正弦永磁同步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動低于梯形電動機，主要原因是正弦永磁同步電動機不存在相間換流時的沖擊電流，而沖擊電流正是梯形永磁同步電動機勵磁波形的特征所在。正弦波永磁同步電動機是主要的發(fā)展方向。本課題選用的正是正弦波永磁同步電動a)正弦波 b)梯形波圖1.3.2 兩種永磁同步電動機理想激勵波形1.4 永磁同步電機的主要特點和應用與傳統(tǒng)的電勵磁電機相比，永磁電機，特別是稀土永磁電機體積小、重量輕、慣性小、響應快、高轉(zhuǎn)矩/慣量比和高速度/重量比，高效率和高起動轉(zhuǎn)矩，高功率因數(shù)，以及省電和運行可靠等等顯著優(yōu)點。因而應用范圍極為廣泛，幾乎遍及航天、國防、工農(nóng)為生產(chǎn)和日常生活的各個領域。永磁同步電動同與

36、感應電動機相比，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)（可達到1、甚至達到容性），減少了定子電流和定子電阻損耗，進而可以因總損耗降低而減小風扇（小容量電機甚至可以去掉風扇）和相應的風摩損耗，從而使其效率比同規(guī)格感應電動機可提高2 8個百分點。而且，永磁同步電動機在25% 120%額定負載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著。這類電機一般都在轉(zhuǎn)子上設置起動繞組，臉有在某一頻率和電壓下直接起動的能力，又稱為異步起動同步電動機。由于釹鐵硼永磁同步電動機價格比同規(guī)格的感應電動機貴1倍左右，應用前需進行經(jīng)濟比較分析。目前主要應用于紡織化纖工業(yè)、陶瓷玻璃工業(yè)和年運行時間長的風

37、機、水泵等。我國許多高校和科研單位自1980年開始就紛紛進行高效永磁同步電動機的研制。取得了明顯的節(jié)能效果。特別是0.8KW紡織專用永磁同步電動機，效率高達91%，功率因數(shù)高于0.95。節(jié)電率高達10%以上，已經(jīng)進行批量生產(chǎn)并獲得用戶的一致好評。此外，與電勵磁同步電動機相比，永磁同步電動機省去了勵磁功率，提高了效率，簡化了結構，實現(xiàn)了無刷化。特別是100 250KW的永磁同步電動機。以110KW 8極電動機為例，其效率高達95% ，功率因數(shù)為0.916,起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為1.52，永磁體用量為0.15Kg/KW.但是永磁同步電動機制成后難以調(diào)節(jié)磁場以控制其功率因數(shù)和無功功率，需要從其化方面采取措施

38、。隨著電力電子技術的發(fā)展，和電子器件及變頻技術的進步，就磁同步電動機這方面的缺陷已不再限制其發(fā)展。第2章 永磁材料的性能和選用永磁電機的性能、設計制造特點和應用范圍都與永磁材料的性能密切相關。永磁材料種類眾多。性能差別很大。只有全面了解后才能做到設計合理、使用得當。因此，在這章先從設計制造電機的需要出發(fā)，扼要介紹電機中最常用的三種永磁材料的基本性能，包括磁性能、物理性、通用性。另外，也扼要介紹選用時的注意事項。2.1 永磁材料磁性能的主要參數(shù) 永磁材料的磁性能比較復雜，需要用多項參數(shù)來表示。下面就退磁曲線、回復曲線、內(nèi)稟退磁曲線、穩(wěn)定性對永在材料進行性能分析。2.1.1 退磁曲線 與其化磁性材

39、料一樣，永磁材料首先用磁滯回線來反映和描繪其磁化過程的特點和磁物性，即用B=f（H）曲線來表示永磁體的磁感應強度B隨磁場強度H改變的特性,如圖2.1.1示。圖2.1.1 磁滯回線 圖2.1.1 退磁曲線和磁能積曲線 該回線包括的面積隨最大充磁磁場強度的大小而變，越大，回線面積就越大。當達到或超過飽和磁場強度時，回線面積漸近地達到一個最大值，而且磁性能最為穩(wěn)定。面積最大的回線稱為飽和磁滯回線，并常簡稱為磁滯回線。磁滯回線在第二象限的部分稱為退磁曲線。退磁曲線中磁感應強度Bm 為正值而磁場強度Hm的方向相反，磁通經(jīng)過永磁體時，沿磁通方向的磁位差不是降落而是升高。這就是說，永磁體是一個磁源，類似于電

40、路中的電源。退磁曲線的Hm為負值還表明，此時作用于永磁體的是退磁磁場強度。退磁磁場強度越大。永磁體的磁感應強度就越小。退磁曲線的兩個極限位置是表征永磁材料性能的兩個重要參數(shù)。退磁曲線上磁場強度H為零時相應的磁感應強度值稱為剩作磁感應強度。又稱為剩余磁通密度。簡稱為剩磁密度，答號為Br。單位為T（物斯拉）（工廠習用單位為Gs，）。退磁曲線上磁感應強度B為零時相應的磁場強度值稱為磁感應強度矯頑力，簡稱為矯頑力，符號為單位為A/m（工廠習用單位為Oe）。它也是表征永磁材料磁性能的重要參數(shù)。對于退磁曲線為直線的永磁材料，顯然在（Br/2,Hc/2）處磁能積最大，為：2.1.2 回復曲線退磁曲線所表示的

41、磁通密度與磁場強度間的關系，只有在磁場強度單方向變化下時才存在。實際上,永磁電機運行時受到作用的退磁磁場強度是反復變化的。 圖 2.1.2 回復線當對已充磁的永磁體施加退磁磁場強度時，磁通密度沿圖中的退磁曲線BrP 下降。如果在下降到P點消去外加退磁磁場強度Hp，則磁密并不沿退磁曲線回復，而是沿另一曲線PBR上升。若再施加退磁磁場強度，則磁密沿新的曲線 下降。如此多次反復后形成一個局部的小回線。稱為局部磁滯回線。由于該回線的上升曲線與下降曲線很接近?？梢越频赜靡?條直線 來代替，稱為 回復線。P點為回復線的起始點。如果以后施加的退磁磁場強度不超過第一次的值，則磁密回復線作可逆變化。如果>

42、;，則磁密下降到新的起始點Q。沿新的回復線變化，不能再沿原來的回復線變化。這種磁密的不可逆變化將造成電機性能的秒穩(wěn)定，也增加了永磁電機電磁設計計算的復雜性，因而應該力求避免發(fā)生。回復線的平均斜率與真空磁導率的比值稱為相對回復磁導率，簡稱回復磁導率，符號簡寫為。式中，真空磁導率，又稱磁性常數(shù)。 當退磁曲線為曲線時，的值與起始點的位置有關，是個變數(shù)。但通常情況下變化很小，可以近似認為是一個常數(shù)。且近似等于退磁曲線上（Br, 0）處切線的斜率值。利用這一近似我，在實際工作中求取不同工作溫度，不同工作狀態(tài)的回復線就方便得多。 2.1.3 內(nèi)稟退磁曲線退磁曲線和回復線表征的是永磁材料對外呈現(xiàn)的磁感應強度

43、B與磁場強度H之間的關系。還需要另一種表征永磁材料內(nèi)在磁性能的曲線。這就是內(nèi)稟退磁曲線。由鐵磁學理論可知，在真空中磁感應強度與磁場強度間的關系為: 而在磁性材料中 式中M為磁化強度，是單位體積磁性材料內(nèi)各磁疇磁矩的矢量和，單位為A/m，它是描述磁性材料被磁化后大大加強了磁場。上式表明，磁性材料被磁化后大大加強了磁場。這時磁感應強度B含有兩個分量：一部分是與真空中一樣的分量。后一部分是物質(zhì)磁化后內(nèi)在的磁感應強度，稱為內(nèi)稟磁感應強度。又稱磁極化強度J 。描述內(nèi)稟磁感應強度與磁場強度H之間的曲線稱為內(nèi)稟退磁曲線，簡稱為內(nèi)稟曲線。 圖 2.1.3 內(nèi)稟退磁曲線和退磁曲線的關系內(nèi)稟退磁曲線上磁極化強度J

44、為零時，相應的磁場強度值稱為內(nèi)稟矯頑力，又稱磁化強度矯頑力，其符號為，單位為A/m。的值反映永磁材料抗去磁能力的大小。過去，鋁鎳鈷永磁的內(nèi)稟退磁曲線與退磁曲線很接近，與相近且很小，故一般書上沒有強調(diào)內(nèi)稟退磁曲線?，F(xiàn)在，稀土永磁的內(nèi)稟退磁曲線與退磁曲線相差很大，遠大于，這正是表征稀土永磁的抗去磁能力強的一個重要參數(shù)。 除了值外，內(nèi)稟退磁曲線的形狀也影響永磁材料的磁穩(wěn)定。曲線的矩形度越好，磁性能越穩(wěn)定。為標志曲線的矩形度，特地定義一個參數(shù)，稱為臨界場強，等于內(nèi)稟退磁曲線上當時所對應的退磁磁場強度值，單位為A/m。應當成為稀土永磁材料的必測參數(shù)之一。 2.1.4 穩(wěn)定性 為了保證永磁電機的電氣性能不

45、發(fā)生變化，能長期可靠地運行，要求永磁材料的磁性能保持穩(wěn)定。通常用永磁材料的磁性能隨環(huán)境、溫度和時間的變化率來表示其穩(wěn)定性，主要包括熱穩(wěn)定性、磁穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性。1）熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性是指永磁體由所處環(huán)境溫度的改變而引起磁性能變化的程度，故又稱溫度穩(wěn)定性。當永磁體的環(huán)境溫度從時，磁密從；當溫度從回到時，磁密回升至；而不是；以后溫度在和間變化，則磁密在和間變化。從圖2-5可以看出，磁性能的損失可分為兩部分：可逆損失和不可逆損失?？赡鎿p失是不可避免的。溫度恢復后磁性能不能回復到原有值的部分，稱為不可逆損失。不可逆損失又可分為不可恢復損失和可恢復損失。前者是指永磁體重新充磁也不能復原的損失

46、，一般因為較高的溫度引起永磁體微結構的變化（如氧化）而造成的。后者是指永磁體重新充磁后能復原的損失。永磁材料的溫度特性還可用居里溫度和最高工作溫度來表示。隨著溫度的升高，磁性能逐步降低，升至某一溫度時，磁化強度消失，該溫度稱為該永磁材料的居里溫度，又稱居里點，符號為，單位為或。最高工作溫度的定義是將規(guī)定尺寸的樣品加熱到某一恒定的溫度，長時間放置（一般取1000），然后將樣品冷卻到室溫，其開路磁通不可逆損失小于5%的最高保溫溫度定義為該永磁材料的最高工作溫度，符號為，單位為或。2）磁穩(wěn)定性磁穩(wěn)定性表示在外磁場干擾下永磁材料磁性能變化的大小。一種永磁材料的內(nèi)稟矯頑力越大，內(nèi)稟退磁曲線的矩形度越好（

47、或者說越大），則這種永磁材料的磁穩(wěn)定性越高，即抗外磁場干擾能力越強。當和大于某定值后，退磁曲線全部為直線，而且回復線與退磁曲線相重合，在外施退磁磁場強度作用下，永磁體的工作點在回復線上來回變化，不會造成不可逆退磁。3）化學穩(wěn)定性受酸、堿、氧氣和氫氣等化學因素的作用，永磁材料內(nèi)部或表面化學結構會發(fā)生變化，將嚴重影響材料的磁性能。例如釹鐵硼永磁的成分中大部分是鐵和釹，容易氧化，故在生產(chǎn)過程中需采用各種工藝措施來防止氧化，要盡力提高永磁體的密度以減少殘留氣隙來提高抗腐蝕能力，同時要在成品表面涂敷保護層，如鍍鋅、鍍鎳、電泳等。4）時間穩(wěn)定性永磁材料充磁以后在通常的環(huán)境條件下，即使不受周圍環(huán)境其它外界因

48、素的影響，其磁性能也會隨時間而變化，通常以一定尺寸形狀的樣品的開路磁通隨時間損失的百分比來表示，叫做時間穩(wěn)定性，或叫自然時效。它與材料的內(nèi)稟矯頑力和永磁體的尺寸比有關。對永磁材料而言，隨時間的磁通損失與所經(jīng)歷時間的對數(shù)基本上成線性關系，因此可以從較短時間的磁通損失來推算出長時間的磁通損失，從而判斷出永磁體的使用壽命 2.2 永磁材料的選擇和應用注意事項 2.2.1 永磁材料的選擇永磁材料的種類多種多樣，性能相關很大，因此在設計永磁電機時首先要選擇好適宜的永磁材料品種和具體的性能指標。歸納起來，選擇的原則為：1）應能保證電機氣隙中有足夠大的氣隙磁場和規(guī)定的電機性能指標。2）在規(guī)定的環(huán)境條件下，工

49、作溫度和使用條件下應能保證磁性能的穩(wěn)定性。3）有良好的機械性能，以方便加工和裝配。4）經(jīng)濟性要好，價格適宜。 隨著現(xiàn)有永磁材料的性能和電機的性能要求，一般說來，1）隨著性能的不斷完善和相對價格的逐步降低，釹鐵硼永磁在電機中的應用將越來越廣泛。不僅在部分應用場合有可能取代其他永磁材料，還可能逐步取代部分傳統(tǒng)的電勵磁電機。2）對性能和可靠性要求高而價格不是主要因素的場合，優(yōu)先選用高矯頑力的2：17型稀土鈷永磁。1：5型稀土鈷永磁的應用場合將有所縮小，主要用于在高溫情況下使用和退磁磁場大的場合。3）對于性能要求一般，而體積質(zhì)量限制不嚴，價格是考慮的主要因素，優(yōu)先采用價格低廉的鐵氧體永磁。4）在工作溫

50、度超過300度的場合或?qū)囟确€(wěn)定性要求嚴的場合，如各種測量儀器用電機，優(yōu)先采用溫度系數(shù)低的鋁鎳鈷永磁。鋁鎳鈷永磁在永磁材料總是中的比例將逐步下降。在生產(chǎn)批量大且磁極開頭復雜的場合，優(yōu)先采用粘結永磁材料。具體選用時，應進行多種方案的性能、工藝、成本的全面分析比較后確定。2.2.2 永磁材料的應用注意事項在應用時除前面提到的以外還應注意：1）永磁材料的實際磁性能與生產(chǎn)廠的具體制造工藝有關，其值與標準規(guī)定的數(shù)據(jù)之間往往存在一定的偏差。同一種牌號的永磁材料，不同工廠或同一工廠不同批號之間都會存在一定的磁性能差別。而且，標準中規(guī)定的性能數(shù)據(jù)是以特定形狀和尺寸的試樣的測試性能為依據(jù)的，對于電機中實際采用的

51、永磁體形狀和尺寸，其磁性能與標準數(shù)據(jù)之間也會存在一定的差別。另外，充磁機的容量大小和充磁方法都會影響永磁體磁化狀態(tài)的均勻性。影響磁性能。因此，為提高電機設計計算的準確性，需要向生產(chǎn)廠家索取該批號的實際尺寸的永磁體在室溫和工作溫度下的實測退磁曲線，在有條件時最好能抽樣直接測量出退磁曲線。比較穩(wěn)妥。對于一致性要求高的電機。更需對永磁材料逐片進行檢測。2）永磁材料的磁性能除與合金成分和制造工藝有關外，還與磁場熱處理工藝有關，所謂磁場熱處理，就是永磁材料在分解反應過程中施加外加磁場。以過磁場熱處理后，永磁材料的磁性能提高，而且?guī)в蟹较蛐?，順磁場方向最大，垂直磁場方向最小，這叫做各向異性。對于沒有以過磁

52、場熱處理的永磁材料，磁性能沒以有方向性，稱為各向同性。應變注意到，對于各向異性的永磁體，充磁時的磁場方向應與磁場熱處理時的磁場方向一致，否則磁性能反而會有所降低。3）根據(jù)規(guī)定，永磁材料由室溫長到最高工作溫度并保溫一定時間后再冷卻到室溫，其開路磁通允許有不大于5%的不可逆損失。因此為了保證永磁電機在運行過程中性能穩(wěn)定，不發(fā)生明顯的不可逆退磁，在使用前應先進行穩(wěn)磁處理（或叫老化處理），其辦法是將充磁后的永磁材料長溫至預計最高溫度并保溫一定時間，以預先消除這部分不可逆損失。鐵氧體永磁則不同。由于它的矯頑力溫度系數(shù)為正值，溫度越低、矯頑力越小，故需進行負溫穩(wěn)磁處理。其辦法是將充磁后的鐵氧體永磁放在低溫

53、箱中，冷凍至使用環(huán)境的緊低溫度。保溫2至4小時。需要指出的是，以過高溫或負溫穩(wěn)磁處理后，不能再對永磁體充磁；如有必要再次充磁，則需要重新進行高溫和負溫穩(wěn)磁處理。第3章 永磁同步電動機的結構與感應電動機相比，異步起動永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子結構較為復雜。由于轉(zhuǎn)子上既要安裝鼠籠導條，又要安裝永磁磁極，轉(zhuǎn)子沖片的設計就更加復雜。對于鼠籠條來講，其作用主要是完成起動任務，而磁鋼的作用是在這種電機穩(wěn)態(tài)運行時，提供勵磁磁勢，使電機具有較高的力能指標。原理上講，這兩部分的設計可以相對獨立地完成，這也是傳統(tǒng)的較為實用的等效磁路法的設計原則但復雜的轉(zhuǎn)子結構給磁路設計方法帶來了諸多的困難。尤其是起動性能的設計計算問題

54、，磁路法的準確性和精度都存在一定的誤差。但磁路法的簡便和快捷仍然使之成為異步起動永磁同步電動機設計的重要方法，尤其是經(jīng)過磁路法的粗算可以為有限元法的精確計算提供建模的圖形基礎。本章采用磁路法方法對異步起動永磁同步電動機的各部分結構參數(shù)進行設計,并得出結論。主要研究的內(nèi)容包括永磁同步電動機的總體結構和永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子結構及其基本幾何尺寸。 3.1 永磁同步電動機的結構3.1.1 永磁同步電動機的總體結構三相異步起動永磁同步電動機定子沖片及繞組型式與三相感應電機基本相同，轉(zhuǎn)子結構較為復雜。目前多數(shù)文獻將三相異步起動永磁同電動機結構按照磁極磁路結構的不同分為三大類型：徑向式、切向式、混合式等三種

55、結構。轉(zhuǎn)子磁極多數(shù)選用具有高的矯頑力、剩磁密度及磁能積的稀土永磁材料。圖3.1.1永磁同步電動機截面示意圖1-定子 2-永磁體 3-轉(zhuǎn)軸 4-轉(zhuǎn)子鐵心西北工業(yè)大學的李鐘明、劉衛(wèi)國教授在結構設計研究方面提出了可根據(jù)使用需要選擇不同的轉(zhuǎn)子結構形式的觀點，并提出了兩種新型具有聚磁作用的切向式結構的永磁同步電機結構方案，同時申請了國家專利。早在80年代中期，國外學者就提出了徑向磁路的異步起動永磁同步電機的轉(zhuǎn)子結構。當極數(shù)較多時，還可以采用切向磁路結構。用切向式結構制成的7.5KW的欽鐵硼永磁同步電動機，其效率可達到 91.1%。切向結構磁極每極有效面積比徑向結構的約大一倍，但切向結構漏磁大，且需要隔磁環(huán)。由于直軸電樞反應較強，引起從Xq它使得二次反應式轉(zhuǎn)矩在0-90。范圍內(nèi)為負值，從而減小了有效轉(zhuǎn)矩。為此，K.T.Chau提出在d軸引入一個空氣槽，為了避免氣隙磁場有嚴重的諧波畸變，空氣槽應該是閉口的，而且閉口槽沿徑向逐漸加寬，加寬的程度受空載電勢的減小和轉(zhuǎn)子鐵心飽和程度的限制。除了采用徑向磁路和切向磁路結構，還可以采用混合式磁極結構。對于混合式磁極結構，應用較為普遍。這種結構可以增加永磁體的橫截面積以增加氣隙主磁通。德國 SIMENS公司提出的一種混合式結構，采用非磁性