永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)與電磁分析

1、 編號(hào)：（ ）字 號(hào)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)與電磁分析 姓名： 耿艷華 學(xué)號(hào)： 21116258 班級(jí)： 電氣工程與自動(dòng)化11級(jí)1班 二 一 五 年 六 月中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué)本科生畢業(yè)論文姓 名： 耿艷華 學(xué) 號(hào)： 21116258 學(xué) 院： 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 電氣工程與自動(dòng)化 論文題目： 永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)與電磁分析 專(zhuān) 題： 指導(dǎo)教師： 鄧先明 職 稱(chēng)： 教授 2015年 6月 徐州中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文任務(wù)書(shū)學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 專(zhuān)業(yè)年級(jí) 電氣2011級(jí) 學(xué)生姓名 耿艷華 任務(wù)下達(dá)日期： 2015 年 3 月 15 日畢業(yè)論文日期： 2015 年 3 月 1

2、6 日 至 2015 年 6 月 1 日畢業(yè)論文題目： 永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)與電磁分析畢業(yè)論文專(zhuān)題題目：畢業(yè)論文主要內(nèi)容和要求：1 永磁同步電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)；2 自啟動(dòng)永磁同步電機(jī)的一般設(shè)計(jì)方法；3 設(shè)計(jì)一臺(tái) 永磁同步電機(jī)，參數(shù)： （1）、容量：40KW；（2）、額定電壓380V，額定頻率50Hz；（3）、額定轉(zhuǎn)速1500；（4）、定子相數(shù)3；（5）、效率0.95；（6）功率因數(shù)0.95.；（7）能夠自啟動(dòng)。4 利用有限元方法，計(jì)算驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。5 完成與畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容有關(guān)的英文翻譯（近三年的文獻(xiàn)），不少于3000漢字；6 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。院長(zhǎng)簽字： 指導(dǎo)教師簽字： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文

3、指導(dǎo)教師評(píng)閱書(shū)指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)（基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力；研究?jī)?nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；工作態(tài)度及工作量；總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；存在問(wèn)題；是否同意答辯等）：成 績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文評(píng)閱教師評(píng)閱書(shū)評(píng)閱教師評(píng)語(yǔ)（選題的意義；基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力；工作量的大小；取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；寫(xiě)作的規(guī)范程度；總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；存在問(wèn)題；是否同意答辯等）：成 績(jī)： 評(píng)閱教師簽字： 年 月 日中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文答辯及綜合成績(jī)答 辯 情 況提 出 問(wèn) 題回 答 問(wèn) 題正 確基 本正 確有 一般

4、性錯(cuò) 誤有 原則 性 錯(cuò) 誤沒(méi) 有回 答答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)及建議成績(jī)：答辯委員會(huì)主任簽字： 年 月 日學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評(píng)定成績(jī)：學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人： 年 月 日摘 要自起動(dòng)永磁同步電機(jī)擁有鼠籠，能夠?qū)崿F(xiàn)自啟動(dòng)。它無(wú)需無(wú)功勵(lì)磁電流，功率因數(shù)高，減少了定子電流和定子電阻損耗，并且在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒(méi)有轉(zhuǎn)子損耗。因此它具有高效率、高功率因數(shù)等的技術(shù)特點(diǎn)，符合高性能電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。是未來(lái)高效率、節(jié)能型傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向，具有廣泛的應(yīng)用前景。本文主要是通過(guò)利用傳統(tǒng)的異步電機(jī)設(shè)計(jì)方法并結(jié)合了永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)40Kw的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)置式的永磁同步電機(jī)，詳細(xì)的設(shè)計(jì)了其機(jī)械結(jié)構(gòu)、計(jì)算了其電氣性能。同時(shí)還利用數(shù)值

5、計(jì)算軟件對(duì)其進(jìn)行了性能分析。給出了所設(shè)計(jì)電機(jī)的功角特性和起動(dòng)特性，計(jì)算結(jié)果證明了本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)其性能完全滿足預(yù)期的要求。本文利用電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算軟件 Ansoft，對(duì)電機(jī)進(jìn)行了建模及仿真，獲得了電機(jī)的電磁場(chǎng)分布、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以及電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的損耗。計(jì)算了電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)波形、交直軸電抗參數(shù)特性以及電機(jī)的功角特性。通過(guò)將每極的轉(zhuǎn)子磁極采用集中分布的方法，提高了氣隙磁密中的基波含量，明顯得抑制了其中的高次諧波。關(guān)鍵詞：自啟動(dòng)永磁同步電機(jī) ；電磁特性；有限元法AbstractStart permanent magnet synchronous motor has a squirrel cage

6、, can be realized from the start. It does not require reactive excitation current, power factor, reducing the stator current and stator resistance loss, and no rotor losses in stable operation. So it has high efficiency, high power factor and other technical characteristics, in line with high-perfor

7、mance motor technical indicators, is the future direction of high efficiency, energy-saving drive system has broad application prospects. In this paper, through the use of a conventional induction motor design methods and combines the characteristics of a permanent magnet synchronous motor, designed

8、 a rotor conductor built-in 40kW permanent magnet synchronous motor, the detailed design of the mechanical structure, calculate its electrical properties . Also take advantage of its numerical software performance analysis. The design of the motor gives power angle characteristic and starting charac

9、teristics, the results prove that the designed motor performance to fully meet the expected demand.In this paper, electromagnetic field numerical calculation software Ansoft, the motor is modeled and simulated, We got the electromagnetic field distribution inside the motor, and we also got the stead

10、y state torque and starting torque. The No-load back-EMF waveform, quadrature/direct axis reactance parameter characteristic and power-angle characteristic are calculated. The results prove that the SPMSM completely meet the expected requirements. By adopting the method of centralized distribution o

11、f the rotor pole, The results show that this method not only can accurately detect the rotor position, but also can identify the rotor polarity.Keywords：Since the start permanent magnet synchronous motor; electromagnetic characteristic; finite element methods目 錄第一章 緒論11.1 課題研究的背景和意義11.2永磁同步電機(jī)的國(guó)內(nèi)外研現(xiàn)狀

12、21.2.1永磁材料的發(fā)展21.2.2永磁電機(jī)的研究現(xiàn)狀31.2.3自啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)研究現(xiàn)狀31.3 本課題研究的內(nèi)容3第二章 永磁同步電機(jī)的工作原理52.1永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)52.1.1總體結(jié)構(gòu)52.1.2定子結(jié)構(gòu)52.1.3轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)62.1.4自啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)72.2永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理102.3永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)10第三章永磁同步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)113.1基本思路和設(shè)計(jì)方法113.1.1電機(jī)主要尺寸的確定113.1.2定轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)113.1.3永磁體的設(shè)計(jì)123.1.4設(shè)計(jì)方法123.2永磁同步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)123.2.1額定參數(shù)和技術(shù)要求123.2.2永磁

13、同步電機(jī)的主要尺寸133.2.3永磁同步電機(jī)的永磁體計(jì)算143.2.4永磁同步電機(jī)的定轉(zhuǎn)子沖片設(shè)計(jì)153.2.5永磁同步電機(jī)的繞組計(jì)算173.2.6永磁同步電機(jī)的磁路計(jì)算193.2.7永磁同步電機(jī)的參數(shù)計(jì)算223.2.8永磁同步電機(jī)的工作特性計(jì)算263.2.9永磁同步電機(jī)的啟動(dòng)特性計(jì)算303.3 本章小結(jié)33第四章永磁同步電機(jī)的有限元分析344.1Ansoft 簡(jiǎn)介344.2Ansoft軟件的特點(diǎn)344.3電磁場(chǎng)基本理論344.4永磁同步電機(jī)的有限元分析344.4.1電磁場(chǎng)求解的有限元方法344.4.2 永磁同步電機(jī)的有限元仿真模型354.4.3永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)分布364.3.4永磁同步電機(jī)

14、啟動(dòng)特性分析384.3.5永磁同步電機(jī)的功角轉(zhuǎn)矩特性394.3.6永磁同步電機(jī)損耗分析404.3.7永磁同步電機(jī)結(jié)果分析41第五章 結(jié)論43參考文獻(xiàn)44翻譯部分45英文原文45中文譯文53致 謝60第 62 頁(yè) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2015屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第一章 緒論1.1 課題研究的背景和意義由于現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和人類(lèi)生活所需的能源消耗隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和先進(jìn)文明的進(jìn)步不斷地日趨增長(zhǎng)，使全球進(jìn)入了能源危機(jī)的嚴(yán)峻形勢(shì)，尤其是近期一系列能源安全事故和能源安全問(wèn)題的發(fā)生進(jìn)一步說(shuō)明了這一問(wèn)題。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，由于現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)于能源消耗的大量需求所帶來(lái)的環(huán)境污染使人們的生活品質(zhì)不斷降低，從而形成了

15、影響世界經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的問(wèn)題環(huán)境問(wèn)題。大量的以能源消耗為代價(jià)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展是不可取的，對(duì)能源的限制使用也是不現(xiàn)實(shí)的。解決這一問(wèn)題的方法之一就是要不斷提高能源的利用率。隨著新能源時(shí)代的到來(lái)。電能具有經(jīng)濟(jì)、便捷、可持續(xù)、安全、清潔和高效率等特點(diǎn)。為解決能源問(wèn)題，我國(guó)提出了“電能替代”的新理念，電能將是終端能源消費(fèi)最重要的一部分。在全球面臨能源危機(jī)的嚴(yán)峻形勢(shì)下，世界各個(gè)國(guó)家也積極的尋找新的解決辦法并頒布了相應(yīng)的新能源法案與計(jì)劃。下一代電機(jī)的效率相對(duì)于現(xiàn)有的電機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)需要超過(guò)90%，由表1-1可看出我國(guó)的Y系列、Y2系列、Y2E系列的電動(dòng)機(jī)效率的效率標(biāo)準(zhǔn)仍低于國(guó)外同類(lèi)系列產(chǎn)品的平均效率1。 表1-1 國(guó)

16、產(chǎn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)與國(guó)外同類(lèi)系列產(chǎn)品的平均效率對(duì)比系列YY2Y2-E西門(mén)子ABB歐盟Eff2歐盟Eff1美國(guó)EPACT美國(guó)NEMAPermium美國(guó)NEMA E美國(guó)IEEE 841-2000效率（%）87.386.387.986.587.386.489.190.391.792.291.1我國(guó)的能源形勢(shì)在不斷日趨增長(zhǎng)，耗電量占世界的10%，其中包括每年有2.5個(gè)三峽的發(fā)電量由于效率低而被浪費(fèi)掉。80%以上的各類(lèi)電機(jī)產(chǎn)品運(yùn)行效率都比國(guó)外的先進(jìn)水平低了3%5%。由此可看出，我國(guó)的電機(jī)運(yùn)行效率具有很大的提升空間，也具有很大的節(jié)能潛力。從國(guó)際能源機(jī)構(gòu)2006年7月的調(diào)研數(shù)據(jù)中可以得出，采取變頻調(diào)速的方式來(lái)改變

17、電機(jī)的效率大概可以節(jié)約7左右的電能。電機(jī)是以氣隙磁場(chǎng)為媒介進(jìn)行機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換的裝置,提高電機(jī)的效率一方面可以節(jié)省電能，減少消耗資源和排放污染，推進(jìn)環(huán)保節(jié)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；另一方面也可以提高我國(guó)在世界電機(jī)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。目前可實(shí)現(xiàn)電機(jī)節(jié)能的方法有三種：（1）采用新的控制方法，如:變頻器控制；（2）采用高效節(jié)能電機(jī)代替原有電機(jī)，如：Y系列、Y2系列和Y2-E系列電機(jī)；（3）重新優(yōu)化電機(jī)的設(shè)計(jì)。異步電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、便于維修和保養(yǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，但是它的運(yùn)行效率和功率因數(shù)低，從電網(wǎng)中吸收了大量滯后的無(wú)功功率等缺點(diǎn)。相比較感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、有限寬的運(yùn)行范圍，可在其25

18、%120%中有效額定負(fù)載范圍內(nèi)具有高功率因數(shù)和高效率2，轉(zhuǎn)子中有永磁體勵(lì)磁，將電刷省去，具有高可靠性，損耗小，可滿足下一代電機(jī)的運(yùn)行要求。而自啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)則是無(wú)需啟動(dòng)設(shè)備便能自行啟動(dòng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)。與感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行性能相比，自啟動(dòng)永磁同步電機(jī)具有較高的功率因數(shù)和較高的運(yùn)行效率，可在某些負(fù)載變化較大的場(chǎng)合，用永磁同步電機(jī)取代原有的電機(jī)。因此合理的設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)，可是電機(jī)的功率因數(shù)接近1。我國(guó)的稀土資源儲(chǔ)量豐富，稀土永磁的產(chǎn)量已居世界首位，礦種和稀土元素也較為齊全，并且在國(guó)內(nèi)售價(jià)也較低（約200-300元/kg）3，稀土永磁材料產(chǎn)量的1/3左右用來(lái)制造各種永磁電機(jī)5，這極利于我國(guó)永磁

19、電機(jī)的發(fā)展。因此，充分發(fā)揮利用我國(guó)稀土資源豐富和永磁電機(jī)自身高性能的優(yōu)勢(shì)，大力研究和推廣稀土永磁同步電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益和保障經(jīng)濟(jì)安全具有重要的意義。1.2永磁同步電機(jī)的國(guó)內(nèi)外研現(xiàn)狀1.2.1永磁材料的發(fā)展永磁材料的發(fā)展是與電機(jī)使用永磁材料的發(fā)展其性能的不斷提高密不可分的，根據(jù)國(guó)外資料的統(tǒng)計(jì)，大約有35%的永磁體應(yīng)用于電機(jī)中4。永磁材料是重要的功能材料，將其充磁至飽和，去掉外磁場(chǎng)作用，其仍能保留磁性，因此又稱(chēng)為硬磁材料。永磁材料的矯頑力一般在8KA/m以上5。早在兩千多年前，我國(guó)就有記載關(guān)于磁的書(shū)籍。宋朝時(shí)我國(guó)就發(fā)明了眾所周知的指南針。由于技術(shù)的限制，并且永磁材料磁鐵礦的飽和磁化強(qiáng)度

20、低，使其長(zhǎng)期以來(lái)未受到重視。到了十九世紀(jì)末期，人們才開(kāi)始深入研究永磁材料， 其發(fā)展可大致分為以下四個(gè)階段。（1）基于碳鋼的永磁體1910年以前，永磁材料主要以含碳量很低（1.5%）的高碳鋼為主，后來(lái)人們?cè)阡撝屑尤肓颂肌㈡u、鉻元素改善了鋼的磁性能。其中鎢鋼的磁能積最大可達(dá)到0.34MGOe。1917年制成的Fe-Co永磁合金的磁能積最大可達(dá)1.8MGOe。（2）鋁鎳鈷永磁1931年，日本科學(xué)家先后發(fā)明和研制了Fe-Ni-Al永磁。1938年，英國(guó)在此基礎(chǔ)上加入Co經(jīng)熱處理后誕生了Fe-Ni-Al-Co永磁體。1956年，荷蘭人科赫研制出是矯頑力顯著提高的含鈦元素的Fe-Ni-Al-Co-Ti合金

21、永磁體。1960年先后出現(xiàn)的定向結(jié)晶的AlNiCo5磁體和含鈦的AlNiCo8合金永磁體，使其磁特性較有了巨大飛躍。（3）鐵氧體永磁1913年，Hausknrcht發(fā)現(xiàn)了通過(guò)退火處理的氧化鐵和氧化鋇的混合物具有很高的磁特性。1938年，日本成功研制了標(biāo)志著鐵氧體永磁正式誕生的永磁材料是使用粉末氧化物制成的。1963年，誕生了具有高矯頑力的鍶鐵氧體永磁，其最大磁能積可達(dá)5MGOe。（4）稀土永磁自20世紀(jì)60年代，稀土永磁材料問(wèn)世，先后經(jīng)歷了三個(gè)階段，即：第一代（1:5型SmCo5）、第二代（2:7型Sm2Co17）和第三代（NdFeB）1。1959年，美國(guó)學(xué)者K.J.Strant研制出了標(biāo)志著

22、第一代稀土永磁材料誕生的最大磁能積為5MGOe的SmCo5粉末粘結(jié)永磁材料。1970年，出現(xiàn)了液相燒結(jié)法制造的SmCo5永磁體，使得永磁制造工藝逐步走向成熟與完善。1977年，日本研制出磁能積高達(dá)30MGOe的Sm2Co17永磁體，成為第二代稀土永磁材料。1983年，由日本住友特殊金屬公司和美國(guó)通用汽車(chē)公司同時(shí)研制開(kāi)發(fā)成功的磁能積最大為36MGOe的NdFeB永磁材料。這一新型材料的出現(xiàn)標(biāo)志著第三代稀土永磁材料的誕生。由于這種新型材料不含戰(zhàn)略物資鈷，而且材料中的釹價(jià)格也遠(yuǎn)低于鈷，引起了人們的廣泛關(guān)注。尤其是引起稀土永磁材料儲(chǔ)量占世界儲(chǔ)量80%以上的中國(guó)材料界的關(guān)注。隨著永磁體技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了

23、磁能積為54MGOe的釹鐵硼永磁體。1.2.2永磁電機(jī)的研究現(xiàn)狀世界上第一臺(tái)永磁電機(jī)是1831年發(fā)明的，但是由于當(dāng)時(shí)采用的天然磁鐵磁性能太差，電機(jī)的磁能積不足而很快被電勵(lì)磁電機(jī)所取代。20世紀(jì)中期，各種微型及小功率永磁電機(jī)隨著鋁鎳鈷永磁材料的出現(xiàn)和鐵氧體永磁材料性能的提高而出現(xiàn)在市場(chǎng)上。由于技術(shù)有限這一時(shí)期永磁電機(jī)的發(fā)展受到了限制。1978年，法國(guó)CEM公司先后推出了ISOSYN系列0.55-18.5kW釤鈷永磁同步電動(dòng)機(jī)，效率比一般感應(yīng)電動(dòng)機(jī)高2%-8%，功率因數(shù)也提高0.05-0.15，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為1.6-2.2，英國(guó)、前蘇聯(lián)、美國(guó)等也相繼推出類(lèi)似系列產(chǎn)品，但功率普遍做得不大。由于釤鈷材

24、料價(jià)格昂貴而且含有戰(zhàn)略物資鈷，使得各國(guó)只能研究一些要求高性能而不計(jì)成本的高科技領(lǐng)域。1983年，異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的概念首次由英國(guó)著名學(xué)者提出。19881989年，為了給209型AIO潛艇提高性能高的推進(jìn)電機(jī)，西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)研制出6相、1.1KW、230r/min的永磁同步電動(dòng)機(jī)。20世紀(jì)80年代末，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)研制開(kāi)發(fā)的3KW、2000r/min稀土永磁電機(jī)為我國(guó)的永磁電機(jī)的實(shí)用奠定了基礎(chǔ)。隨著釹鐵硼永磁的出現(xiàn)，各種高效永磁同步電機(jī)相繼被研制開(kāi)發(fā)。1990年，西北工業(yè)大學(xué)研制開(kāi)發(fā)了0.8KW紡織專(zhuān)用同步電動(dòng)機(jī)。2004年，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)研制出了900KW高性能化纖兩極永磁同步電動(dòng)機(jī)。目前，

25、國(guó)內(nèi)單機(jī)容量最大的永磁電動(dòng)機(jī)是沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)唐任遠(yuǎn)院士主持研制的1120KW稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)6。1.2.3自啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)研究現(xiàn)狀 自啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)是一種目前最為廣泛應(yīng)用的具有自行啟動(dòng)的能力的永磁同步電機(jī)。20世紀(jì)80年代后期，國(guó)內(nèi)外大量的學(xué)者從事這方面的研究工作。尤其是隨著科學(xué)技術(shù)、電機(jī)制造業(yè)的不斷發(fā)展，自啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)以釹鐵硼永磁材料為磁極代替了同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁磁極，不僅節(jié)省了材料，而且減少了勵(lì)磁損耗，與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，既有較高的效率，又有較高的功率因數(shù)，在小功率到中功率的場(chǎng)合，具有代替鼠籠異步電機(jī)的趨勢(shì)。目前，自啟動(dòng)永磁同步電機(jī)正朝著系列化、大功率化等方向發(fā)展。近年來(lái)

26、科研人員在電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、性能分析特別是動(dòng)態(tài)分析和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定的成果6 。雖然自啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)具有高效率、高功率因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，但是還有很多的問(wèn)題有待解決：轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及磁路的復(fù)雜，即轉(zhuǎn)子鼠籠導(dǎo)條與永磁體的并存，增加了電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的難度；啟動(dòng)過(guò)程中，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩復(fù)雜并且比異步電機(jī)的低，啟動(dòng)較為困難；結(jié)構(gòu)和磁路的復(fù)雜性，讓電機(jī)電抗參數(shù)測(cè)量和計(jì)算起來(lái)比較困難等。1.3 本課題研究的內(nèi)容本課題主要是設(shè)計(jì)一臺(tái)40KW的自啟動(dòng)永磁同步電機(jī)。本文首先分析了自啟動(dòng)永磁同步電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)，然后確定了一個(gè)40Kw自啟動(dòng)永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，并利用電磁計(jì)算

27、法和有限元分析進(jìn)行確認(rèn)方案。本論文內(nèi)容如下：（1） 第一章 緒論，分析了課題的研究背景和意義以及自啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀。（2） 第二章 永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理。（3） 第三章 永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)，用等效磁路法完成40Kw永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了初步驗(yàn)證。（4） 第四章永磁同步電動(dòng)機(jī)的有限元分析，利用設(shè)計(jì)參數(shù)，使用有限元軟件建立2-D模型分析驗(yàn)證結(jié)果。（5） 第五章 結(jié)論 總結(jié)和概括論文所做的研究工作，展望自啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展前景。第二章 永磁同步電機(jī)的工作原理2.1永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2.1.1總體結(jié)構(gòu)自啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)除了轉(zhuǎn)子上安裝永磁體以外，其他的構(gòu)成與鼠籠異

28、步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)成是一樣的，它還包括機(jī)座、機(jī)殼、端蓋、定子鐵心及電樞繞組、氣隙、轉(zhuǎn)子鐵心及鼠籠導(dǎo)條和轉(zhuǎn)軸等。其中定子結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同，通常采用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成以減少電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的鐵耗。轉(zhuǎn)子鐵心可用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，也可由整塊鋼加工成實(shí)心的。定子繞組常采用星形接法以減少電動(dòng)機(jī)雜散損耗。雖然氣隙長(zhǎng)度對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率的影響沒(méi)有鼠籠異步電動(dòng)機(jī)那么的靈敏，但是在電機(jī)交、直軸電抗上影響很大，而且氣隙長(zhǎng)度的大小對(duì)電機(jī)的裝配工藝和雜散損耗上有著很大的影響。所以自啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度要比同容量的電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度大的多7。整體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。1定子鐵心；2定子槽

29、；3轉(zhuǎn)子槽；4轉(zhuǎn)子鐵心；5永磁體；6軸圖2.1永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖2.1.2定子結(jié)構(gòu)自啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)一樣。為了減小電機(jī)運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生的鐵耗，定子鐵心通常由0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成。定子槽采用半閉口槽，槽內(nèi)嵌有三相對(duì)稱(chēng)繞組 ，如圖2.2所示。梨形槽的使用較為廣泛，它的槽面積利用率高，沖模的壽命也長(zhǎng)，并且槽絕緣的彎曲程度也較小，不容易損傷。為了減小雜散損耗，定子繞組通常采用雙層短矩和Y接法。(a)梨形槽 (b)梯形槽圖2.2永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子槽形2.1.3轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)根據(jù)轉(zhuǎn)子啟動(dòng)籠的有無(wú)，可以將轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為實(shí)心永磁轉(zhuǎn)子和鼠籠型永磁轉(zhuǎn)子。實(shí)心永磁轉(zhuǎn)子的鐵心是由

30、整塊鋼加工而成的。而且這種結(jié)構(gòu)是不需要啟動(dòng)繞組的，它是靠旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子鐵心中感應(yīng)到的渦流而產(chǎn)生了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。最常見(jiàn)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是鼠籠型永磁轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的鐵心則是由0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成的，而且轉(zhuǎn)子槽通常采用半閉口槽，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。圖（b）廣泛應(yīng)用于小型異步啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模具制造方便；圖（a）中所示的槽形，槽底為圓形，隔磁效果很差，通常采用圖（d）來(lái)保證隔磁效果，但是它的加工復(fù)雜，相較于平底槽，他在性能上沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，因此應(yīng)用的也比較少。為了增強(qiáng)集膚效應(yīng)，提高電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以使用圖(c)所示的凸形槽和圖(d)所示的刀形槽，相較于同容量的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電流集膚效應(yīng)，由于永

31、磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子內(nèi)放置永磁體，并且轉(zhuǎn)子槽一般不是很深，電流集膚效應(yīng)也沒(méi)有那么明顯。圖（e）和圖（f）的閉口槽可以簡(jiǎn)化沖模的制造，減少雜散損耗，但是他的轉(zhuǎn)子漏抗比較大，對(duì)電機(jī)的起動(dòng)性能具有一定的影響，因此也比較少用4 5。需要指出的是，當(dāng)選用內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)并且轉(zhuǎn)子槽的尺寸也較小的時(shí)候，可以采用具有隔磁磁橋形狀的平底槽，以保證隔磁效果，減少漏磁系數(shù)。當(dāng)選用的轉(zhuǎn)子槽的尺寸足夠大時(shí)，也可以使用圓形槽。在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中通常使用轉(zhuǎn)子斜槽，由于受到永磁體放置位置的限制，在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，常使用可減少電動(dòng)機(jī)的雜散損耗和附加轉(zhuǎn)矩的定子斜槽。轉(zhuǎn)子籠型繞組通常有兩種，即：鋼導(dǎo)條焊接式和鑄鋁式。鋼導(dǎo)條焊接式

32、是在轉(zhuǎn)子槽中插入了鋼導(dǎo)條，并將轉(zhuǎn)子鐵心兩端放置的銅端環(huán)和導(dǎo)條焊接在一起；鑄鋁式則是使用了離心鑄鋁或壓力鑄鋁制造工藝，將導(dǎo)條與端環(huán)一次鑄出。永磁同步電動(dòng)機(jī)常使用鑄鋁式是因?yàn)橄鄬?duì)焊接法來(lái)說(shuō)，鑄鋁式制造工藝簡(jiǎn)單，成本也低。 (a) 梨形槽 (b) 梯形槽 (c) 凸形槽 (d) 刀形槽 (e) 閉口梯形槽 (f)閉口梨形槽圖2.3永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子槽形2.1.4自啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)永磁體安置在轉(zhuǎn)子上，根據(jù)永磁體放置的位置和形式的不同，可將其分為表面式、內(nèi)置式和爪極式三種轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)。(1).表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 1鐵心；2永磁體；3導(dǎo)條；4護(hù)環(huán)；5極間填充物；6軸圖2.4 表面式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)

33、構(gòu)這種結(jié)構(gòu)如圖2.4所示，表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體呈瓦片形狀，并且是利用高強(qiáng)度非導(dǎo)磁圈固定在鼠籠轉(zhuǎn)子的表面上，所提供的磁通方向?yàn)閺较?。?dāng)永磁體采用非導(dǎo)磁材料填充時(shí)，交直軸q、d的磁路對(duì)稱(chēng)，氣隙均勻并且d、q軸上的磁阻相等，這時(shí)是屬于隱極電機(jī)；當(dāng)永磁體采用導(dǎo)磁材料填充時(shí)，氣隙不均勻，交直軸磁路不對(duì)稱(chēng)且d、q軸上的磁阻不相等，這時(shí)為凸極電機(jī)，而且可以利用凸極電機(jī)的凸劑效應(yīng)所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩來(lái)提高電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力和它的功率密度。表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)制作簡(jiǎn)單，成本低，應(yīng)用也廣泛。但是它的啟動(dòng)導(dǎo)條在轉(zhuǎn)子的內(nèi)部所產(chǎn)生的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩很小，沒(méi)有足夠的異步啟動(dòng)能力。因此，它不能使用在自啟動(dòng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)中，只能使用在啟

34、動(dòng)性能不高的場(chǎng)合8。(2).內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 自啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)通常采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。內(nèi)置式磁路轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體通常為條狀，安裝在轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)部，交直軸磁阻不相等并且交軸q的磁阻小于直軸d的磁阻，造成轉(zhuǎn)子磁路的不對(duì)稱(chēng)，因此它產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩可以有助于提高電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力和它的轉(zhuǎn)矩密度，而且鼠籠是直接面向空氣隙的，啟動(dòng)性能也較好。 按照永磁體的磁化方向和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向之間的相互關(guān)系，可以將內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)分為切向式、徑向式和混合式三種。三種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)格具特點(diǎn)，因此需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇不同的合適的結(jié)構(gòu)。1) 切向式結(jié)構(gòu)永磁體是插在電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)部，并且磁力線是切向穿出轉(zhuǎn)子的，如圖2.5

35、所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子有阻尼繞組，氣隙均勻，漏磁系數(shù)較大，需要采取隔磁措施。切向式電機(jī)要比徑向式電機(jī)的制造工藝和加工成本有所增加。切向式結(jié)構(gòu)一大優(yōu)點(diǎn)就是它的每一對(duì)極下相鄰兩磁極的永磁體是并聯(lián)關(guān)系，磁通量大，具有很好的聚磁作用。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的極數(shù)過(guò)多，并且徑向式結(jié)構(gòu)此時(shí)無(wú)法提供足夠的磁通量時(shí)，就可以采用切向式結(jié)構(gòu)。圖2.5 內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)2）徑向式結(jié)構(gòu)永磁體是插在電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)部，并且磁力線是徑向穿出轉(zhuǎn)子的。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是漏磁系數(shù)小，轉(zhuǎn)軸上不需要隔磁；易于控制極弧系數(shù)；轉(zhuǎn)子沖片的機(jī)械強(qiáng)度高，轉(zhuǎn)子安裝永磁體后不容易變形9；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，因此近年來(lái)受到了廣泛地應(yīng)用。徑向式磁路圖（a）放置永

36、磁體的空間較小，因此不助于提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。圖（b）是由每極永磁體構(gòu)成了字母形狀的V結(jié)構(gòu)，他放置永磁體的空間很大，可以安置很多的永磁體，磁通量很大，而且制造出的電機(jī)體積小、轉(zhuǎn)矩密度也高，但是它的加工工藝復(fù)雜。圖2.6內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子的磁極結(jié)構(gòu)3）混合式結(jié)構(gòu)混合式磁路結(jié)構(gòu)如圖2.7所示。混合式結(jié)構(gòu)是集中了徑向式和切向式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。但是它的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造有很大的難度，因此使得轉(zhuǎn)子沖片的機(jī)械強(qiáng)度依次也有所下降，加工成本也比較高。(a) (b) c) d)1轉(zhuǎn)軸；2永磁體槽；3永磁體；4轉(zhuǎn)子導(dǎo)條圖2.7內(nèi)置混合式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)(3).轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的選擇原則內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)是多種多

37、樣的而且各有各的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)是首先要選擇好合適的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。因此轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的選擇原則有以下幾點(diǎn)：1) 為保證電機(jī)的性能需要能放置足夠多的永磁體；2) 要有可行的隔磁措施；3) 轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度要足夠高；4) 要有適當(dāng)?shù)亟?、直軸同步電抗及其比例Xq/Xd。2.2永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理在電動(dòng)機(jī)的定子三相對(duì)稱(chēng)繞組中通入三相對(duì)稱(chēng)電壓后會(huì)產(chǎn)生三相對(duì)稱(chēng)電流，進(jìn)而三相對(duì)稱(chēng)電流就會(huì)在電動(dòng)機(jī)的定子繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于轉(zhuǎn)子上安裝的永磁體自身的磁極是固定的，根據(jù)磁極的同性相吸、異性相斥的原理，進(jìn)而在定子中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就會(huì)帶著轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最終達(dá)到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相同。因此可以把永磁同步電動(dòng)機(jī)的

38、啟動(dòng)過(guò)程看成是由異步啟動(dòng)和同步牽入兩個(gè)階段組成。電動(dòng)機(jī)是在異步轉(zhuǎn)矩、永磁發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子磁路的不對(duì)稱(chēng)而引起磁阻轉(zhuǎn)矩和單軸轉(zhuǎn)矩等共同作用下使得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)牧汩_(kāi)始逐漸增大，并在這個(gè)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速是震蕩著上升的。在啟動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)就是以具有異步驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的異步轉(zhuǎn)矩來(lái)加速的，其他的轉(zhuǎn)矩則大部分是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)牧阒饾u增大接近于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度時(shí)，永磁體脈振轉(zhuǎn)矩的影響下永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有可能會(huì)超過(guò)同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的超調(diào)現(xiàn)象，但是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的轉(zhuǎn)速震蕩后，最終會(huì)在同步轉(zhuǎn)矩的作用下將其牽入到同步運(yùn)行狀態(tài)。在同步運(yùn)行狀態(tài)下，這時(shí)的轉(zhuǎn)子繞組中就不會(huì)再有轉(zhuǎn)子電流的產(chǎn)生，只存在永磁磁場(chǎng)

39、，并且與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)共同作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而完成了永磁同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行。2.3永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、噪聲低、具有很明顯的節(jié)能效果；(2) 功率密度大、功率因數(shù)高，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速；(3)運(yùn)行效率高，轉(zhuǎn)子中有永磁體勵(lì)磁，無(wú)需勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子無(wú)繞組并且定子繞組的損耗較?。?4)電機(jī)的體積小、重量輕、便于維護(hù)保養(yǎng)；(5)內(nèi)置式交直軸的磁阻不同，進(jìn)而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁路不對(duì)稱(chēng)，弱磁性能也好，但表面式的弱磁性能較差；(6)電機(jī)性能受到氣隙長(zhǎng)度的影響要遠(yuǎn)小于感應(yīng)電機(jī)，因此氣隙要比同功率的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)大的多；(7)具有較寬的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍，可在其25%120%中有效額定負(fù)載范圍內(nèi)具有高功率因數(shù)和高效

40、率；(8)制造工藝較為復(fù)雜，成本也高。第三章永磁同步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)3.1基本思路和設(shè)計(jì)方法異步啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)雖然繼承了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接加壓?jiǎn)?dòng)的優(yōu)點(diǎn)和具有永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，但是它在產(chǎn)品種類(lèi)、應(yīng)用場(chǎng)合以及設(shè)計(jì)技術(shù)上的完善度都還存在一些差距。由于異步啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)主要用在高效節(jié)能來(lái)代替感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的場(chǎng)合，因此它在設(shè)計(jì)方面也有了一定的要求，即它的設(shè)計(jì)要與產(chǎn)品規(guī)格、實(shí)際使用環(huán)境并且符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)是高效率、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行可靠、高功率因數(shù)和起動(dòng)性能好。這就需要運(yùn)用有關(guān)的運(yùn)理論與計(jì)算方法來(lái)設(shè)計(jì)出符合要求的電動(dòng)機(jī)。其中異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)的任務(wù)主要包括主要尺寸的確定、定轉(zhuǎn)子沖片及槽形的尺寸

41、和繞組參數(shù)等的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)而滿足生產(chǎn)實(shí)際的需求。3.1.1電機(jī)主要尺寸的確定由于異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)主要是用于代替感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，而且電機(jī)的內(nèi)部放置了永磁體。所以對(duì)其進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)時(shí)，最重要的就是對(duì)電機(jī)主要尺寸的確定，主要尺寸大小的確定直接會(huì)影響到電動(dòng)機(jī)自身的體積、成本、性能和經(jīng)濟(jì)可靠性。對(duì)于沒(méi)有依據(jù)可靠的參數(shù)就需要進(jìn)行設(shè)計(jì)的條件，我們則可以依據(jù)所給定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和額定功率的要求來(lái)進(jìn)一步確定電機(jī)的電樞鐵心的直徑和長(zhǎng)度之后，再跟據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定電機(jī)的主要尺寸。由于永磁同步電機(jī)的內(nèi)部要安置永磁體，因此我們要盡可能的去選擇相對(duì)比較小的主要尺寸，也就是說(shuō)要選擇相對(duì)比較大的轉(zhuǎn)子尺寸以便有足夠大的空間來(lái)放置永磁體

42、3。電機(jī)體積的計(jì)算公式為：(3-1)永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能受氣隙長(zhǎng)度的影響沒(méi)有的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的那么強(qiáng)烈，所以加大氣隙長(zhǎng)度以便于減少電樞反應(yīng)的影響、減小電機(jī)的振動(dòng)、噪聲和雜散損耗，便于安裝永磁體。永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度可以比同功率的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)稍微增加0.10.2mm11。3.1.2定轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙中會(huì)有大量的諧波，而且感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的諧波也多。因此為了避免三次諧波在繞組中產(chǎn)生環(huán)流，電動(dòng)機(jī)的定子三相繞組常采用Y型聯(lián)結(jié)。定子的槽數(shù)則是取決于每極每相槽數(shù)并且定子的槽行和尺寸的選擇直接影響著電機(jī)的漏抗、槽滿率、定子齒部磁密、定子軛部磁密和定子結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度13。因此為滿足這些要求，定子槽通

43、常選用半閉口的梨形槽。對(duì)于本文所要設(shè)計(jì)的40KW的永磁同步電機(jī)，所取q的值為4。為了有更好的隔磁效果，永磁同步電動(dòng)機(jī)通常采用平底槽.為了提供足夠的永磁體放置空間，在小型內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)中，槽高度較小、轉(zhuǎn)子的集膚效應(yīng)沒(méi)有感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的明顯而且凸形槽和刀形槽的形狀復(fù)雜，沖模加工難度系數(shù)大，所以常采用梯形槽。轉(zhuǎn)子槽的主要作用是用于啟動(dòng)。在電動(dòng)機(jī)對(duì)牽入轉(zhuǎn)矩的要求不高時(shí)，轉(zhuǎn)子槽可做小一些。為了讓電動(dòng)機(jī)有較好的同步牽入能力，合成的T-n特性曲線也有一定的陡度。所以要盡可能的減小轉(zhuǎn)子電阻并且轉(zhuǎn)子槽不能開(kāi)的過(guò)淺過(guò)窄。在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，要在永磁體槽與永磁體之間有一定的間隙。為了減少因電動(dòng)機(jī)的定轉(zhuǎn)子槽配合不當(dāng)而出現(xiàn)

44、附加轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而增加電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲，使其效率下降。因此，電機(jī)的定轉(zhuǎn)子槽應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求12：（1） 轉(zhuǎn)子槽數(shù)Q2 要為極數(shù)的整數(shù)倍來(lái)保證轉(zhuǎn)子磁路對(duì)稱(chēng)；（2）為了避免電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生較強(qiáng)的異步附加轉(zhuǎn)矩，應(yīng)使Q21.25（Q1+p）；（3）為了避免產(chǎn)生同步附加轉(zhuǎn)矩，應(yīng)使Q2Q1 ，Q2Q1p ，Q2Q12p；（4）為了避免單向振動(dòng)力，應(yīng)使Q2Q1p，Q2Q1p1。3.1.3永磁體的設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，綜合考慮每極永磁體總寬度和永磁體的磁化方向長(zhǎng)度進(jìn)而選擇采用分散性能較小的矩形永磁體。永磁體的主要尺寸包括永磁體的軸向長(zhǎng)度、每極永磁體總寬度和永磁體的磁化方向長(zhǎng)度。永磁體充磁方向長(zhǎng)度要

45、能夠在盡可能少用永磁材料的前提下，電樞磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生最大去磁時(shí)不會(huì)發(fā)生不可逆去磁。在選擇永磁體充磁方向長(zhǎng)度時(shí)，要保證永磁體在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下處于最佳工作點(diǎn)，并且有足夠的抗去磁能力13。3.1.4設(shè)計(jì)方法目前，用于永磁同步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的方法主要有等效磁路法和數(shù)值解法，其中數(shù)值解法中用的最多的是有限元分析法。（1）等效磁路法等效磁路法是最初研究電機(jī)性能的重要方法，將永磁同步電機(jī)實(shí)際存在的不均勻分布的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化成等效的各段磁路，并認(rèn)為在各段中磁通沿截面均勻分布，各段中磁場(chǎng)強(qiáng)度保持恒定，將磁場(chǎng)的計(jì)算轉(zhuǎn)化為磁路的計(jì)算，然后用各種系數(shù)來(lái)進(jìn)行校正，使各段磁路的磁位差等于磁場(chǎng)中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的磁位差13。（2）數(shù)值解法有限元

46、法有限元法具有各個(gè)環(huán)節(jié)統(tǒng)一、通用的優(yōu)點(diǎn)，可以很好的處理非線性問(wèn)題，程序易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，適用于計(jì)算機(jī)的計(jì)算，近年來(lái)在實(shí)踐工程中得到了廣泛的應(yīng)用14-15。3.2永磁同步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)3.2.1額定參數(shù)和技術(shù)要求(1).額定功率：(2).相數(shù)： (3).額定線電壓：(4).額定頻率：(5).額定效率： (6).額定功率因數(shù)：(7).額定轉(zhuǎn)速：(8). 失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：(9).啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：(10). 啟動(dòng)電流倍數(shù)： (11). 繞組形式：雙層三角形聯(lián)結(jié)(12).極對(duì)數(shù)： (13).額定相電壓：(14).額定相電流：(15).額定轉(zhuǎn)矩：(16).絕緣等級(jí)：B級(jí)3.2.2永磁同步電機(jī)的主要尺寸(17).

47、鐵心材料：DW315-50(18).轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)：徑向式結(jié)構(gòu)(19).氣隙長(zhǎng)度：(20).定子外徑：(21).定子內(nèi)徑：(22).轉(zhuǎn)子外徑：(23).轉(zhuǎn)子內(nèi)徑：(24).定/轉(zhuǎn)子鐵心長(zhǎng)度：(25).電樞計(jì)算長(zhǎng)度：式中，為和中最小者。(26). 定/轉(zhuǎn)子槽數(shù)：(27).定子每極每相槽數(shù)：(28).極距：(29).硅鋼片質(zhì)量：式中，沖剪余量 ，；為和中最小者；鐵的密度 ，； 鐵心的疊壓系數(shù) 。 3.2.3永磁同步電機(jī)的永磁體計(jì)算(30). 永磁材料：N35H燒結(jié)釹鐵硼永磁(31). 計(jì)算剩磁密度：式中，時(shí)燒結(jié)釹鐵硼永磁剩磁，；的可逆溫度系數(shù)，；的不可逆損失率，；預(yù)計(jì)體工作溫度，。(32)計(jì)算矯頑力

48、：式中，時(shí)燒結(jié)釹鐵硼永磁剩磁矯頑力，。(33). 相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率：式中， 真空磁導(dǎo)率，。(34)磁化方向長(zhǎng)度：(35). 每極永磁體寬度：(36). 永磁體軸向長(zhǎng)度：(37). 提供每極磁通的截面積：(38). 永磁體的總質(zhì)量：式中， 永磁體的密度，。3.2.4永磁同步電機(jī)的定轉(zhuǎn)子沖片設(shè)計(jì)(39). 定子槽形定子槽尺寸如圖3.1所示： 圖3.1定子槽形尺寸(40). 轉(zhuǎn)子槽形： 轉(zhuǎn)子槽尺寸如圖3.2所示： 圖3.2轉(zhuǎn)子槽形尺寸(41). 定子齒距：(42). 定子鞋斜槽距離：(43). 定子計(jì)算齒寬：式中，.(44). 定子軛計(jì)算高度：(45). 定子齒磁路計(jì)算長(zhǎng)度： (46). 定子軛磁路計(jì)

49、算長(zhǎng)度：(47). 定子齒體積：(48). 定子軛體積： (49). 轉(zhuǎn)子齒距：(50). 轉(zhuǎn)子齒磁路計(jì)算長(zhǎng)度： (51). 轉(zhuǎn)子軛計(jì)算高度：式中，為轉(zhuǎn)子槽的總高度。(52). 轉(zhuǎn)子軛磁路計(jì)算長(zhǎng)度：3.2.5永磁同步電機(jī)的繞組計(jì)算(53). 每槽導(dǎo)體數(shù)：(54). 并聯(lián)支路數(shù)：(55). 并繞根數(shù)-線徑：式中，為并繞根數(shù)；為導(dǎo)線裸線直徑（mm）。(56). 每相繞組串聯(lián)匝數(shù)：(57). 槽滿率計(jì)算：槽面積：式中，槽楔厚度，。槽絕緣面積：式中，槽絕緣厚度，槽有效面積： 槽滿率: 式中，導(dǎo)線的雙邊絕緣厚度， (58). 節(jié)距：y=12槽(59).繞組節(jié)距因數(shù)：式中，。(60).繞組分布因數(shù)：式中，

50、。(61). 斜槽因數(shù)：式中，。(62).繞組因數(shù)：(63).線圈平均半匝長(zhǎng)： 式中，繞組直徑部分伸出長(zhǎng)度，一般取13cm，這里取。(64). 線圈端部軸向投影長(zhǎng)：(65).線圈端部平均長(zhǎng)：(66).定子導(dǎo)線質(zhì)量：3.2.6永磁同步電機(jī)的磁路計(jì)算(67). 極弧系數(shù)：(68). 計(jì)算極弧系數(shù)：(69).氣隙磁密波形系數(shù)：(70).氣隙系數(shù)：(71).氣隙磁通波形系數(shù)：式中，(72). 空載漏磁系數(shù)假定值：1.18(73).永磁體空載工作點(diǎn)假定值：0.856(74).空載主磁通：(75).氣隙磁密：(76).氣隙磁位差：直軸磁路交軸磁路式中，永磁體在磁化方向上與永磁體槽間的間隙，以下列式中所用到的有關(guān)場(chǎng)強(qiáng)H的值均為根據(jù)所對(duì)應(yīng)磁密B查硅鋼片磁化曲線所得到(77).定子齒磁密：(78). 定子齒磁位差：(79).定子軛磁密：(80).定子軛磁位差：式中，定子軛部校正系數(shù)，查表得。(81).轉(zhuǎn)子齒磁密：式中，(82).轉(zhuǎn)子齒磁位差：(83).轉(zhuǎn)子軛磁密：(84).轉(zhuǎn)子軛磁位差：式中，定子軛部校正系數(shù)，查表得。(85).每對(duì)極總磁位差：計(jì)算漏磁系數(shù)時(shí)，每極總磁位差為：(86).空載漏磁系數(shù)計(jì)算：1) 通過(guò)轉(zhuǎn)子槽的漏磁通為2) 通過(guò)隔磁磁橋的磁通為式中，隔磁磁橋1的寬度，；隔磁磁橋2的寬