微型永磁轉(zhuǎn)子同步電機

1、山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文摘要摘要本文介紹了一種在家電等領(lǐng)域廣泛使用的微型永磁轉(zhuǎn)子同步電機，其采用鐵氧體永磁轉(zhuǎn)子，U型鐵芯，并具有不均勻氣隙。這種電機結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，可自起動，由于其使用可在水、油等液體中工作的鐵氧體永磁材料制作轉(zhuǎn)子，所以當(dāng)用做微型泵的驅(qū)動電機時可省去軸的動密封?；诨镜碾姍C理論，對這種電機的結(jié)構(gòu)、起動和運轉(zhuǎn)原理及性能進行了定性分析。最后介紹了一種可適用于12V直流電源的逆變電路及方案。關(guān)鍵字: U型鐵芯；單相；永磁；同步；電機 ；12V直流電源ABSTRACT A micro-rotor permanent magnet synchrono us motor, used

2、in the field of home appliances, can be used in an additional permanent magnet rotor of the method to generate the magnetic field. Due to the inherent characteristics of permanent magnetic materials, after pre-magnetization, it can establish a magnetic field around the space with no additional energ

3、y. The motor structure is simple, reliable performance, self-starter, due to the use of ferrite magnets in the water, oil, liquid material rotor, so can be avoided when the micro pump drive motor axis The dynamic seal. This paper ,based on the research of single-phase permanent magnet synchronous mo

4、tor at home and abroad, Analysis and study of the structure, performance and operating principle of this type of motor.On this basis, with the principle of such motor, design a suitable inverter power circuit and appropriate structure and parameters of stator windings for this circuit to make such a

5、 motor can be used with only 12V DC power supply.Keywords: U-shaped core; Single-phase; Permanent magnet; Synchronous; Motor; 12V DC power supply山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文目錄目錄1 緒論11.1電機的分類11.2永磁電機發(fā)展11.3 單相永磁電機研究現(xiàn)狀31.4 研究內(nèi)容和研究方法42 單相永磁同步電機的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)子永磁材料的研究62.1 單相永磁同步電機的結(jié)構(gòu)62.2 結(jié)構(gòu)的特點及其對電機的影響72.3 不同永磁材料的性能介紹82.4 小結(jié)123 單相

6、永磁同步電機的起動原理與分析133.1起動過程的轉(zhuǎn)矩分析143.2單相永磁同步電動機獲得初速度過程的分析183.3單相永磁同步電動機牽入同步的過程分析213.4 小結(jié)254 單相永磁同步電機的運行原理與分析264.1電磁轉(zhuǎn)矩分析264.2 功角特性294.3 磁路法的原理及一種單相永磁電機參數(shù)的計算304.4電感計算364.5反電動勢計算384.6小結(jié)405 12V直流電源逆變電路設(shè)計425.1 設(shè)計方案分析425.2 方波電壓產(chǎn)生電路的設(shè)計445.3 三極管組合電路的設(shè)計485.4 逆變電路設(shè)計515.5直流無刷電機的驅(qū)動結(jié)構(gòu)及優(yōu)點545.6 小結(jié)566 經(jīng)濟技術(shù)分析586.1 技術(shù)分析58

7、6.2 經(jīng)濟效益分析596.3 社會效益分析59結(jié)論61參考文獻63致謝65附錄66山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文緒論1 緒論1.1 電機的分類電機是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。就能量轉(zhuǎn)換的功能來看，電機可分為兩大類。第一類是發(fā)電機，它的主要作用是利用機械能轉(zhuǎn)化為電能，目前最常用的是，利用熱能、水能等推動發(fā)電機轉(zhuǎn)子來發(fā)電。第二類是電動機，它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機械的動力源。按結(jié)構(gòu)和工作原理可劃分：直流電動機、異步電動機、同步電動機。直流電動機按結(jié)構(gòu)及工作原理可劃分：無刷直流電動機和有刷直流電動機。有刷直流電動機可劃分：永磁直流電動機和電磁直流電動機。電磁

8、直流電動機劃分：串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復(fù)勵直流電動機。永磁直流電動機劃分：稀土永磁直流電動機、鐵氧體永磁直流電動機和鋁鎳鈷永磁直流電動機。異步電機可劃分：感應(yīng)電動機和交流換向器電動機。感應(yīng)電動機可劃分：三相異步電動機、單相異步電動機和罩極異步電動機等。交流換向器電動機可劃分：單相串勵電動機、交直流兩用電動機和推斥電動機。同步電機可劃分：永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同步電動機1。本次設(shè)計中分析研究的電機屬于永磁同步電動機中的一種。1.2 永磁電機發(fā)展隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的不斷提高，家用電器越來越成為日常家庭生活中必不可少的一部分，同時，人們對家用

9、電器的性能和質(zhì)量也提出了更高的要求。目前，家用電器基本由電機來作為驅(qū)動裝置，不包括汽車用電機，我國目前城鎮(zhèn)家庭平均電機擁有量為15-50個，而發(fā)達國家每個家庭電機擁有量為70-100個。這反映了我國與發(fā)達國家在總體上的差距，也體現(xiàn)了小功率電機廣闊的發(fā)展前景。作為家用電器的能量轉(zhuǎn)換裝置，電機的性能直接決定了家用電器的質(zhì)量，電機的效率、功率因數(shù)、調(diào)速范圍及噪聲直接與家用電器的節(jié)能環(huán)保有著密切的關(guān)系。近年來，隨著永磁材料性能的不斷提高和永磁電機設(shè)計制造技術(shù)的日益完善，永磁電機越來越廣泛地應(yīng)用于高性能要求的場合。與傳統(tǒng)的電勵磁電機相比，永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠；體積小，重量輕；損耗少，效率高；電

10、機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點。因而應(yīng)用范圍極其廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個領(lǐng)域。在三相永磁同步電動機、圓形定子結(jié)構(gòu)單相異步起動永磁同步電動機的理論研究與產(chǎn)品開發(fā)日益增多的同時，一種結(jié)構(gòu)更加簡單、在泵類負(fù)載中被廣泛應(yīng)用的單相自起動永磁同步電動機的研究報道卻很少。單相自起動永磁同步電動機在接通單相工頻交流電源后由于不需要任何控制裝置就能夠?qū)崿F(xiàn)自起動，與同容量的單相異步電動機相比，其效率卻能提高?？傊瑔蜗嘧云饎佑来磐诫妱訖C具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、生產(chǎn)成本低等諸多優(yōu)點，在家用電器領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。SiemenS、Emerson等國外知名電機公司目前都在大量

11、生產(chǎn)此類電機，但國內(nèi)對這種電機了解甚少，研究工作幾乎沒什么開展，目前需要加強對單相永磁同步電動機研究的力度，這不僅具有理論價值，也有實際意義2。1.3 單相永磁電機研究現(xiàn)狀單相自起動永磁同步電動機由schemmann于1973年首先提出并進行了初步的理論分析。上世紀(jì)90年代初，國外學(xué)者開始對該電機進行理論研究，并取得一些成果。對于單相自起動永磁同步電動機的研究國內(nèi)起步較晚，但是有關(guān)的專家、學(xué)者對此也做了大量的分析和研究：楊克信介紹了機電能量轉(zhuǎn)換中的重要功能材料之一的應(yīng)用一永磁材料在永磁電機中的應(yīng)用3。根據(jù)各自的性能、特點應(yīng)用在各方面，以及永磁材料應(yīng)用中注意的問題。特別要注意永磁材料的選擇，永磁

12、材料的穩(wěn)定性，最后介紹了永磁電機設(shè)計特點。藺江磊分別利用磁路法和有限元法，對電機的定子繞組電感、反電動勢以及磁阻轉(zhuǎn)矩進行了計算2，并通過實驗驗證了計算的可靠性和準(zhǔn)確性。其并未深入涉及到關(guān)于電機啟動原理及牽入同步的過程分析。唐孝鎬基于達朗貝爾定律的起動過程運動方程，分析了單相永磁同步電動機起動時的各種轉(zhuǎn)矩的特性與相互關(guān)系4，但是其分析啟動牽入同步過程沒有涉及電機的振蕩啟動,在啟動過程中沒有考慮磁滯和時間常數(shù)的影響，這兩方面的因素直接影響到電機的啟動問題。付敏利用有限元法電機繞組電感、磁鏈和定位轉(zhuǎn)矩進行了計算5，在此基礎(chǔ)上,針對所建立的動態(tài)數(shù)學(xué)模型,用龍格庫塔法對空載起動過程進行了動態(tài)仿真計算,得

13、到該電機電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速曲線。同時討論了電源合閘角、轉(zhuǎn)子初始相角、磁鏈和負(fù)載轉(zhuǎn)矩對電機轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向的影響。但有限元法只能對成型電機進行參數(shù)計算分析，不能用于指導(dǎo)電機的設(shè)計。所以其在文中沒有明確的提出方案改進電機。謝衛(wèi)從稀土永磁同步電動機的基本電磁關(guān)系出發(fā),定性分析起動過程中定子和轉(zhuǎn)子不同頻率電流分量及其旋轉(zhuǎn)磁場的相互作用,對起主要作用的異步起動轉(zhuǎn)矩和發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩進行了深入研究,采用相量法和迭加原理求得表征起動性能的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率曲線,并同實測結(jié)果進行了對比。高義紅分析了在永磁體外部加磁滯環(huán)下的渦流效應(yīng)和磁滯效應(yīng)6，對電機進行了全面的仿真。永磁同步電動機的起動和計算是電機設(shè)計計算的關(guān)鍵問題之一。

14、永磁同步電動機是依靠永磁轉(zhuǎn)子磁場和定子旋轉(zhuǎn)磁場的相互作用而工作的。只有當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速(同步速)時，它才能形成穩(wěn)定的同步轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子工作；若轉(zhuǎn)子是在異步下運行，則定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩為零，不能正常工作。為了解決起動和同步運行問題，需在永磁轉(zhuǎn)子上增設(shè)鼠籠繞組或磁滯材料環(huán)。單相永磁同步電機起動利用磁場的雙旋轉(zhuǎn)理論把脈振磁場分解成兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的磁場，在牽入同步的過程中運用磁滯的原理來分析研究單相永磁同步電機的起動。1.4 研究內(nèi)容和研究方法本文研究的電機為一種微型永磁轉(zhuǎn)子同步電機，它使用單相交流電，磁滯起動，同步運轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)簡單、防爆。由于這種電機由于定子結(jié)構(gòu)為U型，故

15、也常被稱作U型單相永磁同步電機。定子的U型結(jié)構(gòu)為硅鋼片疊制而成的疊片結(jié)構(gòu)。由于鐵氧體永磁轉(zhuǎn)子可在水、油等液體中工作，當(dāng)用做微型泵的驅(qū)動電機時又可省去軸的動密封，使結(jié)構(gòu)進一步簡化，而性能得到提高。因此，此電機選用的是由平行充磁的兩個半圓柱永磁體組成，永磁材料采用性能價格比較好的鐵氧體永磁材料制作的永磁轉(zhuǎn)子。單相永磁同步電機由于其體積小、重量輕、高效節(jié)能等一系列優(yōu)點，越來越引起人們重視，其控制技術(shù)日趨成熟，控制器已產(chǎn)品化。永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)正逐步取代中小功率的異步電動機變頻調(diào)速，有著廣闊的發(fā)展前景。本文分別對這種微型永磁轉(zhuǎn)子同步電機的結(jié)構(gòu)、起動和穩(wěn)態(tài)運行進行了分析和研究，并對當(dāng)有直流電源時的應(yīng)

16、用問題做了分析研究。在2中，介紹了單相永磁同步電機的結(jié)構(gòu)，分析了這種結(jié)構(gòu)的特點以及這種特點對電機產(chǎn)生的影響，同時對永磁材料的選擇做了相關(guān)分析研究。在3中，對此種電機的起動原理和起動過程進行了分析。起動問題是研究單相永磁同步電機的關(guān)鍵。由于轉(zhuǎn)子所使用的材料為永磁材料，所以利用此種材料的特性進行磁滯啟動并對其牽入同步的過程進行了分析。在4中，對電機在同步穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下的特性進行了分析，利用等效電路法分析并推導(dǎo)出了這種電機的功角特性，利用磁路法進行參數(shù)計算。在5中，在前面幾章分析的基礎(chǔ)上，針對直流電源適用問題，設(shè)計出了相應(yīng)的逆變電源電路，及與此匹配的定子繞組的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使其可在12V直流電源的場合

17、使用。并簡要的說明了直流無刷電機的結(jié)構(gòu)與優(yōu)點。在6中，分析和說明了此種電機的經(jīng)濟效益和社會效益。89山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文單相永磁同步電機的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)子永磁材料的研究2 單相永磁同步電機的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)子永磁材料的研究本章主要介紹了單相永磁同步電機的結(jié)構(gòu)，分析了這種結(jié)構(gòu)的特點以及其對電機產(chǎn)生的影響，最后對電機轉(zhuǎn)子采用鐵氧體永磁材料做了相關(guān)說明。2.1 單相永磁同步電機的結(jié)構(gòu)單相永磁同步電機結(jié)構(gòu)簡單，由定子和永磁轉(zhuǎn)子組成。電機定子鐵芯由U型結(jié)構(gòu)的硅鋼片疊制而成。為了使電機能從靜止的狀態(tài)下直接起動，定子疊片的每極極弧由兩段不同半徑的同心圓弧相連而構(gòu)成，在極弧下形成不均勻的階梯狀氣隙，并且極弧長度小于極距

18、，構(gòu)成了兩個開口，以便定子電樞繞組的繞線及安裝。電機的定子繞組采用單相集中繞組，為了利于繞組的散熱，減小平均匝長以及減小繞組電阻和漏抗，線圈被分成相等的兩段，直接對稱地套裝在定子的U型鐵芯柱上，兩段線圈串聯(lián)連接，增強了磁勢。電機在這種不對稱氣隙形式下，不需要電源變換器或其它的輔助裝置，接通電源后能夠直接起動并牽入同步運行，從而實現(xiàn)了電機的自起動。電機轉(zhuǎn)子由平行充磁的兩個半圓柱永磁體組成，永磁材料采用性能價格比較好的鐵氧體永磁材料。永磁體對于電機的運行性能有非常重要的影響。永磁體在電機運行過程中產(chǎn)生一項脈動轉(zhuǎn)矩，脈動分量轉(zhuǎn)矩在接近同步速時使電機同步牽入轉(zhuǎn)矩增加，這對于電機的同步是有利的；同時，永

19、磁體在氣隙空間旋轉(zhuǎn)切割定子繞組，在定子中感應(yīng)旋轉(zhuǎn)電勢從而產(chǎn)生與永磁體同步旋轉(zhuǎn)的電流矢量。該電流與永磁體磁鏈作用，產(chǎn)生永磁體制動轉(zhuǎn)矩，在電機低速運行時它有一峰值。如果該項分量過大，即電機中采用了過多的永磁材料，則在定子繞組中感應(yīng)的電勢過大，電機無法成功實現(xiàn)自起動,電機只能在某一轉(zhuǎn)速振蕩。這對于電機的起動是不利的。對于定子鐵芯內(nèi)圓不同半徑構(gòu)成的不均勻氣隙，不對稱程度越大,起動能力越強；對于定子鐵芯表面開槽的不均勻氣隙結(jié)構(gòu)，氣隙越小，起動能力越強。由于電機起動不需外加電源控制裝置，也不用加入額外的輔助線圈，如電容器或隱極線圈等，因此又將該電機稱為 圖2.1 定子結(jié)構(gòu)圖單相自起動永磁同步電機。2.2

20、結(jié)構(gòu)的特點及其對電機的影響 單相永磁同步電機結(jié)構(gòu)特點：（1）定子疊片的每極極弧由兩段不同半徑的同心圓弧相連而構(gòu)成，使得定子呈現(xiàn)階梯結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)成不對稱和不均勻氣隙。利用其不均勻氣隙、不對稱結(jié)構(gòu)，利用定位轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)自啟動。（2）整個定子鐵芯呈U型，一端封閉，一端開口。此種設(shè)計有利于定子繞組的集中式繞制并且減少繞組的漏磁。由于磁通總是試圖通過最小的磁阻來形成閉合磁路，所以電機在沒有通電時轉(zhuǎn)子將停留在如圖2.2a)所示的位置，此時的位置便是磁阻最小的位置2。如果轉(zhuǎn)子位于其它的位置，由于磁通的這種特性使轉(zhuǎn)子受到一個轉(zhuǎn)矩的作用，這就是磁阻轉(zhuǎn)矩。如圖2.2b)和2.2c)所示，轉(zhuǎn)子受到的磁阻轉(zhuǎn)矩分別呈逆時

21、針方向和順時針方向。由此可知，電機結(jié)構(gòu)上的特點對電機在運行過程中的穩(wěn)定性帶來一些不利影響。圖2.2 磁阻轉(zhuǎn)矩對電機的影響2.3 不同永磁材料的性能介紹2.3.1鐵氧體材料鐵氧體永磁材料屬非金屬永磁材料，是以氧化鐵為主要材料的永磁材料，是目前世界上產(chǎn)量最大、價格最低、應(yīng)用非常廣泛的永磁材料。經(jīng)處理后，再經(jīng)過混合、預(yù)壓、預(yù)熱、粉碎成一定粒度的粉料。然后再安放到金屬模具種壓制成一定的形狀，并在磁場強度不低于0.7T的磁場中磁取向成型后，再在12001400溫度下燒結(jié)1-2h。中國鐵氧體永磁材料產(chǎn)量位居世界第一。鐵氧體永磁材料的工業(yè)應(yīng)用主要是鍶鐵氧體和鋇鐵氧體，燒結(jié)鐵氧體永磁典型性能為Br=0.40T

22、 ，Hcj=320kJ/m3 ，(BH)max=32kJ/ m3 ，Br=-0.2%/K ，Hcj=-0.250.4%/K ，居里溫度450，最高使用溫度250。 鐵氧體的特點是剩余磁密最低，矯頑磁力低，最大磁能積最低，熱穩(wěn)定性差(剩磁溫度系數(shù)大)，但由于原材料豐富，價格低，因此它主要用于對使用性能及體積要求不高及量大面廣的經(jīng)濟系列微電機產(chǎn)品中。如玩具電機、日用電器電機、音像電機、辦公設(shè)備及通用儀表電機、汽車摩托車電機以及工業(yè)用的小功率驅(qū)動電機等。2.3.2釹鐵硼材料釹鐵硼(NdFeB)稀土永磁是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的繼衫鈷稀土永磁之后誕生的第三代稀土永磁材料，它使永磁材料的發(fā)展與應(yīng)用達到一個

23、新水平，推動了新原理新結(jié)構(gòu)永磁電機的研制開發(fā)。釹鐵硼永磁的磁性能優(yōu)異于鐵氧體、鋁鎳鈷、衫鈷等永磁材料。剩磁、矯頑力、最大磁能積性能最高，釹鐵硼的剩磁約是鐵氧體的35倍，是鋁鎳鈷、杉鈷永磁的l-2倍，其內(nèi)稟矯頑力相當(dāng)于鐵氧體的5-10倍，是鋁鎳鈷的5-15倍。釹鐵硼永磁的去磁曲線為直線，回復(fù)直線與去磁曲線基本重合，回復(fù)磁導(dǎo)率與衫鈷永磁中的Sm2Col7永磁相當(dāng)。錢鐵硼水磁抗磁場干擾能力強，不怕去磁等，因而釹鐵硼兼有鐵氧體、鋁鎳鈷、衫鈷永磁的優(yōu)點。而且原材料成本較低，產(chǎn)品價格較低、產(chǎn)品性價比非常高、易加工。釹鐵硼永磁的缺點主要是溫度系數(shù)高，居里溫度和工作溫度較低，熱穩(wěn)定性差、耐腐蝕性差(必須進行表

24、面防護處理)。溫度高于150的釹鐵硼永磁的不可逆損失將超過5%，磁性能下降；溫度超過200時磁體的不可逆損失急劇增大。此外在150以上的高溫潮濕環(huán)境中釹嚴(yán)重氧化，磁體銹蝕現(xiàn)象嚴(yán)重等，這些缺點都是釹鐵硼永磁在應(yīng)用中存在的主要障礙。釹鐵硼永磁制造工藝常見的是粉末冶金法和快淬法兩種。粉末冶金法是把稀土金屬等合金熔化后固化，制成粉末，再在磁場中燒結(jié)制成磁體，稱為釹鐵硼燒結(jié)磁；快淬法則由真空感應(yīng)熔煉、鑄錠破碎、真空快淬、晶化處理等工藝組成，制成釹鐵硼磁粉后再添入粘結(jié)劑等，經(jīng)壓制或注射成型制成磁體，稱為釹鐵硼粘結(jié)磁；快淬法的生產(chǎn)過程中無有害氣體、液體或粉塵，對環(huán)境無污染，具有優(yōu)越的成本性能，因而成為錢鐵硼

25、制造工藝的上要發(fā)展方向。粉末冶金法生產(chǎn)的釹鐵硼磁粉，其磁性能尤其是矯頑力下降嚴(yán)重，故不宜用于制作粘結(jié)磁，但粘結(jié)磁因添加了高分子化合物因而磁體性能低于燒結(jié)磁釹鐵硼燒結(jié)磁。多用于功率、體積較大的電機，而在要求小體積、低噪音、耐強沖擊的電機中則較多地采用釹鐵硼粘結(jié)磁。此外，釹鐵硼粘結(jié)磁不似燒結(jié)磁須經(jīng)磨削或線切割加工，可與工件整體成型，適于大批量生產(chǎn)，因而具有較大的競爭優(yōu)勢.釹鐵硼永磁在微特電機中應(yīng)用存在的一些問題亟待解決，主要是釹鐵硼的剩磁溫度系數(shù)和矯頑力溫度系數(shù)較大，粘接時工藝溫度較高等問題對傲鐵硼的磁性能亦即電機的性能均有較大的影響。其解決的辦法，一是在釹鐵硼中添加鉆，摘等金屬元素，以降低溫度系

26、數(shù)，提高其居里溫度，但是也提高了釹鐵硼的成本.二是在設(shè)計電機時通過調(diào)整磁路結(jié)構(gòu)、磁鋼尺寸等以減小溫度的影響.釹鐵硼水磁優(yōu)異的磁性能使其在微特電機中獲得了廣泛應(yīng)用，尤其在計算機、汽車、家電、辦公自動化設(shè)備、紡織、數(shù)控機床等領(lǐng)域的微特電機上應(yīng)用前景廣闊。2.3.3鐵氧體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(BaO6Fe2O3)和鍶鐵氧體(SrOFe2O3）。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、鉆、鎳等貴金屬；制造工藝也較為簡單；矯頑力較大，凡為128320kA/m，抗去磁能力較強；

27、密度小，只有45.2g/cm3，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(fù)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(yīng)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，屬，僅為0.20.44T，最大磁能積(BH)max僅為6.440kJ/m3。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)Br為(0.180.20)K-1，矯頑力溫度系數(shù)Hci為(0.40.6)K-1。必須指出，鐵氧體永磁的Hci為正值，其矯頑力隨溫度的升高而增大，隨溫度降低而減小，這與其他

28、幾種常用永磁材料不同。因此，鐵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。通常采用軟質(zhì)砂輪，最好選用R3碳化硅砂輪，并且磨削速度要適當(dāng)，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7。綜上所訴，根據(jù)實際情況，本次設(shè)計所選永磁材料為鐵氧體永磁材料。2.4 小結(jié)單相永磁同步電機結(jié)構(gòu)簡單，由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子鐵心為硅鋼片疊制而成的U型疊片結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子為鐵氧體永磁轉(zhuǎn)子。由于轉(zhuǎn)子所用的材料為永磁材料，所以可以利用這種材料的特性進行磁滯起動。由于鐵氧體永磁材料具有矯頑力高

29、、抗去磁能力強、化學(xué)穩(wěn)定性好和重量輕等優(yōu)點，故選用鐵氧體永磁材料制作永磁轉(zhuǎn)子。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文單相永磁同步電機的起動原理與分析3 單相永磁同步電機的起動原理與分析本章中，對此種電機的起動原理和起動過程進行了分析。由于起動問題是研究單相永磁同步電機的關(guān)鍵問題，轉(zhuǎn)子所使用的材料為永磁材料，所以可以利用這種材料的特性進行磁滯起動，即電機從靜止的狀態(tài)下直接起動。為了便于分析研究，本文還結(jié)合脈振磁場、磁滯起動等相關(guān)理論對電機牽入同步的過程進行了分析。起動問題是永磁同步電機設(shè)計計算中的一個關(guān)鍵性問題。為了解決這一問題，電機采用階梯氣隙。采用階梯氣隙時，由于磁阻轉(zhuǎn)矩的作用轉(zhuǎn)子將會停留在磁阻最小的位置

30、，永磁體磁極軸線與定子幾何中心軸線形成一定的靜止角。由于永磁體的磁導(dǎo)率與空氣的磁導(dǎo)率相接近，轉(zhuǎn)子永磁體也可看作是氣隙的一部分，氣隙原有的不均勻性可忽略，因此可以認(rèn)為定子磁場的軸線就是定子幾何中心軸線。定子繞組通電后，繞組在氣隙中產(chǎn)生脈振磁場，磁場軸線與永磁體磁極軸線夾角為0此時瞬間轉(zhuǎn)矩正比于定子磁密轉(zhuǎn)子磁密，以及它們的夾角，即 (3.1 ) 因此當(dāng)繞組通電時，定子磁密轉(zhuǎn)子磁密，夾角=0，轉(zhuǎn)子在起動轉(zhuǎn)矩的作用下開始旋轉(zhuǎn)。如果采用均勻氣隙，轉(zhuǎn)子靜止時永磁體磁極軸線與定子幾何中心軸線重合。由上式可知，當(dāng)=0時，瞬間轉(zhuǎn)矩T=0，轉(zhuǎn)子無法轉(zhuǎn)動。脈振磁場軸線亦可能與永磁體磁極軸線夾角=180，此時瞬間轉(zhuǎn)矩

31、仍然為0，轉(zhuǎn)子亦無法轉(zhuǎn)動。因此，采用均勻氣隙無法實現(xiàn)自起動。但是，由于通電瞬間電流合閘角和轉(zhuǎn)子靜止時永磁體N、S極的不確定性，使得電機的旋轉(zhuǎn)方向不確定，這是該電機的一個不足之處。 由于定子繞組通入單相交流電時，定子線圈產(chǎn)生脈振磁場，根據(jù)雙旋轉(zhuǎn)理論，此脈振磁場可分解為正、反兩個方向的旋轉(zhuǎn)磁場，電機既可以順時針方向同步運轉(zhuǎn)也可以逆時針方向同步運轉(zhuǎn)。這樣單相自起動永磁同步電機適于驅(qū)動對旋轉(zhuǎn)方向無特殊要求的負(fù)載，如泵類、風(fēng)機等。3.1起動過程的轉(zhuǎn)矩分析U型鐵芯單相永磁同步電動機可以有不同的氣隙結(jié)構(gòu)型式。永磁轉(zhuǎn)子采用的是2極圓柱形整體永磁體，單相定子繞組套在U型的鐵芯上。為了弄清電動機在單相工頻交流供電

32、時能否自起動以及為何要在定子鐵芯上開槽等問題，需要分析電動機的起動轉(zhuǎn)矩及其影響因素。3.1.1均勻氣隙結(jié)構(gòu)下定位轉(zhuǎn)矩分析 圖3.1 永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場分布首先研究定子鐵芯不開槽的情況，即具有均勻氣隙的U型鐵芯單相永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩。由于定轉(zhuǎn)子之間是均勻氣隙結(jié)構(gòu)，當(dāng)定子繞組未通電時，永磁轉(zhuǎn)子的磁化方向?qū)⒆詣油Ａ粼谂c定子鐵芯軸線相一致的水平方向。在該平衡位置，永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場分布如上圖所示。基于磁場分析，可計算出永磁轉(zhuǎn)子在相對于定子鐵芯水平軸不同位置角時的轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子在一周內(nèi)有4個轉(zhuǎn)矩過零點,分別為0、90、180和360，出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩最大值的位置也有4個，具體大小與永磁體材料及結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。定子鐵

33、芯極弧包角對最大定位轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)的位置有一定的影響，但對定位轉(zhuǎn)矩最大值的影響較小。以上是對定子繞組未通電時的轉(zhuǎn)子受力和轉(zhuǎn)矩分析。下面分析當(dāng)定子繞組通入某恒定電流時的電動機轉(zhuǎn)矩。繞組通電前后，電動機的定位轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系曲線皆近似為正弦函數(shù).繞組通電前，轉(zhuǎn)矩曲線的周期為通電后的2倍，因為繞組未通電時定子鐵芯本身沒有極性，永磁體產(chǎn)生的磁場N極和S極對定子鐵芯的作用是等同的;繞組通電后，定子鐵芯變成了具有極性的電磁鐵，此時具有固定極性的永磁轉(zhuǎn)子磁場和由定子繞組電流產(chǎn)生具有一定極性的定子磁場相互作用產(chǎn)生的電磁力和轉(zhuǎn)矩，故與繞組通電前的情況有本質(zhì)的不同。繞組通電后電動機的初始轉(zhuǎn)矩仍為零，不管繞組通多大

34、電流也不能使永磁轉(zhuǎn)子從未通電之前的初始位置移動，即采用均勻氣隙的U型鐵芯不具備自起動能力。欲使電機具有起動轉(zhuǎn)矩,需要采用不均勻氣隙結(jié)構(gòu)，在定子繞組通電之前使永磁轉(zhuǎn)子磁場軸線與定子繞組電流產(chǎn)生的磁場軸線(水平線)呈一定角度。3.1.2定子內(nèi)圓不同半徑構(gòu)成不均勻氣隙下的轉(zhuǎn)矩圖3.2 定子內(nèi)圓不均勻氣隙的兩種結(jié)構(gòu)構(gòu)成不均勻或不對稱氣隙的方法有多種，上圖分別為定子內(nèi)圓采用不同半徑和定子內(nèi)圓采用不對稱開槽時的兩種結(jié)構(gòu)。由于氣隙的不均勻和不對稱，在定子繞組未通電時，永磁轉(zhuǎn)子的N-S極軸線將不再呈水平方向，而是沿磁阻最小的方向，與豎直軸呈0。該角度定義為U型電動機轉(zhuǎn)子的初始相位角，簡稱初始角。其角度取決于氣

35、隙不均勻結(jié)構(gòu)。定子繞組不通電時，在定位轉(zhuǎn)矩的作用下，永磁轉(zhuǎn)子位于的平衡位置。所謂定位轉(zhuǎn)矩，是指當(dāng)轉(zhuǎn)子置于初始相角以外的角度時，將產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子回到初始位置的轉(zhuǎn)矩。而當(dāng)定子繞組通電時永磁轉(zhuǎn)子承受的轉(zhuǎn)矩不再是零，此時電動機具有了起動轉(zhuǎn)矩，該起動轉(zhuǎn)矩將使永磁轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動。隨著轉(zhuǎn)子位置角的增大，轉(zhuǎn)子所受的轉(zhuǎn)矩越大，就越能推動轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。除了采用定子鐵芯內(nèi)圓不同半徑構(gòu)成不均勻氣隙外，另一種更為簡便的方法是在定子鐵芯表面開不對稱槽，構(gòu)成氣隙的不均勻和不對稱，但兩種方法究其原理其實是一樣的，據(jù)研究，從兩種開槽結(jié)構(gòu)定位轉(zhuǎn)矩的曲線比較可以看出6，氣隙增大后使氣隙的不均勻程度減弱，導(dǎo)致初始角變小，可見改變氣隙大小對

36、起動性能亦有影響。 3.1.3固定頻率單相交流供電的控制位置角經(jīng)過半周(180)后，電磁轉(zhuǎn)矩都要改變符號，這說明定子繞組通直流電流不能使轉(zhuǎn)子連續(xù)單方向旋轉(zhuǎn)。要想得到使電動機單方向旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，需要在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動半周后改變繞組中電流的方向。 顯然，如果在前半周定子繞組通入反向電流，而后半周時通入正向電流，產(chǎn)生方向相反的轉(zhuǎn)矩，因此可通過選取初始通電時的電流方向來控制電動機的旋轉(zhuǎn)方向。 由上述分析可知，單相永磁同步電動機的定子繞組電流需要根據(jù)永磁轉(zhuǎn)子的位置角進行適時換向控制，否則電動機不能獲得穩(wěn)定的運行。采用固定頻率和電壓的電源供電的單相永磁同步電動機，具有一種無位置傳感器供電頻率不可調(diào)的開環(huán)控制，要

37、想獲得良好的起動和運行性能是相當(dāng)困難的。要想獲得穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，必須在供電電流變化一個周期時間內(nèi)將永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，然而轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)到通電后，在極短時間內(nèi)加速到與供電電源同步速旋轉(zhuǎn)是比較困難的，為此要求： 電動機需要有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩； 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量不能太大，否則轉(zhuǎn)子加速需要較長的時間【6】。 如果電動機設(shè)計參數(shù)和電源控制參數(shù)配合不當(dāng)，電動機將不能自起動。為了改善上述電動機的自起動能力，有時需要在永磁轉(zhuǎn)子表面加一薄層導(dǎo)電材料，利用定子繞組通電后在該導(dǎo)電層中感應(yīng)渦流產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩，幫助永磁轉(zhuǎn)子加速。3.2單相永磁同步電動機獲得初速度過程的分析定子上只有一個集中繞組，僅能建立脈動磁場；轉(zhuǎn)子無任

38、何繞組，起動時不產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩；由于采用不均勻氣隙，不對稱結(jié)構(gòu)，利用定位轉(zhuǎn)矩能夠自行起動4。1、起動過程(定性分析)的模型(1)t=0定子繞組通電以前，由于氣隙不均勻性，永磁體轉(zhuǎn)子總是會停留在ab位置，因此處磁阻最小。至于是N極或S極朝上，這是隨機的。圖a假定N極朝上，ab線即為永磁磁極中心線。(2)r=0+，當(dāng)定子繞組通以i(t)=Imsin(+)的單相交流電后，建立脈動的磁勢和磁場。對于鐵氧體永磁轉(zhuǎn)子，其=，可以認(rèn)定轉(zhuǎn)子內(nèi)腔都是氣隙，原有氣隙的不均勻性可以不計。因此，定子磁極的中心線即為內(nèi)腔的幾何中心線，即dd線。圖3.3 電機起動過程示意圖此時，a b與dd間有一個位移(也可稱起動)角，其

39、合適的數(shù)值，成為影響電動機能否順利起動的關(guān)鍵之一。(3)t=tl0，在圖3.3a的時刻，假定定子磁場左邊為N極，右邊為S極，這時，它們與轉(zhuǎn)子的N一S極相斥，使轉(zhuǎn)子沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。(4)當(dāng)t=t2t，時，轉(zhuǎn)子磁極本應(yīng)在d一d位置停下來與定子上的N一S極相互吸引。但由于機械慣性及定位轉(zhuǎn)矩的作用，它要越過dd。例如到ab線附近才能停下來(如圖3.3b)。此時，如果定子電流改變方向，其磁場相應(yīng)改變極性，左邊為S極，右邊為N極(如圖3.3c)，定、轉(zhuǎn)子又相互排斥，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿J頂時針旋轉(zhuǎn)，它們不停留在dd線上，還要繼續(xù)轉(zhuǎn)一個角度，達到圖3.3d的位置。(5)當(dāng)t=t3t2時，若定子電流又改變方向，它形

40、成的NS極仍與轉(zhuǎn)子磁極相斥，使其繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。這樣，就完成了單相永磁同步電動機的起動過程，轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速n=n=60f/p穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。(6)若t=0時，轉(zhuǎn)子仍停在ab線上，但極性與圖3.3a相反，而t=t1時，定子形成的磁場極性不變，則轉(zhuǎn)子會通過逆時針方向旋轉(zhuǎn)。因此，這種電機的轉(zhuǎn)向是隨機的。(7)由于起動過程中轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩。2、起動過程的運動方程2.1基本假設(shè)(1)磁路不飽和，且不計磁滯的影響。(2)轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)時，定子線圈交鏈的轉(zhuǎn)子磁通價按正弦規(guī)律變化，即 ，以定子磁極軸線d一d為參考的轉(zhuǎn)子軸線a一b位移角度，它是時間t的函數(shù)。(3)空載起動，兀=0。2.2起動過程按照達朗貝爾定律，起動過程的運

41、動(轉(zhuǎn)矩平衡)方程為 (3.2)方程中的各個轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩：摩擦轉(zhuǎn)矩：;定位轉(zhuǎn)矩：;加速轉(zhuǎn)矩：Ta= 式中：J電動機轉(zhuǎn)動系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動慣量；d轉(zhuǎn)子的角加速度。2.3實現(xiàn)起動的基本條件(1)t=0，定子繞組通電后，要求產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩大于定位轉(zhuǎn)矩與摩擦轉(zhuǎn)矩之和，即Tem(Tft+)，轉(zhuǎn)子才能開始轉(zhuǎn)動。(2)在i=0，=0的時刻，要求Tft。在的作用下，轉(zhuǎn)子仍能克服磨擦轉(zhuǎn)矩，繼續(xù)循原方向旋轉(zhuǎn)。3、轉(zhuǎn)動方向的討論無論是均勻氣隙設(shè)計還是非均勻氣隙設(shè)計，電機的旋轉(zhuǎn)方向都依賴于電源的開關(guān)角，靠調(diào)整氣隙設(shè)計等機械方法難以控制電機的轉(zhuǎn)向，這是此種電機的另一特點，因而適用面有限，多用于驅(qū)動那些運行性能與轉(zhuǎn)向無關(guān)的負(fù)載

42、，如徑向葉片式的離心風(fēng)機和水泵4。目前有三種方法可以解決此種電機定轉(zhuǎn)向問題(1)機械方法附加單向止動或離合裝置，如棘輪或單向剎車等來限定轉(zhuǎn)向。(2)電磁方法在定子側(cè)加“裂相”繞組，類似于單相電容電機或罩極電機，使定子能建立一個橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。但由于存在一個幅值相對不小的逆序磁場，實踐表明，在空載起動時，仍然出現(xiàn)一定機率的反轉(zhuǎn)問題。(3)電子控制方法由位置傳感器和電子控制系統(tǒng)組成，實時控制定子繞組通電的時間和極性(正負(fù))，以達到定向目的。以上方法當(dāng)數(shù)電子控制方法簡單穩(wěn)定，不過由于此種電機多用于小功率場合，如果添加控制電路對于成本，空間等問題又提出了要求，故現(xiàn)已多往直流無刷電機方向發(fā)展。不過此種電

43、機和直流無刷電機原理有不少的相似點，而且對于家電等方面，此種電機仍有其應(yīng)用潛力存在。3.3單相永磁同步電動機牽入同步的過程分析單向交流電流是一個隨時間按正玄規(guī)律變化的電流。他所產(chǎn)生的磁場就是一個脈振磁場。當(dāng)電流增大時，磁感應(yīng)強度也隨之增大。電流方向相反時，磁場方向也就隨之反過來。但是在任何時刻，空間的磁場軸線并不移動。只是磁場的強弱和方向與正玄電流一致，將隨時間按正玄規(guī)律作周期性變化。為了便于分析問題，通常講這個脈振磁場分解成兩個旋轉(zhuǎn)磁場。這兩個旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度相等，但旋轉(zhuǎn)方向相反。每個旋轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強度的幅值等余脈振磁場磁感應(yīng)強度幅值的一半，即。這樣一來，任一瞬間脈振磁場的磁感應(yīng)強度都等

44、于這兩個旋轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強度的向量和。在瞬間，兩個旋轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強度的向量相反，所以，合成磁感應(yīng)強度B=0。在瞬間，兩個旋轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強度的相量對水平軸都偏轉(zhuǎn)了一個角度，即。B1和B2的合成磁感應(yīng)強度: (3.3) 圖3.4 雙旋轉(zhuǎn)向量圖圖中定子弧長所對應(yīng)的角度。把脈振磁場分解為對稱的兩個向量，如圖，可知當(dāng)分解磁場夾角小于定子弧長所對應(yīng)的角度時，完全可以用雙旋轉(zhuǎn)理論對本電機的起動過程進行分析，但是當(dāng)角度大于時，即分解磁場超出定子圓弧后，對稱向量法便不再適用于本電機。此時電機會產(chǎn)生振動。為了減小振動，可以加長定子弧長，使起動更加平滑，穩(wěn)定。應(yīng)用雙旋轉(zhuǎn)理論將定子繞組產(chǎn)生的脈振磁場分解為兩個轉(zhuǎn)速

45、相同，方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場。電機在不均勻氣隙的作用下獲得的初速度總會與兩個旋轉(zhuǎn)磁場之一擁有較小的相對速度。在這個速度方向上，電機的磁滯材料將發(fā)揮主要作用，經(jīng)過磁滯作用將電機牽入同步。磁滯材料在進行反復(fù)磁化時，其分子不能按外部磁場方向及時作相應(yīng)的排列。因而在時間上有一個較大的滯后，并產(chǎn)生比較明顯的磁滯現(xiàn)象。 磁滯式單相電動機的主要特點是其具有較大的啟動轉(zhuǎn)矩，因此它不需要任何啟動繞組就能自行進入同步，并且能穩(wěn)定的在同步轉(zhuǎn)速下運行。并且結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠。當(dāng)磁滯式單相同步電動機的定子繞組接通電源后，將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并使轉(zhuǎn)子材料的磁滯層迅速磁化。在轉(zhuǎn)子磁滯層磁化的過程中由于轉(zhuǎn)子磁場的磁滯作用，以致轉(zhuǎn)子磁化

46、磁場跟不上定子旋轉(zhuǎn)磁場的變化而落后一個角度。于是，定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁化磁場之間的相互作用，就產(chǎn)生了一對切向分力ft和一對徑向分力fr，其中切向S-S為定子旋轉(zhuǎn)磁場軸線，R-R為轉(zhuǎn)子磁化磁場軸線，兩軸線夾角為。磁滯單相同步電機的矩角特性如圖3.8，在磁滯角為90時其轉(zhuǎn)矩達到最大值。如負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于磁滯轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速將從零一直增加到同步轉(zhuǎn)速。這時轉(zhuǎn)子相對于旋轉(zhuǎn)磁場不產(chǎn)生相對運動，轉(zhuǎn)子即被恒定的磁化。轉(zhuǎn)子上各處的磁感應(yīng)強度時恒定的，于是硬磁材料制成的轉(zhuǎn)子將類似如一個永磁轉(zhuǎn)子而被牽入同步轉(zhuǎn)速運動。磁滯單相同步電動機的矩角特性為正弦曲線，在磁滯角為90時其轉(zhuǎn)矩達到最大值。如負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于磁滯轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)

47、子的轉(zhuǎn)速將從零一直增加到同步轉(zhuǎn)速。這時轉(zhuǎn)子相對于旋轉(zhuǎn)磁場不產(chǎn)生相對運動，轉(zhuǎn)子即被恒定的磁化。轉(zhuǎn)子上各處的磁感應(yīng)強度是恒定的，于是硬磁材料制成的轉(zhuǎn)子將類似于一個永磁轉(zhuǎn)子而被牽入同步轉(zhuǎn)速運行。圖3.5 磁滯轉(zhuǎn)矩的形成下圖展示了牽入同步運行的全過程?？梢钥闯?，事先牽入同步運行的基本條件為：加速轉(zhuǎn)矩Ta= 0，且之值要足夠的大，以致在 (l /2)(電源電壓周期)的時間內(nèi)，能夠?qū)⑥D(zhuǎn)子加速到n。理論上，對f=50Hz的電源10ms;f=60Hz時， 8.33ms。實際上，計及一些其它因素，并留有一定裕量，對于f=50Hz時，通常就要求6ms，60Hz時， 5ms。這樣，經(jīng)過幾個周波的震蕩后，穩(wěn)定在n=，

48、同步運行完成起動過程。 圖3.6 牽入同步運行過程3.4 小結(jié) 單相自起動永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)簡單，該電機通過采用非對稱氣隙，實現(xiàn)了電機的自起動。電機定子有兩個特點，一是定子疊片的每極極弧由兩段不同半徑的同心圓弧相連而構(gòu)成，使得定子呈現(xiàn)階梯結(jié)構(gòu)；另一個特點是整個定子鐵芯呈U型，一端封閉，一端開口。這兩個特點實現(xiàn)了電機的自起動，同時給電機的運行穩(wěn)定性帶來不利影響，而且使得對電機的性能分析增加了難度。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文單相永磁同步電機的運行原理與分析4 單相永磁同步電機的運行原理與分析 電機正常工作時處于以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定運型狀態(tài)，本章首先對電機的電磁轉(zhuǎn)矩進行分析和論述，然后研究電機在穩(wěn)態(tài)

49、運行時的功角特性，最后對電機在穩(wěn)態(tài)運行時的相關(guān)參數(shù)進行計算。4.1電磁轉(zhuǎn)矩分析 永磁同步電動機是依靠永磁轉(zhuǎn)子磁場和定子旋轉(zhuǎn)磁場的相互作用而工作的。只有當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速(同步速)時，它才能形成穩(wěn)定的同步轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子工作。但當(dāng)電動機轉(zhuǎn)子上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時，定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線間的夾角就會相應(yīng)增大。而當(dāng)電動機轉(zhuǎn)子上的負(fù)載減小時，該兩軸線間的夾角則又會減小。雖然負(fù)載變化時定、轉(zhuǎn)子之間的夾角會增大或減小，但是只要負(fù)載不超過一定的限度，轉(zhuǎn)子永久磁極就將始終隨著定子旋轉(zhuǎn)磁場以恒定的同步轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為：n=（r/min） （4.1）由此可見，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速只取決于電源頻率f和電動機的極對

50、數(shù)p。但是如果電動機軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過一定限度，轉(zhuǎn)子就將不再按同步轉(zhuǎn)速運行而發(fā)生失步現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至可能會停止運轉(zhuǎn)。這個最大限度的轉(zhuǎn)矩稱為最大同步轉(zhuǎn)矩。如果可能得話，則定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁極之間將存在相對運動,在圖4.1所示的瞬間轉(zhuǎn)子會受到逆時針方向的轉(zhuǎn)矩。而當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90或180時，作用在轉(zhuǎn)子磁極上的電磁轉(zhuǎn)矩卻變成了順時針方向。因而定子旋轉(zhuǎn)磁場相當(dāng)于轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一周，轉(zhuǎn)子所受到電磁轉(zhuǎn)矩的平均值就會將為零。這說明電動機轉(zhuǎn)子不可能在這種方向變化的電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，以不同于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。因此，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運行時的轉(zhuǎn)速只能等于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，也就是說必須等于同步轉(zhuǎn)速。圖4

51、.1 永磁式單相同步電動機的工作原理圖4.2 永磁同步電動機電磁轉(zhuǎn)矩上述電磁轉(zhuǎn)矩的形式也可以用磁力線的性質(zhì)來說明。磁力線具有盡量收縮其長度，使自身所經(jīng)磁路的磁阻最小的特性。如圖4.2所示，在090時，磁力線被扭曲和拉長。由于磁力線的收縮使轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生了電磁轉(zhuǎn)矩；當(dāng)=90時，磁力線被扭曲和拉長得最為嚴(yán)重而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也最大。如電動機的磁極對數(shù)p=2，從圖中不難看出，當(dāng)=0和90時，轉(zhuǎn)子都只受到徑向力的作用而磁力線沒有被扭曲拉長，因而也就不會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。而當(dāng)=45時，磁力線被扭曲拉長得最嚴(yán)重其電磁轉(zhuǎn)矩也就最大。如磁極對數(shù)p為其他值時，可依此類推。線間的電角度等于0時，其電磁轉(zhuǎn)矩為0；而電角度由0

52、向90增加時則電磁轉(zhuǎn)矩隨之增加；當(dāng)電角度為90時其電磁轉(zhuǎn)矩為最大，此時所對應(yīng)的機械強度=90/p。因此，當(dāng)電動機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加時，穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速雖然不變但其電角度卻相應(yīng)增大。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過最大同步轉(zhuǎn)矩，電動機將會因拖不動負(fù)載使轉(zhuǎn)速下降而出現(xiàn)失步現(xiàn)象，嚴(yán)重時可能停止運轉(zhuǎn)。電磁轉(zhuǎn)矩經(jīng)過振蕩最后穩(wěn)定在某一恒定的轉(zhuǎn)矩角所對應(yīng)的某一恒定數(shù)值的電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩角的變化對應(yīng)著功率角的變化，當(dāng)電機穩(wěn)定在同步速以后轉(zhuǎn)矩角保持在一個恒定的數(shù)值。這說明功率角在電機穩(wěn)定運行時也保持不變，電機同步運行狀態(tài)時輸入的電磁功率剛好與摩擦轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的功率相平衡。而由式【10】Tb=- （4.2）可見，永磁體制動轉(zhuǎn)矩與永磁體在定子中

53、感應(yīng)電勢E0的平方成正比。增強永磁體磁感應(yīng)強度，將使電磁轉(zhuǎn)矩的脈動分量幅值增大。4.2 功角特性由同步電機運行的向量圖可以看出 （4.3）定子繞組的銅損耗 （4.4）電磁功率Pem去除鐵損耗pFe和機械摩擦損耗Pm后，得到輸出給負(fù)載的機械功率P2 （4.5）忽略定子繞組的電阻Rs 時，同步電動機的電磁功率為 Pem=3UsIscos （4.6）可以求得 （4.7） 圖4.3 同步電動機向量圖4.3 磁路法的原理及一種單相永磁電機參數(shù)的計算4.3.1概述非均勻氣隙的存在是單相永磁同步電動機實現(xiàn)自起動的關(guān)鍵，但這種特殊結(jié)構(gòu)使電機在運行過程中受到磁阻轉(zhuǎn)矩的影響而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動。準(zhǔn)確計算電機繞組的反電動

54、勢變化波形，正確估算轉(zhuǎn)矩脈動含量，以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，提高轉(zhuǎn)速的可控性，降低電機振動和噪音，進而確定有效的改進措施和控制策略，都以電機徑向氣隙磁密的準(zhǔn)確計算為基礎(chǔ)。而準(zhǔn)確計算永磁電機氣隙內(nèi)磁場分布的關(guān)鍵是如何考慮非均勻氣隙對氣隙磁場分布的影響。計算單相永磁同步電動機徑向氣隙磁密有以下兩種方法3。l磁路法。徑向氣隙磁密可以利用磁路法來計算，文獻對永磁無刷直流電機的空載氣隙磁場進行過計算，文中考慮了電機開槽所帶來的影響，利用Schwarz一Christoffel變換構(gòu)造出電機徑向氣隙磁密的解析表達式。但是對于單相永磁同步電動機來說，為了實現(xiàn)自起動功能而采用了非均勻氣隙，加上單側(cè)U型定子鐵心的影響，這些結(jié)構(gòu)

55、上的非對稱性使其分析計算相當(dāng)困難，利用磁路法分析電機內(nèi)電磁場問題只能得到一些簡化的局部解。2數(shù)值計算法。由于永磁電機的磁路結(jié)構(gòu)的多樣性，且不斷有新結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，在進行電機設(shè)計的時候，為了提高計算的準(zhǔn)確程度，需要對電機進行數(shù)值計算。永磁電機中一些特殊的電磁過程和一些專門的問題，如永磁電機磁極結(jié)構(gòu)形狀與尺寸的優(yōu)化、永磁體的局部失磁問題和永磁電動機的起動問題等，只能夠通過電磁場數(shù)值計算才能完成定量分析。本文選用磁路法進行磁路計算。4.3.2磁路法基本原理磁路法可以較準(zhǔn)確地計算氣隙磁場分布波形，同時一可以觀察到氣隙磁場分布與結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系，具有很大的工程實用價值，并對電機設(shè)計具有指導(dǎo)意義。該電機的磁密分析難點在于氣隙的不對稱結(jié)構(gòu)。單相自起動永磁同步電動機特有的結(jié)構(gòu)給徑向氣隙磁密求解帶來以下三個難點：首先，該電機定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同于一