微型永磁轉(zhuǎn)子同步電機(jī)

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(jī)，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(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，可自起動(dòng)，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(dòng)電機(jī)時(shí)可省去軸的動(dòng)密封?；诨镜碾姍C(jī)理論，對(duì)這種電機(jī)的結(jié)構(gòu)、起動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)原理及性能進(jìn)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(jī) ；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(jī)的分類11.2永磁電機(jī)發(fā)展11.3 單相永磁電機(jī)研究現(xiàn)狀31.4 研究?jī)?nèi)容和研究方法42 單相永磁同步電機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)62.2 結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其對(duì)電機(jī)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(jī)的起動(dòng)原理與分析133.1起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)矩分析143.2單相永磁同步電動(dòng)機(jī)獲得初速度過程的分析183.3單相永磁同步電動(dòng)機(jī)牽入同步的過程分析213.4 小結(jié)254 單相永磁同步電機(jī)的運(yùn)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(jī)參數(shù)的計(jì)算304.4電感計(jì)算364.5反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算384.6小結(jié)405 12V直流電源逆變電路設(shè)計(jì)425.1 設(shè)計(jì)方案分析425.2 方波電壓產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)445.3 三極管組合電路的設(shè)計(jì)485.4 逆變電路設(shè)計(jì)515.5直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn)545.6 小結(jié)566 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析586.1 技術(shù)分析58

7、6.2 經(jīng)濟(jì)效益分析596.3 社會(huì)效益分析59結(jié)論61參考文獻(xiàn)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(jī)的分類電機(jī)是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)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(jī)可分為兩大類。第一類是發(fā)電機(jī)，它的主要作用是利用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，目前最常用的是，利用熱能、水能等推動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子來發(fā)電。第二類是電動(dòng)機(jī)，它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源。按結(jié)構(gòu)和工作原理可劃分：直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可劃分：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)。有刷直流電動(dòng)機(jī)可劃分：永磁直流電動(dòng)機(jī)和電磁直流電動(dòng)機(jī)。電磁

8、直流電動(dòng)機(jī)劃分：串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。永磁直流電動(dòng)機(jī)劃分：稀土永磁直流電動(dòng)機(jī)、鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)和鋁鎳鈷永磁直流電動(dòng)機(jī)。異步電機(jī)可劃分：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和交流換向器電動(dòng)機(jī)。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可劃分：三相異步電動(dòng)機(jī)、單相異步電動(dòng)機(jī)和罩極異步電動(dòng)機(jī)等。交流換向器電動(dòng)機(jī)可劃分：?jiǎn)蜗啻畡?lì)電動(dòng)機(jī)、交直流兩用電動(dòng)機(jī)和推斥電動(dòng)機(jī)。同步電機(jī)可劃分：永磁同步電動(dòng)機(jī)、磁阻同步電動(dòng)機(jī)和磁滯同步電動(dòng)機(jī)1。本次設(shè)計(jì)中分析研究的電機(jī)屬于永磁同步電動(dòng)機(jī)中的一種。1.2 永磁電機(jī)發(fā)展隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(shí)，人們對(duì)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(jī)來作為驅(qū)動(dòng)裝置，不包括汽車用電機(jī)，我國(guó)目前城鎮(zhèn)家庭平均電機(jī)擁有量為15-50個(gè)，而發(fā)達(dá)國(guó)家每個(gè)家庭電機(jī)擁有量為70-100個(gè)。這反映了我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家在總體上的差距，也體現(xiàn)了小功率電機(jī)廣闊的發(fā)展前景。作為家用電器的能量轉(zhuǎn)換裝置，電機(jī)的性能直接決定了家用電器的質(zhì)量，電機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的日益完善，永磁電機(jī)越來越廣泛地應(yīng)用于高性能要求的場(chǎng)合。與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠；體積小，重量輕；損耗少，效率高；電

10、機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)。因而應(yīng)用范圍極其廣泛，幾乎遍及航空航天、國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。在三相永磁同步電動(dòng)機(jī)、圓形定子結(jié)構(gòu)單相異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的理論研究與產(chǎn)品開發(fā)日益增多的同時(shí)，一種結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、在泵類負(fù)載中被廣泛應(yīng)用的單相自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究報(bào)道卻很少。單相自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)，與同容量的單相異步電動(dòng)機(jī)相比，其效率卻能提高?？傊瑔蜗嘧云饎?dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、生產(chǎn)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，在家用電器領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。SiemenS、Emerson等國(guó)外知名電機(jī)公司目前都在大量

11、生產(chǎn)此類電機(jī)，但國(guó)內(nèi)對(duì)這種電機(jī)了解甚少，研究工作幾乎沒什么開展，目前需要加強(qiáng)對(duì)單相永磁同步電動(dòng)機(jī)研究的力度，這不僅具有理論價(jià)值，也有實(shí)際意義2。1.3 單相永磁電機(jī)研究現(xiàn)狀單相自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)由schemmann于1973年首先提出并進(jìn)行了初步的理論分析。上世紀(jì)90年代初，國(guó)外學(xué)者開始對(duì)該電機(jī)進(jìn)行理論研究，并取得一些成果。對(duì)于單相自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究國(guó)內(nèi)起步較晚，但是有關(guān)的專家、學(xué)者對(duì)此也做了大量的分析和研究：楊克信介紹了機(jī)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(jī)中的應(yīng)用3。根據(jù)各自的性能、特點(diǎn)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(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。藺江磊分別利用磁路法和有限元法，對(duì)電機(jī)的定子繞組電感、反電動(dòng)勢(shì)以及磁阻轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了計(jì)算2，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算的可靠性和準(zhǔn)確性。其并未深入涉及到關(guān)于電機(jī)啟動(dòng)原理及牽入同步的過程分析。唐孝鎬基于達(dá)朗貝爾定律的起動(dòng)過程運(yùn)動(dòng)方程，分析了單相永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的各種轉(zhuǎn)矩的特性與相互關(guān)系4，但是其分析啟動(dòng)牽入同步過程沒有涉及電機(jī)的振蕩啟動(dòng),在啟動(dòng)過程中沒有考慮磁滯和時(shí)間常數(shù)的影響，這兩方面的因素直接影響到電機(jī)的啟動(dòng)問題。付敏利用有限元法電機(jī)繞組電感、磁鏈和定位轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了計(jì)算5，在此基礎(chǔ)上,針對(duì)所建立的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,用龍格庫(kù)塔法對(duì)空載起動(dòng)過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算,得

13、到該電機(jī)電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速曲線。同時(shí)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(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向的影響。但有限元法只能對(duì)成型電機(jī)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算分析，不能用于指導(dǎo)電機(jī)的設(shè)計(jì)。所以其在文中沒有明確的提出方案改進(jìn)電機(jī)。謝衛(wèi)從稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本電磁關(guān)系出發(fā),定性分析起動(dòng)過程中定子和轉(zhuǎn)子不同頻率電流分量及其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相互作用,對(duì)起主要作用的異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了深入研究,采用相量法和迭加原理求得表征起動(dòng)性能的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率曲線,并同實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)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(duì)電機(jī)進(jìn)行了全面的仿真。永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和計(jì)算是電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)鍵問題之一。

14、永磁同步電動(dòng)機(jī)是依靠永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(chǎng)轉(zhuǎn)速(同步速)時(shí)，它才能形成穩(wěn)定的同步轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子工作；若轉(zhuǎn)子是在異步下運(yùn)行，則定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(dòng)和同步運(yùn)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(jī)起動(dòng)利用磁場(chǎng)的雙旋轉(zhuǎn)理論把脈振磁場(chǎng)分解成兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的磁場(chǎng)，在牽入同步的過程中運(yùn)用磁滯的原理來分析研究單相永磁同步電機(jī)的起動(dòng)。1.4 研究?jī)?nèi)容和研究方法本文研究的電機(jī)為一種微型永磁轉(zhuǎn)子同步電機(jī)，它使用單相交流電，磁滯起動(dòng)，同步運(yùn)轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、防爆。由于這種電機(jī)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(jī)。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(dòng)電機(jī)時(shí)又可省去軸的動(dòng)密封，使結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，而性能得到提高。因此，此電機(jī)選用的是由平行充磁的兩個(gè)半圓柱永磁體組成，永磁材料采用性能價(jià)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(jī)由于其體積小、重量輕、高效節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)正逐步取代中小功率的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速，有著廣闊的發(fā)展前景。本文分別對(duì)這種微型永磁轉(zhuǎn)子同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)、起動(dòng)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行進(jìn)行了分析和研究，并對(duì)當(dāng)有直流電源時(shí)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(jī)的結(jié)構(gòu)，分析了這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及這種特點(diǎn)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的影響，同時(shí)對(duì)永磁材料的選擇做了相關(guān)分析研究。在3中，對(duì)此種電機(jī)的起動(dòng)原理和起動(dòng)過程進(jìn)行了分析。起動(dòng)問題是研究單相永磁同步電機(jī)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(jìn)行磁滯啟動(dòng)并對(duì)其牽入同步的過程進(jìn)行了分析。在4中，對(duì)電機(jī)在同步穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下的特性進(jìn)行了分析，利用等效電路法分析并推導(dǎo)出了這種電機(jī)的功角特性，利用磁路法進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。在5中，在前面幾章分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)直流電源適用問題，設(shè)計(jì)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(chǎng)合

17、使用。并簡(jiǎn)要的說明了直流無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)與優(yōu)點(diǎn)。在6中，分析和說明了此種電機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(jī)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(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)，分析了這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及其對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的影響，最后對(duì)電機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)單相永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由定子和永磁轉(zhuǎn)子組成。電機(jī)定子鐵芯由U型結(jié)構(gòu)的硅鋼片疊制而成。為了使電機(jī)能從靜止的狀態(tài)下直接起動(dòng)，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(zhǎng)度小于極距

18、，構(gòu)成了兩個(gè)開口，以便定子電樞繞組的繞線及安裝。電機(jī)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(zhǎng)以及減小繞組電阻和漏抗，線圈被分成相等的兩段，直接對(duì)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(qiáng)了磁勢(shì)。電機(jī)在這種不對(duì)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(dòng)并牽入同步運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的自起動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)子由平行充磁的兩個(gè)半圓柱永磁體組成，永磁材料采用性能價(jià)格比較好的鐵氧體永磁材料。永磁體對(duì)于電機(jī)的運(yùn)行性能有非常重要的影響。永磁體在電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生一項(xiàng)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，脈動(dòng)分量轉(zhuǎn)矩在接近同步速時(shí)使電機(jī)同步牽入轉(zhuǎn)矩增加，這對(duì)于電機(jī)的同步是有利的；同時(shí)，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(shì)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(dòng)轉(zhuǎn)矩，在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)它有一峰值。如果該項(xiàng)分量過大，即電機(jī)中采用了過多的永磁材料，則在定子繞組中感應(yīng)的電勢(shì)過大，電機(jī)無(wú)法成功實(shí)現(xiàn)自起動(dòng),電機(jī)只能在某一轉(zhuǎn)速振蕩。這對(duì)于電機(jī)的起動(dòng)是不利的。對(duì)于定子鐵芯內(nèi)圓不同半徑構(gòu)成的不均勻氣隙，不對(duì)稱程度越大,起動(dòng)能力越強(qiáng)；對(duì)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(dòng)能力越強(qiáng)。由于電機(jī)起動(dòng)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(jī)稱為 圖2.1 定子結(jié)構(gòu)圖單相自起動(dòng)永磁同步電機(jī)。2.2

20、結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其對(duì)電機(jī)的影響 單相永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（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(duì)稱和不均勻氣隙。利用其不均勻氣隙、不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，利用定位轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)。（2）整個(gè)定子鐵芯呈U型，一端封閉，一端開口。此種設(shè)計(jì)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(jī)在沒有通電時(shí)轉(zhuǎn)子將停留在如圖2.2a)所示的位置，此時(shí)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(gè)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(shí)

21、針方向和順時(shí)針方向。由此可知，電機(jī)結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)對(duì)電機(jī)在運(yùn)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(duì)電機(jī)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(jià)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(chǎng)強(qiáng)度不低于0.7T的磁場(chǎng)中磁取向成型后，再在12001400溫度下燒結(jié)1-2h。中國(guó)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(diǎn)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(jià)格低，因此它主要用于對(duì)使用性能及體積要求不高及量大面廣的經(jīng)濟(jì)系列微電機(jī)產(chǎn)品中。如玩具電機(jī)、日用電器電機(jī)、音像電機(jī)、辦公設(shè)備及通用儀表電機(jī)、汽車摩托車電機(jī)以及工業(yè)用的小功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dá)到一個(gè)

23、新水平，推動(dòng)了新原理新結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)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(chǎng)干擾能力強(qiáng)，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(diǎn)。而且原材料成本較低，產(chǎn)品價(jià)格較低、產(chǎn)品性價(jià)比非常高、易加工。釹鐵硼永磁的缺點(diǎn)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(jìn)行表

24、面防護(hù)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(shí)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(diǎn)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(chǎng)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(wú)有害氣體、液體或粉塵，對(duì)環(huán)境無(wú)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(jī)，而在要求小體積、低噪音、耐強(qiáng)沖擊的電機(jī)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì).釹鐵硼永磁在微特電機(jī)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(shí)工藝溫度較高等問題對(duì)傲鐵硼的磁性能亦即電機(jī)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(jì)電機(jī)時(shí)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(jī)中獲得了廣泛應(yīng)用，尤其在計(jì)算機(jī)、汽車、家電、辦公自動(dòng)化設(shè)備、紡織、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域的微特電機(jī)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(jī)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(jī)中使用。鐵氧體永磁的突出優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低廉，不含稀土元素、鉆、鎳等貴金屬；制造工藝也較為簡(jiǎn)單；矯頑力較大，凡為128320kA/m，抗去磁能力較強(qiáng)；

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(jìn)行穩(wěn)磁處理，因而在電機(jī)中應(yīng)用最為廣泛，是目前電機(jī)中用量最大的永磁材料。鐵氧體永磁的主要缺點(diǎn)：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(jī)體積增大；環(huán)境溫度對(duì)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(shí)要進(jìn)行最低環(huán)境溫度時(shí)最大去磁工作點(diǎn)的校核計(jì)算，以防止在低溫時(shí)產(chǎn)生不可逆退磁。另外，鐵氧體永磁材料硬而脆，且不能進(jìn)行電加工，僅能切片和進(jìn)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(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)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(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jìn)行磁滯起動(dòng)。由于鐵氧體永磁材料具有矯頑力高

29、、抗去磁能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)的起動(dòng)原理與分析3 單相永磁同步電機(jī)的起動(dòng)原理與分析本章中，對(duì)此種電機(jī)的起動(dòng)原理和起動(dòng)過程進(jìn)行了分析。由于起動(dòng)問題是研究單相永磁同步電機(jī)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(jìn)行磁滯起動(dòng)，即電機(jī)從靜止的狀態(tài)下直接起動(dòng)。為了便于分析研究，本文還結(jié)合脈振磁場(chǎng)、磁滯起動(dòng)等相關(guān)理論對(duì)電機(jī)牽入同步的過程進(jìn)行了分析。起動(dòng)問題是永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算中的一個(gè)關(guān)鍵性問題。為了解決這一問題，電機(jī)采用階梯氣隙。采用階梯氣隙時(shí)，由于磁阻轉(zhuǎn)矩的作用轉(zhuǎn)子將會(huì)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(chǎng)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(chǎng)，磁場(chǎng)軸線與永磁體磁極軸線夾角為0此時(shí)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(shí)，定子磁密轉(zhuǎn)子磁密，夾角=0，轉(zhuǎn)子在起動(dòng)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(shí)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(shí)，瞬間轉(zhuǎn)矩T=0，轉(zhuǎn)子無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。脈振磁場(chǎng)軸線亦可能與永磁體磁極軸線夾角=180，此時(shí)瞬間轉(zhuǎn)矩

31、仍然為0，轉(zhuǎn)子亦無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，采用均勻氣隙無(wú)法實(shí)現(xiàn)自起動(dòng)。但是，由于通電瞬間電流合閘角和轉(zhuǎn)子靜止時(shí)永磁體N、S極的不確定性，使得電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向不確定，這是該電機(jī)的一個(gè)不足之處。 由于定子繞組通入單相交流電時(shí)，定子線圈產(chǎn)生脈振磁場(chǎng)，根據(jù)雙旋轉(zhuǎn)理論，此脈振磁場(chǎng)可分解為正、反兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)既可以順時(shí)針方向同步運(yùn)轉(zhuǎn)也可以逆時(shí)針方向同步運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣單相自起動(dòng)永磁同步電機(jī)適于驅(qū)動(dòng)對(duì)旋轉(zhuǎn)方向無(wú)特殊要求的負(fù)載，如泵類、風(fēng)機(jī)等。3.1起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)矩分析U型鐵芯單相永磁同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)在單相工頻交流供電

32、時(shí)能否自起動(dòng)以及為何要在定子鐵芯上開槽等問題，需要分析電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)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(chǎng)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(dòng)機(jī)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(shí)，永磁轉(zhuǎn)子的磁化方向?qū)⒆詣?dòng)停留在與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(chǎng)分布如上圖所示?；诖艌?chǎng)分析，可計(jì)算出永磁轉(zhuǎn)子在相對(duì)于定子鐵芯水平軸不同位置角時(shí)的轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子在一周內(nèi)有4個(gè)轉(zhuǎn)矩過零點(diǎn),分別為0、90、180和360，出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩最大值的位置也有4個(gè)，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(duì)最大定位轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)的位置有一定的影響，但對(duì)定位轉(zhuǎn)矩最大值的影響較小。以上是對(duì)定子繞組未通電時(shí)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(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。繞組通電前后，電動(dòng)機(jī)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?yàn)槔@組未通電時(shí)定子鐵芯本身沒有極性，永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)N極和S極對(duì)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(shí)具有固定極性的永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和由定子繞組電流產(chǎn)生具有一定極性的定子磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)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(dòng)，即采用均勻氣隙的U型鐵芯不具備自起動(dòng)能力。欲使電機(jī)具有起動(dòng)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(chǎng)軸線與定子繞組電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(duì)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(duì)稱開槽時(shí)的兩種結(jié)構(gòu)。由于氣隙的不均勻和不對(duì)稱，在定子繞組未通電時(shí)，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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的初始相位角，簡(jiǎn)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(shí)，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(shí)，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(shí)永磁轉(zhuǎn)子承受的轉(zhuǎn)矩不再是零，此時(shí)電動(dòng)機(jī)具有了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，該起動(dòng)轉(zhuǎn)矩將使永磁轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)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(jiǎn)便的方法是在定子鐵芯表面開不對(duì)稱槽，構(gòu)成氣隙的不均勻和不對(duì)稱，但兩種方法究其原理其實(shí)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(duì)

36、起動(dòng)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(hào)，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(dòng)機(jī)單方向旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，需要在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)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(shí)的電流方向來控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。 由上述分析可知，單相永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組電流需要根據(jù)永磁轉(zhuǎn)子的位置角進(jìn)行適時(shí)換向控制，否則電動(dòng)機(jī)不能獲得穩(wěn)定的運(yùn)行。采用固定頻率和電壓的電源供電的單相永磁同步電動(dòng)機(jī)，具有一種無(wú)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(dòng)和運(yùn)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(gè)周期時(shí)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(shí)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(dòng)機(jī)需要有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩； 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不能太大，否則轉(zhuǎn)子加速需要較長(zhǎng)的時(shí)間【6】。 如果電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)和電源控制參數(shù)配合不當(dāng)，電動(dòng)機(jī)將不能自起動(dòng)。為了改善上述電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)能力，有時(shí)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(dòng)機(jī)獲得初速度過程的分析定子上只有一個(gè)集中繞組，僅能建立脈動(dòng)磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子無(wú)任

38、何繞組，起動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩；由于采用不均勻氣隙，不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，利用定位轉(zhuǎn)矩能夠自行起動(dòng)4。1、起動(dòng)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(huì)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(jī)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(dòng)的磁勢(shì)和磁場(chǎng)。對(duì)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(jì)。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(jī)起動(dòng)過程示意圖此時(shí)，a b與dd間有一個(gè)位移(也可稱起動(dòng))角，其

39、合適的數(shù)值，成為影響電動(dòng)機(jī)能否順利起動(dòng)的關(guān)鍵之一。(3)t=tl0，在圖3.3a的時(shí)刻，假定定子磁場(chǎng)左邊為N極，右邊為S極，這時(shí)，它們與轉(zhuǎn)子的N一S極相斥，使轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。(4)當(dāng)t=t2t，時(shí)，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(jī)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(shí)，如果定子電流改變方向，其磁場(chǎng)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(shí)針旋轉(zhuǎn)，它們不停留在dd線上，還要繼續(xù)轉(zhuǎn)一個(gè)角度，達(dá)到圖3.3d的位置。(5)當(dāng)t=t3t2時(shí)，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(dòng)機(jī)的起動(dòng)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(shí)，轉(zhuǎn)子仍停在ab線上，但極性與圖3.3a相反，而t=t1時(shí)，定子形成的磁場(chǎng)極性不變，則轉(zhuǎn)子會(huì)通過逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。因此，這種電機(jī)的轉(zhuǎn)向是隨機(jī)的。(7)由于起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩。2、起動(dòng)過程的運(yùn)動(dòng)方程2.1基本假設(shè)(1)磁路不飽和，且不計(jì)磁滯的影響。(2)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，定子線圈交鏈的轉(zhuǎn)子磁通價(jià)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(shí)間t的函數(shù)。(3)空載起動(dòng)，兀=0。2.2起動(dòng)過程按照達(dá)朗貝爾定律，起動(dòng)過程的運(yùn)

41、動(dòng)(轉(zhuǎn)矩平衡)方程為 (3.2)方程中的各個(gè)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；d轉(zhuǎn)子的角加速度。2.3實(shí)現(xiàn)起動(dòng)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(dòng)。(2)在i=0，=0的時(shí)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(dòng)方向的討論無(wú)論是均勻氣隙設(shè)計(jì)還是非均勻氣隙設(shè)計(jì)，電機(jī)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(jì)等機(jī)械方法難以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，這是此種電機(jī)的另一特點(diǎn)，因而適用面有限，多用于驅(qū)動(dòng)那些運(yùn)行性能與轉(zhuǎn)向無(wú)關(guān)的負(fù)載

42、，如徑向葉片式的離心風(fēng)機(jī)和水泵4。目前有三種方法可以解決此種電機(jī)定轉(zhuǎn)向問題(1)機(jī)械方法附加單向止動(dòng)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(jī)或罩極電機(jī)，使定子能建立一個(gè)橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。但由于存在一個(gè)幅值相對(duì)不小的逆序磁場(chǎng)，實(shí)踐表明，在空載起動(dòng)時(shí)，仍然出現(xiàn)一定機(jī)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(shí)時(shí)控制定子繞組通電的時(shí)間和極性(正負(fù))，以達(dá)到定向目的。以上方法當(dāng)數(shù)電子控制方法簡(jiǎn)單穩(wěn)定，不過由于此種電機(jī)多用于小功率場(chǎng)合，如果添加控制電路對(duì)于成本，空間等問題又提出了要求，故現(xiàn)已多往直流無(wú)刷電機(jī)方向發(fā)展。不過此種電

43、機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)原理有不少的相似點(diǎn)，而且對(duì)于家電等方面，此種電機(jī)仍有其應(yīng)用潛力存在。3.3單相永磁同步電動(dòng)機(jī)牽入同步的過程分析單向交流電流是一個(gè)隨時(shí)間按正玄規(guī)律變化的電流。他所產(chǎn)生的磁場(chǎng)就是一個(gè)脈振磁場(chǎng)。當(dāng)電流增大時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之增大。電流方向相反時(shí)，磁場(chǎng)方向也就隨之反過來。但是在任何時(shí)刻，空間的磁場(chǎng)軸線并不移動(dòng)。只是磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向與正玄電流一致，將隨時(shí)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(gè)脈振磁場(chǎng)分解成兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度相等，但旋轉(zhuǎn)方向相反。每個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅值等余脈振磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值的一半，即。這樣一來，任一瞬間脈振磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度都等

44、于這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的向量和。在瞬間，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的向量相反，所以，合成磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0。在瞬間，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的相量對(duì)水平軸都偏轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，即。B1和B2的合成磁感應(yīng)強(qiáng)度: (3.3) 圖3.4 雙旋轉(zhuǎn)向量圖圖中定子弧長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的角度。把脈振磁場(chǎng)分解為對(duì)稱的兩個(gè)向量，如圖，可知當(dāng)分解磁場(chǎng)夾角小于定子弧長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的角度時(shí)，完全可以用雙旋轉(zhuǎn)理論對(duì)本電機(jī)的起動(dòng)過程進(jìn)行分析，但是當(dāng)角度大于時(shí)，即分解磁場(chǎng)超出定子圓弧后，對(duì)稱向量法便不再適用于本電機(jī)。此時(shí)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。為了減小振動(dòng)，可以加長(zhǎng)定子弧長(zhǎng)，使起動(dòng)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(chǎng)分解為兩個(gè)轉(zhuǎn)速

45、相同，方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。電機(jī)在不均勻氣隙的作用下獲得的初速度總會(huì)與兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之一擁有較小的相對(duì)速度。在這個(gè)速度方向上，電機(jī)的磁滯材料將發(fā)揮主要作用，經(jīng)過磁滯作用將電機(jī)牽入同步。磁滯材料在進(jìn)行反復(fù)磁化時(shí)，其分子不能按外部磁場(chǎng)方向及時(shí)作相應(yīng)的排列。因而在時(shí)間上有一個(gè)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(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)是其具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此它不需要任何啟動(dòng)繞組就能自行進(jìn)入同步，并且能穩(wěn)定的在同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠。當(dāng)磁滯式單相同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組接通電源后，將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(chǎng)的磁滯作用，以致轉(zhuǎn)子磁化

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

47、子的轉(zhuǎn)速將從零一直增加到同步轉(zhuǎn)速。這時(shí)轉(zhuǎn)子相對(duì)于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子即被恒定的磁化。轉(zhuǎn)子上各處的磁感應(yīng)強(qiáng)度是恒定的，于是硬磁材料制成的轉(zhuǎn)子將類似于一個(gè)永磁轉(zhuǎn)子而被牽入同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行。圖3.5 磁滯轉(zhuǎn)矩的形成下圖展示了牽入同步運(yùn)行的全過程?？梢钥闯觯孪葼咳胪竭\(yùn)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(shí)間內(nèi)，能夠?qū)⑥D(zhuǎn)子加速到n。理論上，對(duì)f=50Hz的電源10ms;f=60Hz時(shí)， 8.33ms。實(shí)際上，計(jì)及一些其它因素，并留有一定裕量，對(duì)于f=50Hz時(shí)，通常就要求6ms，60Hz時(shí)， 5ms。這樣，經(jīng)過幾個(gè)周波的震蕩后，穩(wěn)定在n=，

48、同步運(yùn)行完成起動(dòng)過程。 圖3.6 牽入同步運(yùn)行過程3.4 小結(jié) 單相自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，該電機(jī)通過采用非對(duì)稱氣隙，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的自起動(dòng)。電機(jī)定子有兩個(gè)特點(diǎn)，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(gè)特點(diǎn)是整個(gè)定子鐵芯呈U型，一端封閉，一端開口。這兩個(gè)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的自起動(dòng)，同時(shí)給電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性帶來不利影響，而且使得對(duì)電機(jī)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(jī)的運(yùn)行原理與分析4 單相永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理與分析 電機(jī)正常工作時(shí)處于以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定運(yùn)型狀態(tài)，本章首先對(duì)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析和論述，然后研究電機(jī)在穩(wěn)態(tài)

49、運(yùn)行時(shí)的功角特性，最后對(duì)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。4.1電磁轉(zhuǎn)矩分析 永磁同步電動(dòng)機(jī)是依靠永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(chǎng)轉(zhuǎn)速(同步速)時(shí)，它才能形成穩(wěn)定的同步轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子工作。但當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線間的夾角就會(huì)相應(yīng)增大。而當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的負(fù)載減小時(shí)，該兩軸線間的夾角則又會(huì)減小。雖然負(fù)載變化時(shí)定、轉(zhuǎn)子之間的夾角會(huì)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(chǎng)以恒定的同步轉(zhuǎn)速運(yùn)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(dòng)機(jī)的極對(duì)

50、數(shù)p。但是如果電動(dòng)機(jī)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(yùn)行而發(fā)生失步現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至可能會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。這個(gè)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(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁極之間將存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),在圖4.1所示的瞬間轉(zhuǎn)子會(huì)受到逆時(shí)針方向的轉(zhuǎn)矩。而當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90或180時(shí)，作用在轉(zhuǎn)子磁極上的電磁轉(zhuǎn)矩卻變成了順時(shí)針方向。因而定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(huì)將為零。這說明電動(dòng)機(jī)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(chǎng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行。因此，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速只能等于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)的工作原理圖4.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)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(zhǎng)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(shí)，磁力線被扭曲和拉長(zhǎng)。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(shí)，磁力線被扭曲和拉長(zhǎng)得最為嚴(yán)重而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也最大。如電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)p=2，從圖中不難看出，當(dāng)=0和90時(shí)，轉(zhuǎn)子都只受到徑向力的作用而磁力線沒有被扭曲拉長(zhǎng)，因而也就不會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。而當(dāng)=45時(shí)，磁力線被扭曲拉長(zhǎng)得最嚴(yán)重其電磁轉(zhuǎn)矩也就最大。如磁極對(duì)數(shù)p為其他值時(shí)，可依此類推。線間的電角度等于0時(shí)，其電磁轉(zhuǎn)矩為0；而電角度由0

52、向90增加時(shí)則電磁轉(zhuǎn)矩隨之增加；當(dāng)電角度為90時(shí)其電磁轉(zhuǎn)矩為最大，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的機(jī)械強(qiáng)度=90/p。因此，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加時(shí)，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(dòng)機(jī)將會(huì)因拖不動(dòng)負(fù)載使轉(zhuǎn)速下降而出現(xiàn)失步現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可能停止運(yùn)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(duì)應(yīng)的某一恒定數(shù)值的電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩角的變化對(duì)應(yīng)著功率角的變化，當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定在同步速以后轉(zhuǎn)矩角保持在一個(gè)恒定的數(shù)值。這說明功率角在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)也保持不變，電機(jī)同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)輸入的電磁功率剛好與摩擦轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的功率相平衡。而由式【10】Tb=- （4.2）可見，永磁體制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與永磁體在定子中

53、感應(yīng)電勢(shì)E0的平方成正比。增強(qiáng)永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度，將使電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)分量幅值增大。4.2 功角特性由同步電機(jī)運(yùn)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(jī)械摩擦損耗Pm后，得到輸出給負(fù)載的機(jī)械功率P2 （4.5）忽略定子繞組的電阻Rs 時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率為 Pem=3UsIscos （4.6）可以求得 （4.7） 圖4.3 同步電動(dòng)機(jī)向量圖4.3 磁路法的原理及一種單相永磁電機(jī)參數(shù)的計(jì)算4.3.1概述非均勻氣隙的存在是單相永磁同步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自起動(dòng)的關(guān)鍵，但這種特殊結(jié)構(gòu)使電機(jī)在運(yùn)行過程中受到磁阻轉(zhuǎn)矩的影響而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)繞組的反電動(dòng)

54、勢(shì)變化波形，正確估算轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)含量，以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，提高轉(zhuǎn)速的可控性，降低電機(jī)振動(dòng)和噪音，進(jìn)而確定有效的改進(jìn)措施和控制策略，都以電機(jī)徑向氣隙磁密的準(zhǔn)確計(jì)算為基礎(chǔ)。而準(zhǔn)確計(jì)算永磁電機(jī)氣隙內(nèi)磁場(chǎng)分布的關(guān)鍵是如何考慮非均勻氣隙對(duì)氣隙磁場(chǎng)分布的影響。計(jì)算單相永磁同步電動(dòng)機(jī)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(jì)算，文獻(xiàn)對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的空載氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行過計(jì)算，文中考慮了電機(jī)開槽所帶來的影響，利用Schwarz一Christoffel變換構(gòu)造出電機(jī)徑向氣隙磁密的解析表達(dá)式。但是對(duì)于單相永磁同步電動(dòng)機(jī)來說，為了實(shí)現(xiàn)自起動(dòng)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(duì)稱性使其分析計(jì)算相當(dāng)困難，利用磁路法分析電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)問題只能得到一些簡(jiǎn)化的局部解。2數(shù)值計(jì)算法。由于永磁電機(jī)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(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)候，為了提高計(jì)算的準(zhǔn)確程度，需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。永磁電機(jī)中一些特殊的電磁過程和一些專門的問題，如永磁電機(jī)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(dòng)機(jī)的起動(dòng)問題等，只能夠通過電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算才能完成定量分析。本文選用磁路法進(jìn)行磁路計(jì)算。4.3.2磁路法基本原理磁路法可以較準(zhǔn)確地計(jì)算氣隙磁場(chǎng)分布波形，同時(shí)一可以觀察到氣隙磁場(chǎng)分布與結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系，具有很大的工程實(shí)用價(jià)值，并對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。該電機(jī)的磁密分析難點(diǎn)在于氣隙的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。單相自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)特有的結(jié)構(gòu)給徑向氣隙磁密求解帶來以下三個(gè)難點(diǎn)：首先，該電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同于一