永磁同步電動(dòng)機(jī)的分析與設(shè)計(jì)

1、永磁同步電動(dòng)機(jī)的分析與設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師：袁保和老師 學(xué)生姓名：鮑宇雷 學(xué)號(hào)一.永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 永磁同步電機(jī)具有高效率、全封閉自冷、小型輕量化、大扭矩輸出、直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，與感應(yīng)電機(jī)相比具備以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：首先，由于轉(zhuǎn)子是永久磁鐵，不需要轉(zhuǎn)子線圈，從而減少了旋轉(zhuǎn)時(shí)的銅損，總損耗可減少2/3；其次，采用永磁體、全封閉和無(wú)傳感器控制的驅(qū)動(dòng)方式，使得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、輕量化；第三，封閉結(jié)構(gòu)保證了沒(méi)有外部塵埃的侵入，能夠減少部件損害，且維護(hù)簡(jiǎn)單；第四，與200kW級(jí)感應(yīng)電機(jī)相比，噪聲降低了12dB（A）。二.永磁同步電機(jī)基本原理 1.電機(jī)是以磁場(chǎng)為媒介進(jìn)行機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置。 2.為在電機(jī)內(nèi)

2、建立進(jìn)行電能量所必須的氣隙磁場(chǎng)，可有兩種方法：一種是在電機(jī)繞組內(nèi)通以電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，如普通的直流電機(jī)，同步和異步電機(jī)等；另一種是永磁體來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，即永磁同步電機(jī)。圖2機(jī)座與定子圖1定子鐵芯與繞組 永磁同步電動(dòng)機(jī)與普通異步電動(dòng)機(jī)的不同是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體磁極，圖3左就是一個(gè)安裝有永磁體磁極的轉(zhuǎn)子，永磁體磁極安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯圓周表面上，稱為凸裝式永磁轉(zhuǎn)子。磁極的極性與磁通走向圖3右，這是一個(gè)4極轉(zhuǎn)子。 根據(jù)磁阻最小原理，也就是磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，利用磁引力拉動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，于是永磁轉(zhuǎn)子就會(huì)跟隨定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。 圖4左是另一種安裝有永磁體磁極的轉(zhuǎn)子，永磁體磁極嵌裝在轉(zhuǎn)子鐵芯

3、表面，稱為嵌入式永磁轉(zhuǎn)子。磁極的極性與磁通走向見(jiàn)圖右，這也是一個(gè)4極轉(zhuǎn)子。圖3凸裝式永磁轉(zhuǎn)子圖4嵌入式永磁轉(zhuǎn)子鐵芯1三.永磁材料 永久磁體使用稀土材料制造，中國(guó)的稀土儲(chǔ)藏量世界最高。我國(guó)資源很適合發(fā)展永磁同步電機(jī)永磁材料的概念 永磁材料又稱“硬磁材料”。永磁材料的主要磁性能指標(biāo)是：剩磁、矯頑力、內(nèi)稟矯頑力、磁能積。我們通常所說(shuō)的永磁材料的磁性能，指的就是這四項(xiàng)。永磁材料的其它磁性能指標(biāo)還有：居里溫度、可工作溫度、剩磁及內(nèi)稟矯頑力的溫度系數(shù)、回復(fù)導(dǎo)磁率、退磁曲線方形度、高溫減磁性能以及磁性能的均一性等。除磁性能外，永磁材料的物理性能還包括密度、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等；機(jī)械性能則包括維氏硬度

4、、抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性等。此外，永磁材料的性能指標(biāo)中還有重要的一項(xiàng)，就是表面狀態(tài)及其耐腐蝕性能。永磁材料具有寬磁滯回線、高矯頑力和高剩磁。 對(duì)同一鐵磁材料，以不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hm分別進(jìn)行反復(fù)多次反復(fù)磁化，可得到多個(gè)大小不等的磁滯回線，如下圖2-2所示。將各磁滯回線的頂點(diǎn)連接起來(lái)，所得到的一條曲線稱為基本磁化曲線或稱為平均磁化曲線。四.永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì) 1.定子沖片尺寸和氣隙長(zhǎng)度的確定 當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，極數(shù)確定，則定子槽數(shù)取決于每極每相槽數(shù)q1，q1對(duì)參數(shù)、性能影響較大。當(dāng)q1較大時(shí)，定子諧波磁場(chǎng)減小，附加損耗降低；定子槽漏抗減小；槽中線圈邊的總散熱面積增大，有利于散熱；絕緣材料用量和加工工時(shí)

5、增加，槽利用率低。綜合考慮，q1在26之間選擇，取整數(shù)，極數(shù)少、功率大的，q1取大值；極數(shù)多的，q1取小值。 對(duì)于常規(guī)用途的小功率永磁同步電動(dòng)機(jī)，為提高零部件的通用性，縮短開(kāi)發(fā)周期和成本，通常選用Y系列或Y2系列或Y3系列小型三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子沖片。2.定子繞組的設(shè)計(jì) 永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)含有大量的諧波，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中諧波含量也較高，為避免三次諧波在繞組各相之間產(chǎn)生環(huán)流，三相繞組的連接通常采用Y形接法。 （1）定子繞組型式和節(jié)距選擇 與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣，永磁同步電動(dòng)機(jī)使用的繞組型式有單層繞組、雙層繞組和正弦繞組等。其中單層繞組又分為同心式、鏈?zhǔn)胶徒徊媸?，區(qū)別在于端接形狀、線圈節(jié)距和

6、線圈之間的連接順序。這些繞組形式各有其特點(diǎn)和適用場(chǎng)合。 單層繞組的優(yōu)點(diǎn)是： 槽內(nèi)無(wú)層間絕緣，槽利用率高； 同一槽內(nèi)導(dǎo)體屬于同一相，不會(huì)發(fā)生層間擊穿； 線圈數(shù)比雙層少一倍，線圈制造和q嵌線方便。但也存在缺點(diǎn)，如不能做成短距以改善磁場(chǎng)波形，主要用于160及以下機(jī)座。其中同心式繞組的端部用銅多，線圈尺寸不同，制造復(fù)雜，多適用于q1=4、6、8的二極電機(jī)；鏈?zhǔn)嚼@組適用于q1=2的4、6、8極電機(jī)；交叉式繞組適用于q1為奇數(shù)的電機(jī)。 2）每相串聯(lián)匝數(shù)的確定 永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能和功率因數(shù)都與每相串聯(lián)匝數(shù)直接相關(guān)。在確定每相串聯(lián)匝數(shù)時(shí)，通常先滿足起動(dòng)要求，再通過(guò)調(diào)整永磁體滿足功率因數(shù)的要求。永磁同步電

7、動(dòng)機(jī)的起動(dòng)能力比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)差，故每相串聯(lián)匝數(shù)少，起動(dòng)電流倍數(shù)高。 （3）電流密度選擇、線規(guī)、并繞根數(shù)和并聯(lián)支路數(shù)的確定 一般來(lái)講，在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，為達(dá)到高效節(jié)能的目的，電流密度通常比同容量的感應(yīng)電機(jī)低，同時(shí)每相串聯(lián)匝數(shù)較小也為低電流密度的采用提供了保證。導(dǎo)線截面積為 式中：Nt1為并繞根數(shù)。對(duì)于小電機(jī)，每槽導(dǎo)體數(shù)較多，非常容易選擇合適的每槽導(dǎo)體數(shù)以滿足起動(dòng)性能的要求，為避免極間連線過(guò)多，a1通常取小值；對(duì)于容量較大的電機(jī)，每槽導(dǎo)體數(shù)較小，a1通常取大值以增加每槽導(dǎo)體數(shù)，增大其選擇余地，滿足起動(dòng)性能的要求。小型永磁同步電動(dòng)機(jī)通常采用圓銅線，為便于嵌線，線徑不超過(guò)1.68mm，線徑應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)值。

8、線規(guī)確定后，要核算槽滿率，槽滿率一般控制在75%80%，機(jī)械化下線控制在75%以下。3.永磁體設(shè)計(jì) 在永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，永磁體形狀通常為矩形，主要尺寸為：每極永磁體的總寬度、永磁體充磁方向長(zhǎng)度和永磁體軸向長(zhǎng)度，其中永磁體軸向長(zhǎng)度跟電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心長(zhǎng)度相同，因此只需確定每極永磁體的總寬度和永磁體的充磁方向長(zhǎng)度。 確定永磁體充磁方向長(zhǎng)度的原則是：在永磁材料用量盡可能少的前提下，保證永磁體在電機(jī)最大去磁工作狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生不可逆去磁，保證永磁體在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下有合理的工作點(diǎn)。此外永磁體充磁方向長(zhǎng)度還于直軸電抗有關(guān)，但在設(shè)計(jì)時(shí)考慮較少.五.永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)用前景電動(dòng)汽車：伴隨著汽車工業(yè)的極速發(fā)展，環(huán)保問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，為了解決上述問(wèn)題，并且大幅度改善燃油經(jīng)濟(jì)型，毫無(wú)疑問(wèn)就是使用電動(dòng)汽車。永磁同步電機(jī)以其高效率、高功率因素和高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的主流電機(jī)之一。 軌道交通領(lǐng)域： 東芝公司和日本鐵道綜研所自1992年起共同開(kāi)發(fā)鐵道車輛用永磁同步電機(jī)，2000年開(kāi)始對(duì)通勤鐵路和地鐵車輛用永磁同步電機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，現(xiàn)已成功研制了具有世界先進(jìn)水平的永磁同步電機(jī)產(chǎn)品，在多種軌道交通車輛上投入運(yùn)用。 電梯領(lǐng)域： 永磁同步電機(jī)產(chǎn)生較小的