永磁電機(jī)概述

永磁電機(jī)概述第一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三INITIALELECTROMAGNETICDESIGNCHOICESA.RadialorAxialFlux?B.Ratings,MotorClasses,andTRV

（torque-per-unit-rotorVolume）C.ACorDCControl?D.ChoiceofRotorsE.Pole-NumberSelectionF.Noise,Vibration,CoggingTorque,andTorqueRippleG.WindingArrangementH.MagnetSelectionandPC（permeancecoef?cient）I.SteelSelectionandIronLossJ.InsulationSystems,SlotFill,andMechanicalAspectsofRotorStructure第二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三ACorDCControl?無刷永磁電機(jī)分為兩種類型：AC、DC兩種類型永磁電機(jī)的設(shè)計有著不同的要求，與其反電動勢波形及轉(zhuǎn)子位置檢測有關(guān)AC：相電流是正弦的，逆變器每個橋臂是180導(dǎo)通，使用位置編碼器，脈寬調(diào)制DC：電流波形是梯形的，120導(dǎo)通，用三個霍爾探測器檢測開關(guān)位置。因此交流（AC）電機(jī)需要由永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生正弦的反電動勢

直流電機(jī)（DC）需要梯形的反電動勢波形第三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三E、I一相反電動勢和電流的幅值在一相繞組正向?qū)?20°范圍內(nèi)，輸入線電流I為恒值其一相反電動勢為恒值轉(zhuǎn)子角速度為時一相繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Tep，總電磁轉(zhuǎn)矩T為第四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三DC運(yùn)行特性1）對應(yīng)梯形反電勢的全距和集中繞組2）高的功率密度3）霍爾效應(yīng)管用于檢測正確的電流開關(guān)位置（低損耗）4）適于電力驅(qū)動AC運(yùn)行特性1)

對應(yīng)正弦反電動勢和平滑運(yùn)行的分布的分?jǐn)?shù)槽繞組2)更好的控制及延伸的弱磁3)軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器用以控制電流（高成本）4)適于伺服驅(qū)動及驅(qū)動需要高質(zhì)量的弱磁能力第五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三ChoiceofRotors轉(zhuǎn)子的兩種最基本的拓?fù)溆幸稽c突出的表面磁鐵，常用于DC電動機(jī)中嵌入式磁鐵，有顯著的凸極，主要用于AC電機(jī)圖2表面和內(nèi)置的永磁四極電機(jī)紅、藍(lán)色是相反極化的磁鐵，灰色是疊片式鐵心a）非凸極的表面磁鐵轉(zhuǎn)子b）凸極內(nèi)置式磁鐵轉(zhuǎn)子（IPM）第六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三對表面磁鐵非凸極轉(zhuǎn)子，Xd=Xq，如圖2（a）對凸極轉(zhuǎn)子，⑴Xq>Xd，其優(yōu)點是峰值轉(zhuǎn)矩從q軸移一個距d軸約100~120電角的角度，這意味著當(dāng)電流在q軸上時，若出現(xiàn)一個瞬時過載，將會有一個額外的轉(zhuǎn)矩將電機(jī)拉回正確的觸發(fā)角，防止磁極滑動。⑵凸極同時還提供了一個額外的磁阻轉(zhuǎn)矩。圖3（a）串聯(lián)充磁并聯(lián)充磁第七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三對應(yīng)非凸極電機(jī)，則Xd=Xq，圖3b）為對應(yīng)非凸極電機(jī)的等效電路。兩種類型轉(zhuǎn)子的穩(wěn)態(tài)向量圖見圖3（a）電動機(jī)慣例第八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三圖3（c）對應(yīng)凸極電機(jī)，穩(wěn)態(tài)等效電路分為d、q兩個電路。在低飽和的情況下，Xd和Xq是相互獨立的，分別對應(yīng)d軸和q軸的磁阻在高度飽和的情況下，d軸和q軸分量是交叉耦合的。所以Xd=f(Id,Iq)，Xq=f(Id,Iq).第九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三這發(fā)生在電流向量超前于q軸時，由圖3可見，將有一個分量位于d軸上，它具有三個作用：有一個負(fù)的XdId向量在q軸上。它減少了電動機(jī)磁通，減少了高速時的鐵耗它減少了要求逆變器輸出的電壓它引進(jìn)了一個磁阻轉(zhuǎn)矩如果轉(zhuǎn)速超過基本同步速，則需要弱磁，這就需要內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子（IPM）。簡單的表面式永磁轉(zhuǎn)子的弱磁能力受到限制。第十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三一般的，三相繞組產(chǎn)生的電流向量應(yīng)該被放在轉(zhuǎn)子q軸上，除非要用到弱磁。這是用在高于基本轉(zhuǎn)速時，當(dāng)逆變器電壓已經(jīng)達(dá)到最大值，而要求的電流最大值不能達(dá)到時。逆變器開關(guān)時間是超前的，可以達(dá)到約15~20電角圖1是一臺小型4極DC控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線?？梢钥闯鲛D(zhuǎn)矩范圍由1500r/min擴(kuò)展到約2500~3000r/min第十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三磁極表面的槽用于控制Xq的大小，它還可以控制交叉飽和，使電機(jī)運(yùn)行更易于控制，更穩(wěn)定。第十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三Pole-NumberSelectionDC電機(jī)趨向于選擇低極數(shù)，（2,4,6等）ac電機(jī)趨向于選擇高極數(shù)（8,12,16等）高的極數(shù)使分?jǐn)?shù)槽繞組成為可能，極對數(shù)還是電機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)。下列幾點是要注意的：1）電機(jī)磁通在高頻率下是不能改變的，否則將造成鐵耗過高。在更高轉(zhuǎn)速下可以用弱磁方法以限制鐵耗2）磁通頻率=轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率極對數(shù)3）對一般的疊片鐵心，不能超出150~200Hz。4）兩極永磁電機(jī)的制造較為困難，繞組端部長，導(dǎo)致?lián)p耗的增加，同時定子鐵心軛部寬，導(dǎo)致電機(jī)直徑增加。第十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三WindingArrangementAC繞組的設(shè)計是為了獲得正弦的開路反電勢波形，DC繞組是要獲得梯形波分?jǐn)?shù)槽帶繞組常用于AC電機(jī)中，斜一個定子槽ACWindings:第十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三分?jǐn)?shù)槽帶繞組常用于AC電機(jī)中，斜一個定子槽斜槽、分?jǐn)?shù)槽：減少齒諧波轉(zhuǎn)矩分?jǐn)?shù)槽的好處：平均每對極下的槽數(shù)大為減少以較少數(shù)目的大槽代替數(shù)目較多的小槽可減少槽絕緣占據(jù)的空間，有利于槽滿率的提高增加繞組的短（長）距和分布效應(yīng)，改善反電動勢波形的正弦性分?jǐn)?shù)槽繞組電機(jī)有可能設(shè)計為線圈節(jié)距y=1（集中繞組）可以縮短線圈周長和繞a組端部伸出長度，減少用銅量，各個線圈端部沒有重疊，不必設(shè)相間絕緣。分?jǐn)?shù)槽集中繞組有利于用繞線機(jī)進(jìn)行機(jī)械繞線提高工效槽滿率的提高，使線圈周長縮短，銅耗隨之減低進(jìn)而提高效率和減低溫升減低齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動第十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三如圖是一個18槽8極內(nèi)置式永磁電機(jī)，其一相的繞組見圖a），轉(zhuǎn)子安排見圖b），這是一個分?jǐn)?shù)槽電機(jī)，使反電勢波形非常接近正弦。使轉(zhuǎn)矩平滑a）三相正弦繞組中一相的分布b）IPM電機(jī)的一半橫截面第十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三c）三相受控的正弦電流在轉(zhuǎn)子q軸上d）三相反電勢e）電磁轉(zhuǎn)矩第十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三DCWinding:DC繞組的結(jié)構(gòu)是要獲得一個梯形反電勢波形，與梯形的電流波形（120導(dǎo)通）相互作用產(chǎn)生一個平滑的轉(zhuǎn)矩。這需要一個整距集中繞組。圖6顯示一個12槽4極對稱三相繞組中的一相的分布a）2/3短距b）集中整距極距=12/4=3

第十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三梯形120導(dǎo)通三相電流短距繞組中的三相反電勢短距繞組的電磁轉(zhuǎn)矩整距繞組中的反電勢整距繞組的電磁轉(zhuǎn)矩A相120?導(dǎo)通B相120?導(dǎo)通A相120?導(dǎo)通第十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三對于永磁材料磁滯回線的第二象限部分可用于描述其特性，稱為退磁曲線。Br--H=0時的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度,Hc--B=0時的磁感應(yīng)矯頑力Hcj--Bi=0時的Hcj內(nèi)秉矯頑力內(nèi)稟退磁曲線MagnetSelectionandPC磁鐵的類型對電機(jī)的性能和成本影響很大第二十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三內(nèi)秉矯頑力Hcj和Hc的區(qū)別：Hc是處于技術(shù)飽和磁化后的磁體被反向充磁時，使磁感應(yīng)強(qiáng)度B降為0所需的反向磁場強(qiáng)度的值，但此時磁體的磁化強(qiáng)度并不為0，只是所加的反向磁場強(qiáng)度與磁體的磁化強(qiáng)度相互抵消，此時若撤銷外磁場，磁體仍具有一定的磁性。Hcj：若外加反向磁場>Hcj，磁鐵的磁性將會基本消除。Hcj是衡量磁體抗退磁能力的一個非常重要的一個物理量，是表征永磁材料抵抗外部反向磁場以保持其原始磁化狀態(tài)的一個主要指標(biāo)。在圖2-3的坐標(biāo)下，永磁材料中的磁場滿足：B=0H+0M0-真空磁導(dǎo)率，M-單位體積內(nèi)磁矩的矢量和，稱為磁化強(qiáng)度。其中0M稱為內(nèi)稟磁化強(qiáng)度，用Bi表示，Bi=0M=B+0H,Bi=f(H)稱為內(nèi)稟退磁曲線。第二十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三典型的不同磁鐵在25°C時的剩磁Br和回復(fù)磁導(dǎo)率REC見表ⅢAlnico-鋁鎳鈷合金，F(xiàn)errite-鐵氧體，Sinteredsamariumcobalt-燒結(jié)的釤鈷，SinteredNeodymiumironboron-燒結(jié)的釹鐵硼第二十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三，當(dāng)永磁體處于外加磁場時，工作點為A，當(dāng)去掉外加磁場時，工作點不是沿著退磁曲線變化，而是到了一個新位置A’如果循環(huán)的改變外磁場，得到一個局部磁滯回線，由于其非常狹窄，故可用一條直線代替，稱為回復(fù)線其斜率稱為回復(fù)磁導(dǎo)率。回復(fù)磁導(dǎo)率REC

磁能積-Bd*Hd，Bd*Hd越大，磁體蘊(yùn)含的磁能量越大。第二十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三磁鐵不能工作在非線性區(qū)域，如圖9，要有足夠的設(shè)計裕度使磁鐵在過載條件下也不會失磁。運(yùn)行點可以通過計算磁導(dǎo)系數(shù)（PC）和電負(fù)載效應(yīng)來獲得，對鐵氧體永磁電機(jī)PC至少要8，對稀土永磁，可以低些。三條斜線對應(yīng)三條空載磁路磁阻第二十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三磁導(dǎo)系數(shù)PC-又稱退磁系數(shù)。在退磁曲線上磁感應(yīng)強(qiáng)度Bd與磁場強(qiáng)度Hd的比值，即PC=Bd/Hd，PC越大，磁體工作點越高，越不容易被退磁。PC可以通過減少氣隙、是磁通路徑縮短及寬的齒和軛來改善，低磁密也可以改善PC第二十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三磁鐵材料的溫度特性也要考慮進(jìn)去永久失磁第二十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三第二十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三鐵氧體永磁體設(shè)計小結(jié)鐵氧體磁鐵需要良好的磁路和低的磁阻，否則，負(fù)載線將不能足夠陡，導(dǎo)致運(yùn)行點落在非線性區(qū)域當(dāng)x軸線由0定標(biāo)負(fù)載線的斜率等于負(fù)的PC，PC=（磁鐵厚度×氣隙面積)/(氣隙長度×磁鐵面積）。PC值可被用于設(shè)定磁鐵厚度對表面磁鐵氣隙面積磁鐵面積磁鐵厚度需設(shè)計得適當(dāng)大于氣隙長度所需磁鐵材料較多第二十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三稀土永磁討論小結(jié)PC不需要這么高，需要的材料較少，同樣PC可用于確定磁鐵厚度它具有高能量，磁化較困難需預(yù)激磁在溫度壓力下可能會退磁第二十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計技術(shù)通常用詳細(xì)的分析算法及電磁有限元算法來分析如圖16為8極永磁電機(jī)，該電機(jī)運(yùn)行在很高的超前相位下，使有寬范圍的弱磁（1500~6000r/min）并有固有的磁阻轉(zhuǎn)矩第三十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三這是在某個運(yùn)行點下，電流密度在190