永磁同步電動機電磁設計

模板利用說明（請在利用前詳細閱讀此說明?。└鞑糠輧热菽軌蛑苯哟蜃州斎耄部衫谜迟N功能，但要保證粘貼內容格式正確。目錄為自動生成模式，不要修改目錄，論文完成后請右鍵單擊目錄區(qū)域，選擇“更新域”即可。各級題目必然要利用相應題目格式，不然在目錄里不能表現。論文中各類行間距請自行調整。如本模板和《哈爾濱理工大學本科畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范》的規(guī)定不一至，以《哈爾濱理工大學本科畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范》的規(guī)定為準。永磁同步電動機設計摘要永磁同步電動機（，簡稱PMSM）是一種新型電機，永磁同步電動機具有結構簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高等長處，和直流電機相較，它沒有直流電機的換向器和電刷等缺點。和異步電動機相較，它由于不需要無功勵磁電流，因此具有效率高，功率因數高，轉矩慣量大，定子電流和定子電阻損耗小等特點。本文主要介紹永磁同步電動機（PMSM)的進展背景和前景、工作原理、進展趨勢，以異步起動永磁同步電動機為例，詳細介紹了永磁同步電動機的電磁設計，主要包括額定數據和技術要求、主要尺寸、永磁體計算、定轉子沖片、繞組計算磁路計算、參數計算、工作特性計算、起動性能計算等，還列舉了相應的算例。還通過Ansoft軟件的Rmxprt模塊對永磁同步電動機進行了性能分析，得出了效率、功率、轉矩的特性曲線，而且別離改變了電機的三個參數，得出了電機的優(yōu)化方案。又通過Ansoft軟件Maxwell2D的瞬態(tài)模塊對電機參數進行了仿真，對電機進行了磁場散布計算，求出了電流、轉矩曲線和電機的磁力線、磁通密度散布圖。關鍵詞永磁同步電動機；電磁設計；性能分析；磁場分析ThedesignofAbstractPMSM(Permanent-MagnetSynchronousMotor)isanewtypeofmotor,whichhastheadvantagesofsimplestructure,smallvolume,

lightweight,

lowloss,

highefficiency.ComparedwiththeDCmotor,ithasnoDCmotorcommutatorandbrush.Comparedwiththe

asynchronousmotor,becauseit

doesnotrequire

no

powerexcitation

current,Ithastheadvantagesofhighefficiency,highpowerfactor,largemomentofinertia,statorcurrentandsmallstatorresistanceloss.Thispapermainlyintroducesthe

PMSM'sdevelopment

backgroundandforeground,

workingprinciple,

developmenttrend,takingasynchronous

startpermanent

magnetsynchronousmotorasanexample,itintroducesindetailthe

electromagnetic

designofPMSM,thatmainlyincludesthe

rateddata

andtechnicalrequirements,

maindimensions,permanentmagnet

calculation,rotorandstatorpunching,

winding

magneticcircuitcalculation,

calculationof

parameterscalculation,

performance

calculation,calculationofstartingperformance

etc,andalso

liststhe

relevantexamples.wealsocananalysetheperformance

ofPMSMthroughtheRmxprt

moduleofAnsoftsoftware,andconcludethatthe

characteristiccurveof

efficiency,

power,

torque.Bychanging

three

parametersofthemotor,Igettheoptimalscheme

ofthemotor。Through

transient

moduleofAnsoftsoftware

Maxwell

2D

tosimulatethe

motorparameters,themagneticfielddistribution

ofthe

motor

iscalculated,I

canbeobtainedthecurvesofthe

currentandthetorque,thedistributionofmagneticlineofforceandthedistributionofmagneticfluxdensityKeywordsPMSM；motordesign；performanceanalysis;Magneticfieldanalysis目錄摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII本文主要介紹永磁同步電動機（PMSM)的進展背景和前景、工作原理、進展趨勢，以異步起動永磁同步電動機為例，詳細介紹了永磁同步電動機的電磁設計，主要包括額定數據和技術要求、主要尺寸、永磁體計算、定轉子沖片、繞組計算磁路計算、參數計算、工作特性計算、起動性能計算等，還列舉了相應的算例。還通過Ansoft軟件的Rmxprt模塊對永磁同步電動機進行了性能分析，得出了效率、功率、轉矩的特性曲線，而且別離改變了電機的三個參數，得出了電機的優(yōu)化方案。又通過Ansoft軟件Maxwell2D的瞬態(tài)模塊對電機參數進行了仿真，對電機進行了磁場散布計算，求出了電流、轉矩曲線和電機的磁力線、磁通密度散布圖。 II第1章緒論 1課題背景 1永磁電機進展趨勢 2本文研究主要內容 3第2章永磁同步電動機的原理 4永磁材料 4永磁同步電動機的大體電磁關系 5小結 10第3章永磁同步電動機的電磁設計 11永磁同步電機本體設計 11永磁同步電動機的額定數據和主要性能指標 11定子沖片和氣隙長度的肯定和定子繞組的設計 12轉子鐵心的設計 13永磁同步電動機本體設計示例 15小結 37第4章永磁同步電動機的性能分析及磁路計算 39永磁同步電動機的性能分析 39永磁同步電動機的磁路計算 46小結 52結論 55致謝 56參考文獻 57附錄 58第1章緒論課題背景永磁同步電動機(PMSM)具有體積小、效率高、功率因數高、起動力矩大、力能指標好、溫升低等特點。永磁同步電機的運行原理與電勵磁同步電機相同，但它以永磁體提供的磁通代替后者的勵磁繞組勵磁，使電機結構更為簡單。最近幾年來，永磁材料性能的改善和電力電子技術的進步，推動了新原理、新結構永磁同步電機的開發(fā)，有力地增進了電機產品技術、品種及功能的進展，某些永磁同步電機已形成系列化產品，容量從小到大，已達到兆瓦級，應用范圍愈來愈廣；其地位愈來愈重要，參軍工到民用，特殊到一般迅速擴大，不僅在微特電機中占優(yōu)勢，而且在電力推動系統中也顯示出了壯大的生命力。永磁同步電機以其效率高、功率大、結構簡單、節(jié)能效果顯著等一系列長處在工業(yè)生產和日常生活中慢慢取得普遍應用。尤其是最近幾年來高耐熱性、高磁性能釹鐵硼永磁體的成功開發(fā)和電力電子元件的進一步進展和改良，目前正向超高速、高轉矩、大功率、微型化、高功能化方向進展[1]。與傳統的電勵磁電機相較，永磁電機，專門是稀土永磁電機具有結構簡單，運行靠得住，體積小，質量輕，損耗小，效率高，電機的形狀和尺寸能夠靈活多樣等顯著長處。與傳統的同步電動機相較較，采用永磁體既簡化了電機的結構、實現了無刷化，提高了靠得住性，又節(jié)約用銅，省去了轉子銅耗，提高了電機效率[2]。因此應用范圍極為普遍，幾乎遍及航空航天、國防、工農業(yè)生產和日常生活的各個領域[3]。新型永磁材料的出現大大增進了永磁同步電機的進展，同時也解決了制約稀土永磁電機發(fā)展的共性關鍵技術，其中之一就是改良永磁體加工工藝、提高材料利用率、降低本錢，利用率提高20%，加工費降低50%[4]。日本1965年就開始研制電動車，于1967年成立了日本電動車協會[5]。從1996年，豐田汽車公司的電動機RAV4就采用了東京電機公司的插入式永磁同步電機作為驅動電機，最大功率50kW，最高轉速1300r/min到本田公2001年推出的燃料電池實驗車FCX-V4的驅動電機最高功率為60kW，最大轉矩為272N·m。歐洲許多發(fā)達國家很早就開始了對電動車的研究。在電動車驅動電機的選擇上，不同國家各有偏重：英國、法國偏重于永磁無刷直流電機，德國偏重于開關磁阻電機。德國第三代奧迪混合電動車驅動電機采用了永磁同步電機。其最高轉速為12,500r/min,最大輸出功率32kW。美國的電動車開發(fā)比日本晚。在美國，感應電機的設計及其控制策略的進展較為成熟，所以電動車驅動電機還主要以感應電機為主。美國兩個最高車速別離為72km/h和56km/h的短程混合電動公交車上也采用了永磁同步電機作為驅動電機[6]。永磁電機進展趨勢1.永磁電機向大功率、高轉速、高力矩、高效率同時質輕進展目前永磁同步電機普遍應用于電動汽車、有軌無軌機車、航空航天、電梯、家用電器、航海等領域，開發(fā)出高功率、高轉速、高力矩、高效率、質輕的永磁同步電機可見對節(jié)能環(huán)保、高效高質量服務等方面具有專門大的推動作用，這也是永磁同步電機的進展趨勢。高功率：德國西門子公司于1986年完成了1100kW，230r/min機電一體化的交流永磁同步推動電機；另外1760kW永磁同步推動電機裝于U-212潛艇試用，其長度和有效體積與傳統的直流推動電機相較減少很多。目前研制的永磁同步電動機最大功率為14MW，轉速150r/min，用于Siemens公司和Schotel公司聯合生產的SSP吊倉式電力推動系統[7]。高轉速：超高速電機典型產品如美國通用電氣公司初期研制的150kW，轉速為23000r/min的航空用起動發(fā)電機和日本的1000kW，轉速為15000r/min的釤鈷永磁同步發(fā)電機。超高速電機在旋轉時有專門大的離心力，為使永磁體和其他材料不致于飛散，需要采取機械加固辦法，一般在轉子外徑處套一非磁性鋼的護環(huán)。高效率：永磁電機又是一種高效節(jié)能產品，平均節(jié)電率高達10%以上，專用稀土永磁電機的節(jié)電率可高達15%~20%。美國GM公司研制的釹鐵硼永磁起動電機與老式串激直流起動電機相較，不僅重量由原來的kg降低到kg，體積減少了1/3，而且效率提高了45%。在水泵、風機、緊縮機需要無級變頻調速的場合，異步變頻調速可節(jié)電25%左右，而永磁變頻調速節(jié)電率高達30%以上[8]；竇滿鋒等[9]提出了油田抽油機專用稀土永磁同步電機的設計方式，研制的REPMSM比相應的異步電機效率提高%，功率因數提高13%，起動轉矩提高50%。在油田抽油機上利用節(jié)能效果明顯等等。國外提高電動機效率的主要途徑是：（1）通過對同步電動機的優(yōu)化設計，增加銅、鋁、電工鋼板等有效材料用量，降低繞組損耗和鐵耗；（2）采用較好的磁性材料和工藝，以降低鐵耗；（3）合理設計通風結構和選用高性能軸承，降低機械損耗；（4）通過改良設計和工藝，降低雜散損耗。國外已開發(fā)出高效同步電機。美國提出將電動機推至極限，將生產超高效電動機。我國沈陽工業(yè)大學開發(fā)的超高效稀土永磁電機效率為%[10]。2.永磁電機的輕型化、微型化、高功能化、專業(yè)化、微型化航空航天產品，電動車輛、數控機床，運算機、視聽產品、醫(yī)療器械、便攜式光機電一體化產品、電梯等，都對電機提出體積小、重量輕，不同性能偏重點都提出了嚴格的要求；醫(yī)療微型機械、管道檢修機械人等等都對微型化電機提出了挑戰(zhàn)；宇航設備、宇宙空間的機械手、原子能設備的檢查機械人和半導體制造裝置等特殊環(huán)境下工作的電動機，需要利用高溫電動機和高真空電動機。已開發(fā)的150W、轉速3000r/min，工作在200～300℃高溫和×Pa真空度環(huán)境下的三相四極永磁電動機，直徑105mm、長145mm，采用高溫特性好的永磁體[8]。國外專用電機占有量達80%，通用電機占有量占20%，而我國正好相反。專用電機是按照不同負載特性專門設計的，如油田用抽油機專用稀土永磁電機，節(jié)電率高達20%，可見專業(yè)電機的節(jié)能潛力和高功能匹配性。動力傳動一體化電機驅動系統對整個動力傳動系統（電機、減速齒輪、傳動軸）進行一體化建模和控制，構建高性能、高靠得住性或高精度的一體化驅動系統。高性能、高級永磁同步電機伺服系統高性能、高級永磁同步電機伺服系統隨著我國航空航天、汽車、船舶、電站設備和國防工業(yè)等制造業(yè)的高速進展，數控機床在裝備制造業(yè)中的重要性愈來愈明顯。優(yōu)化方面如G.H.Lee等[11]通過度析扭矩波動的緣由，通過電流補償使力矩波動最小的優(yōu)化控制；WUZhihong等[12]通過利用神經網絡以速度和力矩作為輸入，正交軸電流作為輸出達到最優(yōu)效率的永磁同步電機控制永磁同步電機漏磁大、結構復雜的缺點。高性能的電伺服系統大多采用永磁同步型交流伺服電動機，控制驅動器多采用快速、準肯定位的全數字位置伺服系統。典型生產廠家如德國西門子、百格拉，美國科爾摩根和日本松下、三菱及安川等公司。本文研究主要內容本文主要研究永磁同步電動機的本體設計，先掌握永磁同步電動機的原理，在此基礎上對一臺30kW容量的永磁同步電動機進行設計，并對其電機性能和磁場散布進行仿真分析，具體內容如下：1.說明永磁同步電動機的原理，包括永磁材料的特點，永磁同步電動機的機構和用詞電動機的大體電磁關系。2.說明永磁電動機的本體設計，并對一臺30kW的永磁同步電動機進行設計，包括對永磁同步電動機的永磁體設計、定、轉子沖片設計、繞組計算、磁路計算、參數計算、工作特性計算和起動性能計算，得出了永磁同步電動機的工作特性表和合成轉矩曲線。3.用Ansoft軟件的Rmxprt模塊對永磁同步電動機進行性能分析，取得了永磁同步電動機的功率因數、電流、效率、轉矩和氣隙磁通密度的特性曲線，別離改變了永磁同步電動機的定子鐵心長，每槽導體數，取得不同的設計方案，對比不同方案求的最佳設計方案。用Ansoft軟件Maxwell2D的瞬態(tài)模塊進行磁場計算，取得永磁同步電動機的模型、剖分面、轉矩曲線和電流曲線，不同時刻的磁力線散布圖和磁通密度散布圖。第2章永磁同步電動機的原理永磁材料永磁材料又稱“”。永磁材料的主要磁性能指標是：剩磁、矯頑力、內稟矯頑力、磁能積。咱們通常所說的永磁材料的磁性能，指的就是這四項。永磁材料的其它磁性能指標還有：居里溫度、可工作溫度、剩磁及內稟矯頑力的溫度系數、回答導磁率、退磁曲線方形度、高溫減磁性能和磁性能的均一性等。除磁性能外，永磁材料的物理性能還包括密度、電導率、熱導率、熱膨脹系數等；機械性能則包括維氏硬度、抗壓強度、沖擊韌性等。另外，永磁材料的性能指標中還有重要的一項，就是表面狀態(tài)及其耐侵蝕性能。永磁材料具有寬磁滯回線、高和高剩磁。在鐵磁材料中，磁感應強度與外加磁場強度的函數關系式超級復雜，的轉變掉隊于的轉變，這種現象稱為磁滯，用磁滯回線描述，如圖2-1，磁滯回線寬的為永磁材料，磁滯回線窄的為軟磁材料[13]。圖2-1磁滯回線釹鐵硼永磁材料是1983年問世的高性能永磁材料[14]。釹鐵硼永磁的主要成份是，是目前磁性能最強的永磁材料。它的最大磁能積可達，為鐵氧體永磁材料的5~12倍、鋁鎳鈷永磁材料的3~10倍，理論值為；剩磁可達，矯頑力最高可超過1000kA/m，能吸起相當于自身重量640倍的重物。由于不含鈷且釹在稀土中的含量遠高于釤，釹鐵硼的價錢比稀土鈷要低得多。釹鐵硼永磁的居里溫度低，為310到410，溫度穩(wěn)固性較差，剩磁溫度系數為（~）%/K，矯頑力溫度系數為-（~）%/K，通常最高工作溫度為150，目前已有商業(yè)化的耐200高溫的釹鐵硼永磁。常溫下退磁曲線下部發(fā)生彎曲，若設計不妥，易發(fā)生不可逆退磁。釹鐵硼普遍應用在永磁電機中，稀土永磁材料產量的三分之一以上用來制造各類永磁電機，永磁電機的長處是省銅、省電、重量輕、體積小、比功率高。電動自行車電機、電腦驅動電機、車床等的行速與轉速的測量電機、電梯的曳引機電機、麻將電機、冰箱空調電機、風力發(fā)動電機、汽車發(fā)動電機等等應用領域極為普遍。永磁同步電動機的大體電磁關系一、轉速穩(wěn)態(tài)運行是，永磁同步電動機的轉速與定子旋轉磁場的轉速相同，取決于電源頻率和電機極對數，即（2-1）二、氣隙磁場有關系數1.計算極弧系數基波磁場是實現機電能量轉換的基礎。在永磁同步電動機中，能夠以為空載氣隙磁場是帶有諧波的平頂波，計算極弧系數直接影響到基波幅值的大小。極弧系數為（2-2）2.空載氣隙波形系數在永磁同步電動機中，忽略齒槽影響，空載氣隙磁密波形能夠近似為矩形波，其幅值為（2-3）氣隙磁密波形系數概念為空載氣隙磁場中基波磁密幅值與氣隙磁密最大值的比值，即（2-4）3電樞反映磁密波形系數在直軸上施加直軸電樞反映基波磁動勢，產生的氣隙磁密最大值和磁密基波幅值別離為.和，直軸電樞反映磁密波形系數概念為（2-5）在較軸上施加交軸電樞反映基波磁動勢，所產生的氣隙磁密基波幅值為。假設交軸位置與直軸位置的磁阻相同，則產生一假象的氣隙磁密正弦波，其幅值為，交軸電樞反映磁密波形系數為（2-6）4.電樞反映系數電樞反映磁動勢為正弦波，勵磁磁動勢為方波，二者的波形不同，求合成磁場時，通常將電樞反映磁動勢折算到相應的勵磁磁動勢。折算的原則是：折算后產生的基波磁密相同。直軸電樞反映磁動勢折算到勵磁磁動勢時應乘以直軸電樞反映系數，交軸電樞反映磁動勢折算到勵磁磁動勢時應乘以交軸電樞反映系數。（2-7）5.空載漏磁系數的計算永磁同步電動機的空載漏磁系數為（2-8）式中：為永磁體產生的穿過空氣氣隙進入定子的那部份磁通；為由永磁體產生的在轉子內部閉合的那部份磁通。三、感應電動勢定子繞組每相空載感應電動勢的有效值為（2-9）式中：為永磁體產生每極基波磁通，為定子極距。永磁體產生每極氣隙磁通，二者之比概念為氣隙磁通波形系數因此空載電動勢又能夠表示為（2-10）直軸電樞反映磁通在定子每相繞組中感應的直軸電樞反映電動勢（2-11）與直軸電樞電抗之間知足（2-12）交軸電樞反映磁通在定子每相繞組中感應的交軸電樞反映電動勢（2-13）與交軸電樞反映電抗的關系（2-14）氣隙合成磁場在定子每相繞組中的感應電動勢為（2-15）式中：為永磁體和電樞反映磁動勢一路產生的每極基波磁通。圖2-2四、永磁同步電動機的相量圖在永磁同步電動機中，定子繞組知足的電壓方程為（2-16）故（2-17）按照式（2-17）可畫出永磁同步電動機工作狀態(tài)下的向量圖，如圖2-2所示。從相量能夠看出，永磁同步電動機知足以下關系（2-18）定子電流的直軸和交軸分量別離為（2-19）五、交直軸電樞反映電抗由于永磁體的存在，永磁同步電動機的直軸磁導較小，交軸磁導較大，別離引進了直軸電樞反映電抗和交軸電樞反映電抗。在進行計算時，能夠以為不隨鐵心飽和程度轉變，而則受磁路飽和程度影響較大，應考慮飽和影響。1.直軸電樞反映電抗由永磁同步電動機相量圖可知（2-20）式中：直軸電樞反映去磁時取“+”號，直軸電樞反映助磁時取“-”號。（2-21）式中：是電樞電流為純直流時的基波氣隙磁通。直軸電樞電流產生的直軸電樞反映磁動勢幅值為（2-23）永磁體產生的磁動勢近似為方波，而直軸電樞反映磁動勢為正弦波，從產生基波磁動勢的角度動身，將直軸電樞反映磁動勢折算到作用在永磁體上的方波磁動勢（2-24）據此進行磁路計算，取得永磁體的工作點，則（2-25）式中：。對于串聯式磁路結構，。因此直軸電樞反映電抗為（2-26）2.交軸電樞反映電抗（2-27）六、永磁同步電動機的電磁轉矩永磁同步電動機的輸入功率為（2-28）將式（2-18）代入（2-28）得（2-29）將式（2-29）扣除定子損耗就是包括鐵耗和雜散損耗在內的電磁功率，即（2-30）通常定子繞組電阻較小，忽略其影響，則（2-31）永磁同步電動機的電磁轉矩為（2-32）式中：和別離為電動機的機械角速度和電角速度。小結本章對永磁同步電動機的原理進行了介紹，介紹了永磁材料和永磁同步電動機最常常利用的釹鐵硼永磁材料，對永磁同步電動機的結構和永磁同步電動機的大體電磁關系進行了說明，給出了永磁同步電動機的重要關系式，是下一章永磁同步電動機設計的重要基礎，也是了解永磁同步電動機的重要基礎。第3章永磁同步電動機的電磁設計永磁同步電機本體設計永磁同步電動機的額定數據和主要性能指標與感應電動機相較永磁同步電動機雖然有諸多性能方面的長處，但在產品種類，利用處合和設計技術的成熟方面都存在必然差距。永磁同步電動機主要在要求高效節(jié)能的場合替代感應電動機，因此設計的目標是：高功率因數、高效率、起動性能好、經濟好、工作靠得住。永磁同步電動機設計就是按照產品規(guī)格、性能要求和外形尺寸要求等。結合國家標準和生產實際，運用有關設計理論和計算方式，設計出性能要求和外形尺寸要求等，結合國家標準和生產實際，運用有關設計理論與計算方式，設計出性能符合要求、靠得住性高、經濟型號的合格產品。下面列出額定數據和主要性能指標要求[13]。1.額定數據永磁同步電動機的額定數據組要有：額定功率：額定運行時轉軸上輸出的機械功率。額定電壓：額定運行是的供電電壓。額定頻率：額定運行時的電源頻率。額定轉速：額定運行時的轉速。2.主要性能指標永磁同步電動機的主要性能指標有：額定效率。額定功率因數。最大轉矩倍數（失步轉矩倍數）；最大電磁轉矩與額定轉矩的比值，也稱過載能力。起動轉矩倍數：起動轉矩與額定轉矩的比值。起動電流倍數：起動進程中的最小轉矩與額定轉矩的比。最小轉矩倍數：起動進程中的最小轉矩與額定轉矩的比。牽入轉矩倍數：牽入轉矩與額定轉矩的比值。定子沖片和氣隙長度的肯定和定子繞組的設計一、定子沖片尺寸和氣隙長度的肯定當電機的轉速一按時，極數肯定，則定子槽數取決于每極每相槽數，對參數、性能影響較大。當較大時，定子諧波磁場減小，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增加，槽利用率低。綜合考慮，在2~6之間選擇，取整數，極數少、功率大的，取大值；極數多的，取小值。對于常規(guī)用途的小功率永磁同步電動機，為提高零部件的通用性，縮短開發(fā)周期和本錢，通常選用Y系列或Y2系列或Y3系列小型三相感應電動機的定子沖片。永磁同步電動機的氣隙磁密高、體積小，可選用比相同規(guī)格感應電動機小一個機座號的感應電動機定子沖片。在感應電動機中，為減小激磁電流、提高功率因數，通常使氣隙長度盡可能小，而在永磁同步電動機中，功率因數能夠通過調整繞組匝數和永磁體進行調整，氣隙長度對雜散損耗影響較大，因此通常比同容量的感應電動機氣隙長度大~。在永磁體尺寸必然的前提下，適當增大氣隙，對每極基波磁通影響較小。二、定子繞組的設計永磁同步電動機轉子永磁體產生的磁場含有大量的諧波，感應電動勢中諧波含量也較高，為避免三次諧波在繞組各相之間產生環(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)距選擇與感應電動機一樣，永磁同步電動機利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、鏈式和交叉式，區(qū)別在于端接形狀、線圈節(jié)距和線圈之間的連接順序。這些繞組形式各有其特點和適用處合。（1）單層繞組。單層繞組的長處是：①槽內無層間絕緣，槽利用率高；②同一槽內導體屬于同一相，不會發(fā)生層間擊穿；③線圈數比雙層少一倍，線圈制造和q嵌線方便。但也存在缺點，如不能做成短距以改善磁場波形，主要用于160及以下機座。其中同心式繞組的端部用銅多，線圈尺寸不同，制造復雜，多適用于=4、六、8的二極電機；鏈式繞組適用于=2的4、六、8極電機；交叉式繞組適用于為奇數的電機。（2）雙層繞組。雙層繞組的長處是：①可通過合理選擇節(jié)距改善磁場波形；②端部排列整齊，線圈尺寸相同，便于制造。缺點是絕緣材料用量多，嵌線麻煩。主要用于180及以上機座號的電機。為消弱磁勢及感應電動勢中的5次、7次諧波，通常選擇節(jié)距=。對于兩極電機，為便于嵌線和縮短端部才長度，除鐵心很長的之外，取。（3）正弦繞組。正弦繞組的長處是諧波含量少、磁場波形好，但線圈尺寸、匝數不同，制作較復雜，多用于感應電動勢波形要求高的場合。2.每相串聯匝數的肯定永磁同步電動機的起動性能和功率因數都與每相串聯匝數直接相關。在肯定每相串聯匝數時，通常先知足起動要求，再通過調整永磁體知足功率因數的要求。永磁同步電動機的起動能力比感應電動機差，故每相串聯匝數少，起動電流倍數高。3電流密度選擇、線規(guī)、并繞根數和并聯支路數的肯定一般來講，在永磁同步電動機中，為達到高效節(jié)能的目的，電流密度通常比同容量的感應電機低，同時每相串聯匝數較小也為低電流密度的采用提供了保證。導線截面積為 （3-1）式中：為并繞根數。對于小電機，每槽導體數較多，超級容易選擇適合的每槽導體數以知足起動性能的要求，為避免極間連線過量，通常取小值；對于容量較大的電機，每槽導體數較小，通常取大值以增加每槽導體數，增大其選擇余地，知足起動性能的要求。小型永磁同步電動機通常采用圓銅線，為便于嵌線，線徑不超過，線徑應為標準值。線規(guī)肯定后，要核算槽滿率，槽滿率一般控制在75%~80%，機械化下線控制在75%以下。轉子鐵心的設計1.定轉子槽配合同感應電動機類似，當永磁同步電動機定轉子槽配合不那時，會出現附加轉矩，產生振動和噪聲增加，效率下降。在選擇槽配合時，通常遵循以下原則：（1）考慮到轉子磁路的對稱性，轉子槽數為極數的整數倍，且采用多槽遠槽配合。（2）為避免起動進程中產生較強的異步附加轉矩，應該使轉子槽數。（3）為避免產生同步附加轉矩，應該使定轉子槽數的關系為、、。（4）為避免單向振動力，應、。2.轉子槽形及尺寸永磁同步電動機可用的轉子槽如圖3-1所示。為了有效隔磁，通常常利用采用平底槽。在小型內置式永磁同步電動機中，為了提供足夠空間放置，槽高度較小，集膚效應遠不如感應電動機明顯，且凸形槽和刀形槽形狀復雜、沖模制造困難，故通常采用梯形槽。轉子導條的主要作用是用于起動，同步運行時，氣隙基波磁場再也不轉子導條中感應電流，因此在設計轉子槽和導條時，主要考慮起動性能、牽入同步性能和轉子齒、軛部磁密裕度較大。通常情形下，增大轉子電阻，能夠提高起動轉矩，但牽入同步能力下降，因此在設計轉子槽和端環(huán)時，要兼顧起動轉矩和牽入轉矩的需要。用于永磁體是從轉子端部放入轉子鐵心的，從工藝方面考慮，通常永磁體槽和永磁體之間有必然的間隙，其大小取決于沖片的加工和疊壓工藝水平，一般為~。圖3-1轉子槽形3.永磁體設計在永磁同步電動機設計中，永磁體形狀一般為矩形，主要尺寸為：每極永磁體的總寬度、永磁體充磁方向長度和永磁體軸向長度，其中永磁體軸向長度跟電機轉子鐵心長度相同，因此只需肯定每極永磁體的總寬度和永磁體的充磁方向長度?？隙ㄓ来朋w充磁方向長度的原則是：在永磁材料用量盡可能少的前提下，保證永磁體在電機最大去磁工作狀態(tài)下不會發(fā)生不可逆去磁，保證永磁體在穩(wěn)態(tài)運行下有合理的工作點。另外永磁體充磁方向長度還于直軸電抗有關，但在設計時考慮較少。永磁同步電動機本體設計示例一、額定數據和技術要求1.額定功率：2.相數：3.額定線電壓：4.額定頻率：5.極對數：6.額定效率：7.額定功率因數：8.失步轉矩倍數：9.起動轉矩倍數：10.起動電流倍數：11.繞組形式：雙層、Y聯接12.額定相電壓：13.額定相電流：14.額定轉速：15.額定轉矩：二、主要尺寸17.轉子磁路結構：串聯式結構18.氣隙長度：19.定子外徑：20.定子內徑：21.轉子外徑：22.轉子內徑：23.定/轉子鐵心長度：24.電樞計算長度：式中:。25.定/轉子槽數：26.定子每極每相槽數：27.極距：28.硅鋼片重量：=式中：沖剪余量為等于和中較大值；鐵的密度；鐵心疊壓系數。三、永磁體計算29.永磁材料：永磁體為燒結釹鐵硼永磁。矯頑力為30.計算剩磁密度：=0%；估計永磁體的工作溫度31.計算矯頑力：32.相對回答磁導率：。33.磁化方向長度：34.每極永磁體寬度：35.永磁體軸向長度：36.提供每極磁通的截面積：37.永磁體重量：式中：。定、轉子沖片38.定子槽形：如圖3-2圖3-2定子槽型尺寸轉子槽形：如圖3-3圖3-3轉子槽尺寸.定子齒距：定子斜槽齒距：42.定子計算齒寬：43.定子軛計算高度：44.定子齒磁路計算：45.定子軛磁路計算：46.定子齒體積：47.定子軛體積：48.轉子齒距：49.轉子齒磁路計算長度：50.轉子軛計算高度：51轉子軛磁路計算長度：繞組計算52.每槽導體數：53.并聯支路數：54.并聯根數-線徑：55.每相繞組串聯匝數：56.槽滿率計算：槽面積。槽絕緣面積：槽絕緣厚度：槽有效面積：槽滿率：。57.節(jié)距：58.繞組節(jié)距因數：。59.繞組散布因數：60.斜槽因數：。61.繞組因數：圖3-4定子線圈示用意62.繞組平均半匝長：定子線圈如圖3-4所示。，雙層線圈端部斜邊長：式中：為線圈節(jié)距有關的系數，對單層同心式線圈或單層交叉式線圈，平均值，對其他形式線圈，。63.線圈端部軸向投影長：64.線圈端部平均長：65.定子導線重量：式中：。磁路計算66.極弧系數：67.計算極弧系數：68.氣隙磁密波形系數：69.氣隙磁通波形系數：70.氣隙系數：式中：71.永磁體空載工作點假定值：72.空載漏磁通系數假定值：73.空載漏磁通：74.氣隙磁密：75.氣隙磁位差：直軸磁路交軸磁路。76.定子齒磁密：77.定子齒磁位差：78.定子軛部磁密：79.定子軛部磁位差：。80.轉子齒磁密：81.轉子齒磁位差：。82.轉子軛磁密：83.轉子軛磁位差：84.每對極總磁位差：計算漏磁系數時，每極總磁位差：85.空載漏磁系數：（1）通過轉子槽的漏磁通（2）通過隔磁磁橋的磁通式中：、別離為隔磁磁橋1和隔磁磁橋2的寬度，=，=。（3）轉子內部漏磁系數（4）轉子端部漏磁系數空載漏磁系數：86.齒磁路飽和系數：87.主磁導：88.主磁導標幺值：89.外磁路總磁導標幺值：90.漏磁導標幺值：91.永磁體空載工作點：92.氣隙磁密基波幅值：93.空載反電動勢：七、參數計算94.定子直流電阻：式中：銅線電阻率。95.轉子折算電阻：式中：；；轉子導條長度；導條截面積；端環(huán)平均直徑；端環(huán)截面積；導條和端環(huán)電阻率，。96.轉子繞組重量：對鑄鋁轉子97.漏抗系數：98.定子槽比漏磁導：為槽上、下部節(jié)距漏抗系數。99.定子槽漏抗：100.定子諧波漏抗：101.定子端部漏抗：102.定子斜槽漏抗：103.定子漏抗：104.轉子槽比漏磁導：對于半閉口槽105.轉子槽漏抗：106.轉子諧波漏抗：式中：107.轉子端部漏抗：108.轉子漏抗：109.直軸電樞磁動勢折算系數：110.直軸電樞反映電抗：式中：。111.直軸同步電抗：112.交軸電樞反映電抗：113.交軸同步電抗：八、工作特性計算114.機械損耗：115.設功率角：116.輸入功率：117.直軸電流：118.交軸電流：119.功率因數：式中：120.定子電流：121.定子電阻損耗：122.負載氣隙磁通：123.負載氣隙磁密：124.負載定子齒磁密：125.負載定子軛磁密： 126.鐵耗：為損耗修正系數，一般取、2。127.雜散損耗：可參考實驗值或按照經驗給定，此處取為%。128.總損耗：129.輸出功率：130.效率：131.工作特性：給定一系列遞增的功角，別離求出不同功角時的等性能，見表3-1表3-1工作特性表（°）132.失步轉矩倍數：按照電磁功率的表達式，以功角為自變量，求導取得：令上式為零，求解取得功角的值。由于永磁同步電動機最大功率出此刻，因此功率角取第二象限的值，取得，據此取得電磁功率的最大值；由于電磁功率中還包括鐵耗、機械損耗和雜散損耗；所以輸出功率會略小于電磁功率，因此實際的失步轉矩倍數會小于該值。133.永磁體額定負載工作點：134.電負荷：135.電路密度：136.熱負荷：137.永磁體最大去磁工作點：九、起動性能計算138.起動電流假定：139.漏抗飽和系數：由圖得140.齒頂漏磁飽和引發(fā)定子齒頂寬度減?。?41.齒頂漏磁飽和引發(fā)轉子齒頂寬度的減?。?42.起動時定子槽比磁導：143.起動時定子槽漏抗：144.起動時定子諧波漏抗：145.起動時定子斜槽漏抗：146.起動時定子漏抗：147.考慮擠流效應的轉子導條相對高度:式中：為轉子導條高度，對鑄鋁轉子，不包括槽口高度；為轉子導條寬與槽寬之比，對鑄鋁轉子取1。148.導條電阻等效高度：式中，為導條截面寬度突變系數，查圖149.槽漏抗等效高度：150.起動轉子電阻增大系數：151.起動轉子漏抗減小系數：152.起動轉子槽下部漏磁導：153.起動轉子槽比漏磁導：154.起動時轉子槽漏抗：155.起動時轉子諧波漏抗：156.轉子起動漏抗：157.起動總漏抗：158.轉子起動電阻：159.起動時總電阻：160.起動總電阻：161.起動電流：應與第138項的假設值足夠接近，不然重復139161項。162.起動電流倍數：163.異步起動轉矩曲線：式中，164.永磁體發(fā)電制動轉矩曲線：165.合成轉矩曲線：特性曲線見表3-2(倍)（倍）0（倍）表3-2166.起動轉矩倍數小結本章第一介紹了永磁同步電動機的性能指標，和定子沖片轉子鐵心的設計要求，然后以異步起動永磁同步電動機為例，進行了永磁同步電動機的設計，通過對電機的繞組計算、磁路計算、參數計算、工作特性計算和起動特性計算。第4章永磁同步電動機的性能分析及磁路計算永磁同步電動機的性能分析利用Ansoft軟件中的Rmxprt模塊，將永磁同步電動機的具體數據輸入，例如定子沖片，轉子沖片，定轉子鐵心長，永磁體數據等等，檢查無誤后，運行能夠取得永磁同步電動機的性能數據，例如功率因數，效率，起動電流，最大轉矩，定子齒、軛的磁密，轉子齒、軛的磁密，槽滿率等重要參數，還能夠取得一些重要曲線，功率因數曲線，電流曲線，效率曲線，轉矩曲線，氣隙磁密曲線，依次如圖4-1至圖4-5所示，通過這些曲線，咱們能更直觀的觀察到永磁同步電動機的各類性能。圖4-1功率因數與轉矩角圖4-2電流與轉矩角圖4-3效率與轉矩角圖4-4轉矩與速度圖4-5氣隙磁密別離改變永磁同步電動機的定子鐵心長和每槽導體數，取得多方案，比較可取得最優(yōu)化設計，通過對比能夠看出定子鐵心長和每槽導體數對重要參數的影響，改變定子鐵心長永磁同步電動機的重要參數改變如表4-1所示。表4-1由表能夠看出，當定子鐵心長度別離取200mm、210mm、220mm和230mm時，永磁同步電動機的功率因數逐漸下降，效率逐漸下降，定子齒磁密逐漸下降，定子軛磁密下降，轉子齒磁密上升，轉子軛磁密上升，當定子鐵心長度為210mm時，永磁同步電動機的起動轉矩最大，可見當定子鐵心長度為210mm時，永磁同步電動機的性能較好。改變每槽導體數取得的主要數據列表如表4-2所示，當每槽導體別離為3二、2八、30、34時，槽滿率別離為