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1、永磁电机概述,INITIAL ELECTROMAGNETIC DESIGN CHOICES,A. Radial or Axial Flux? B. Ratings, Motor Classes, and TRV （torque-per-unit-rotor Volume） C. AC or DC Control? D. Choice of Rotors E. Pole-Number Selection F. Noise, Vibration, Cogging Torque, and Torque Ripple G. Winding Arrangement H. Magnet Selection
2、 and PC （permeance coefcient） I. Steel Selection and Iron Loss J. Insulation Systems, Slot Fill, and Mechanical Aspects of Rotor Structure,AC or DC Control?,无刷永磁电机分为两种类型：AC、DC 两种类型永磁电机的设计有着不同的要求，与其反电动势波形及转子位置检测有关 AC：相电流是正弦的，逆变器每个桥臂是180导通，使用位置编码器，脉宽调制 DC：电流波形是梯形的，120导通，用三个霍尔探测器检测开关位置。 因此 交流（AC）电机需要由永
3、磁转子产生正弦的反电动势 直流电机（DC）需要梯形的反电动势波形,E、I一相反电动势和电流的幅值,在一相绕组正向导通120范围内，输入线电流I为恒值其一相反电动势为恒值转子角速度为时一相绕组产生的电磁转矩Tep，总电磁转矩T为,DC运行特性,1）对应梯形反电势的全距和集中绕组 2）高的功率密度 3）霍尔效应管用于检测正确的电流开关位置（低损耗） 4）适于电力驱动,AC运行特性,1) 对应正弦反电动势和平滑运行的分布的分 数槽绕组 2) 更好的控制及延伸的弱磁 3) 轴上的旋转编码器用以控制电流（高成本） 4) 适于伺服驱动及驱动需要高质量的弱磁能力,Choice of Rotors,转子的两种
4、最基本的拓扑 有一点突出的表面磁铁，常用于DC电动机中 嵌入式磁铁，有显著的凸极，主要用于AC电机,图2 表面和内置的永磁四极电机 红、蓝色是相反极化的磁铁，灰色是叠片式铁心 a）非凸极的表面磁铁转子 b）凸极内置式磁铁转子（IPM）,对表面磁铁非凸极转子，Xd=Xq，如图2（a） 对凸极转子，Xq Xd，其优点是峰值转矩从q轴移一个距d轴约100120电角的角度，这意味着当电流在q轴上时，若出现一个瞬时过载，将会有一个额外的转矩将电机拉回正确的触发角，防止磁极滑动。 凸极同时还提供了一个额外的磁阻转矩。,图3（a）,串联充磁,并联充磁,对应非凸极电机，则Xd=Xq，图3b）为对应非凸极电机的
5、等效电路。,两种类型转子的稳态向量图见图3（a）,电动机惯例,图3（c）对应凸极电机，稳态等效电路分为d、q两个电路。 在低饱和的情况下，Xd和Xq是相互独立的，分别对应d轴和q轴的磁阻 在高度饱和的情况下，d轴和q轴分量是交叉耦合的。所以 Xd = f(Id,Iq) ， Xq = f(Id,Iq).,这发生在电流向量超前于q轴时，由图3 可见，将有一个分量位于d轴上，它具有三个作用： 有一个负的XdId向量在q轴上。它减少了电动机磁通，减少了高速时的铁耗 它减少了要求逆变器输出的电压 它引进了一个磁阻转矩,如果转速超过基本同步速，则需要弱磁，这就需要内置式永磁转子（IPM）。简单的表面式永磁
6、转子的弱磁能力受到限制。,一般的，三相绕组产生的电流向量应该被放在转子q轴上，除非要用到弱磁。这是用在高于基本转速时，当逆变器电压已经达到最大值，而要求的电流最大值不能达到时。 逆变器开关时间是超前的，可以达到约1520电角,图1是一台小型4极DC控制电机转矩转速曲线。可以看出转矩范围由1500r/min扩展到约25003000r/min,磁极表面的槽用于控制Xq的大小，它还可以控制交叉饱和，使电机运行更易于控制，更稳定。,Pole-Number Selection,DC电机趋向于选择低极数，（2,4,6等）ac电机趋向于选择高极数（8,12,16等）高的极数使分数槽绕组成为可能，极对数还是电
7、机转速的函数。,下列几点是要注意的： 1）电机磁通在高频率下是不能改变的，否则将造成铁耗过高。在更高转速下可以用弱磁方法以限制铁耗 2）磁通频率=转子旋转频率极对数 3）对一般的叠片铁心，不能超出150200Hz。 4）两极永磁电机的制造较为困难，绕组端部长，导致损耗的增加，同时定子铁心轭部宽，导致电机直径增加。,Winding Arrangement,AC绕组的设计是为了获得正弦的开路反电势波形， DC绕组是要获得梯形波,分数槽带绕组常用于AC电机中，斜一个定子槽,AC Windings:,分数槽带绕组常用于AC电机中，斜一个定子槽 斜槽、分数槽：减少齿谐波转矩 分数槽的好处： 平均每对极下
8、的槽数大为减少以较少数目的大槽代替数目较多的小槽可减少槽绝缘占据的空间，有利于槽满率的提高 增加绕组的短（长）距和分布效应，改善反电动势波形的正弦性 分数槽绕组电机有可能设计为线圈节距y=1（集中绕组）可以缩短线圈周长和绕a组端部伸出长度，减少用铜量，各个线圈端部没有重叠，不必设相间绝缘。 分数槽集中绕组有利于用绕线机进行机械绕线提高工效 槽满率的提高，使线圈周长缩短，铜耗随之减低进而提高效率和减低温升 减低齿槽转矩和转矩波动,如图是一个18槽8极内置式永磁电机，其一相的绕组见图a），转子安排见图b），这是一个分数槽电机，使反电势波形非常接近正弦。使转矩平滑,a）三相正弦绕组中一相的分布,b）
9、 IPM电机的一半横截面,c）三相受控的正弦电流在转子q轴上 d）三相反电势 e）电磁转矩,DC Winding:,DC绕组的结构是要获得一个梯形反电势波形，与梯形的电流波形（120导通）相互作用产生一个平滑的转矩。 这需要一个整距集中绕组。 图6 显示一个12槽4极对称三相绕组中的一相的分布,a）2/3短距 b）集中整距,极距=12/4=3,梯形120导通三相电流,短距绕组中的三相反电势,短距绕组的电磁转矩,整距绕组中的反电势,整距绕组的电磁转矩,A相120导通,B相120导通,A相120导通,对于永磁材料磁滞回线的第二象限部分可用于描述其特性，称为退磁曲线。,Br-H=0时的剩余磁感应强度
10、, Hc-B=0时的磁感应矫顽力 Hcj-Bi=0时的Hcj内秉矫顽力,内禀退磁曲线,Magnet Selection and PC,磁铁的类型对电机的性能和成本影响很大,内秉矫顽力Hcj和Hc的区别： Hc是处于技术饱和磁化后的磁体被反向充磁时，使磁感应强度B降为0所需的反向磁场强度的值，但此时磁体的磁化强度并不为0，只是所加的反向磁场强度与磁体的磁化强度相互抵消，此时若撤销外磁场，磁体仍具有一定的磁性。 Hcj：若外加反向磁场Hcj，磁铁的磁性将会基本消除。Hcj是衡量磁体抗退磁能力的一个非常重要的一个物理量，是表征永磁材料抵抗外部反向磁场以保持其原始磁化状态的一个主要指标。,在图2-3的
11、坐标下，永磁材料中的磁场满足： B=0H+0M 0-真空磁导率，M-单位体积内磁矩的矢量和，称为磁化强度。其中0M称为内禀磁化强度，用Bi表示，Bi=0M=B+0H ,Bi=f(H)称为内禀退磁曲线。,典型的不同磁铁在25C时的剩磁Br和回复磁导率REC见表,Alnico- 铝镍钴合金，Ferrite-铁氧体， Sintered samarium cobalt-烧结的钐钴， Sintered Neodymium iron boron-烧结的钕铁硼,，当永磁体处于外加磁场时，工作点为A，当去掉外加磁场时，工作点不是沿着退磁曲线变化，而是到了一个新位置A如果循环的改变外磁场，得到一个局部磁滞回线，
12、由于其非常狭窄，故可用一条直线代替，称为回复线其斜率称为回复磁导率。,回复磁导率REC,磁能积-Bd*Hd，Bd*Hd越大，磁体蕴含的磁能量越大。,磁铁不能工作在非线性区域，如图9，要有足够的设计裕度使磁铁在过载条件下也不会失磁。运行点可以通过计算磁导系数（PC）和电负载效应来获得，对铁氧体永磁电机PC至少要8，对稀土永磁，可以低些。,三条斜线对应三条空载磁路磁阻,磁导系数PC-又称退磁系数。在退磁曲线上磁感应强度Bd与磁场强度Hd的比值，即PC=Bd/Hd，PC越大，磁体工作点越高，越不容易被退磁。,PC可以通过减少气隙、是磁通路径缩短及宽的齿和轭来改善，低磁密也可以改善PC,磁铁材料的温度
13、特性也要考虑进去,永久失磁,铁氧体永磁体设计小结,铁氧体磁铁需要良好的磁路和低的磁阻，否则，负载线将不能足够陡，导致运行点落在非线性区域 当x轴线由0定标负载线的斜率等于负的PC， PC=（磁铁厚度气隙面积)/(气隙长度磁铁面积）。PC值可被用于设定磁铁厚度 对表面磁铁 气隙面积磁铁面积 磁铁厚度需设计得适当大于气隙长度 所需磁铁材料较多,稀土永磁讨论小结,PC不需要这么高，需要的材料较少，同样PC可用于确定磁铁厚度 它具有高能量，磁化较困难 需预激磁 在温度压力下可能会退磁,现代电机设计技术通常用详细的分析算法及电磁有限元算法来分析,如图16为 8极永磁电机，该电机运行在很高的超前相位下，使有宽范围的弱磁（15006000r/min）并有固有的磁阻转矩,这是在某个运行点下，电流密度在190.9A时为20A/mm2，如果电流保持在q轴上，磁密很高,峰值电流发生在基速1500r/min,最高磁密在齿上,1500r/min负载电流为190.9A时电流相位与转矩的关系,6000r/min，负载电流为35.4A时,可以看出转矩峰值在超前3050之间,效率图,可由此找出最大效率点作为运行点,
