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1、 永磁同步电动机设计一 课题研究背景1 我国电动机保有量大，消耗电能大，设备老化， 效率较低，永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、效率高、功率因数高、起动力矩大、力能指标好、温升低 等特点。永磁同步电机的运行原理与电励磁同步电机相同,但它以永磁体提供的磁通代替后者的励磁绕组励磁,使电机结构更为简单。近年来,永磁材料性能的改善以及电力电子技术的进步,推动了新原理、新结构永磁同步电机的开发,有力地促进了电机产品技术、品种及功能的发展,某些永磁同步电机已形成系列化产品,其容量从小到大,目前已达到兆瓦级,应用范围越来越广;其地位越来越重要,从军工到民用,从特殊到一般迅速扩大,不仅在微特电机中占优势,
2、而且在电力推进系统中也显示出了强大的生命力。永磁同步电机以其效率高、比功率大、结构简单、节能效果显著等一系列优点在工业生产和日常生活中逐步得到广泛应用。尤其是近年来高耐热性、高磁性能钕铁硼永磁体的成功开发以及电力电子元件的进一步发展和改进,稀土永磁同步电机的研究开发在国内外又进入了一个新的时期,在理论研究和应用领域都将产生质的飞跃,目前正向超高速、高转矩、大功率、微型化、高功能化方向发展。二 研究目的和意义 熟练掌握永磁同步电机的特点和机构，性能，掌握永磁同步电机的电磁计算，会设计永磁同步电机。三 研究内容1 永磁同步电动机转子结构形式2（1） 外贴式转子结构永磁体贴到转子外表面上，径向充磁；
3、永磁体也可以嵌入转子表面内，贴于转子表面的转子结构制造容易，常用于矩形波同步电动机和恒功率运行的正弦波永磁同步电动机中。（2） 内置式转子结构 1)径向式结构；漏磁系数小，永磁体轴向嵌入磁体槽中，通过磁漆桥限制漏磁通，转子机械强度高。2）切向式结构；每极磁通比径向大，主要因为每极磁通有两相相邻的磁极提供，但是这种转子结构复杂，转轴又需要非磁性材料或在转轴外加隔磁套，所以漏抗大。3）混合式结构 这种结构结合了径向式和切向式的优点，但结构比较复杂，制造难度大。2 永磁同步电动机的电抗参数计算3 1）永磁电动机动机电抗参数研究 对于直轴电枢反应电抗 Xad，先求出空载时的气隙基波磁通10，再求出直轴
4、电枢电流等于 Id时的有效气隙基波磁通1N，对于交轴电枢反应电抗 Xaq，直接在定子绕组中通入交轴电流 Iq，求出此时产生的气隙磁通aq，运用 ANSOFT 后处理的导出结果，利用 Matlab语言编制相应程序，计算出电机的交、直轴电枢反应电抗参数。2） 实验验证为了验证本方法的正确性，在实际测量过程中，采用电压积分法，对不同型号永磁同步电动机的电枢反应电抗参数进行测量，通过对比可以看出，计算出的永磁同步电动机交、直轴电枢反应电抗值与试验测得的电抗值基本吻合，从而验证了本方法的正确性。利用上述方法对多台永磁同步电动机电抗参数进行计算，得出其电抗参数标幺值的变化规律如下：不同转子结构的永磁同步电
5、动机，其交、直轴电枢反应电抗的标幺值*aqX 与*a dX 也不相同。表面式转子结构的*aqX 与*a dX 几乎相当；内置式转子结构的*aqX 要大于*a dX对于内置式转子结构的永磁同步电动机，在同一气隙长度下，切向式转子结构交、直轴电枢反应电抗参数的标幺值之比最大，径向式“一”字形转子结构的次之，而“U”形和“W”形转子结构的最小。当永磁同步电动机的气隙长度在 0.350.5mm 范围内变化时径向式“一”字形转子结构交、直轴电枢反应电抗参数的标幺值之比在 1.672.65 的范围内变化，而“U”形和“W”形转子结构的。对于切向式转子结构而言，当气隙长度在 0.650.8mm 范围内变化时
6、，其交、直轴电枢反应电抗参数的标幺值之比在 1.51.7 的范围内变化。对于径向式结构，随着永磁体磁化方向长度 hm的增加，直轴电枢反应电抗的标幺值*a dX 逐渐减小，而且随着 hm的增加， 对*a dX 的影响逐渐减小。这是由于直轴电枢反应磁通进入转子后，将穿过永磁体，随着 hm的增加直轴电枢反应磁路的磁导减小，故*a dX 减小。一般而言，气隙长度 的增加，应使*a dX 变小；随着永磁体磁化方向长度 hm的增加，决定直轴电枢反应磁路磁导的主要是 hm的大小， 的增加对*a dX 的影响减弱。hm和 对于交轴电枢反应电抗标幺值*aqX 的影响情况同*a dX 差不多，只是交轴电枢反应磁通
7、穿过永磁体的量要比直轴电枢反应磁通少一些，因此气隙长度 对*aqX 的影响要比对*a dX 的影响大一些。 对于切向式结构，永磁体磁化方向长度hm、气隙长度 对*a dX 的影响非常大，随着 hm、的增加*a dX 呈明显下降趋势。而对*aqX 而言，随着的增加*aqX 下降明显，表明 对*aqX 有较大影响。相对来说，hm对*aqX 的影响要小得多，这主要是因为交轴电枢反应磁通只有少量通过永磁体，因此对*aqX 的影响小；直轴电枢反应磁通大部分通过永磁电机模型在电机电抗参数计算过程中，只有确保电机模型的准确建立，才能保证仿真结果的正确性。利用ANSOFT 的三维建模环境 Maxwell 3D
8、 建立有限元模型，具体建模过程如下：根据电机结构尺寸，建立电机物理模型。确定电机材料属性。确定有限元计算的边界条件和外源参数。网格剖分。设置求解参数,进行计算。3 永磁同步电动机的电磁计算 （1）、主要尺寸设计特点4 自启动永磁同步电动机是一种在NdFeB永磁材料兴起后，而产生的新型同步电动机。目前它的主要用途就是用它来代替感应电动机。这样它的主要应用场合就是感应电动机的应用场合。它的设计特点常常考虑感应电动机的设计方法和永磁体结合。这种电动机的主要尺寸也是由电枢直径De，贴心有效长度Lef及电机的气隙长度组成。 电枢直径De及电枢有效长度Lef常借助与感应电动机标准直径和铁芯长度。特别是当设
9、计与感应电动机同一需求，同一容量的同步电动机时，则更要参考感应电动机的主要尺寸。永磁体的设计。永磁体的尺寸包括轴向长度L、充磁长度h和宽度bm。永磁体的轴向长度一般与电机铁心轴向长度相等或稍小一点。因此设计电机时只要考虑永磁体宽度和充磁长度。永磁体的充磁长度h是个重要的参数,对电机的性能影响较大。增加充磁长度,则电动机过载能力、功率因数和抗去磁能力增大,但永磁体用量增加,弱磁能力降低,恒功率区范围变窄。对于永磁体宽度bm,需要根据磁负荷的要求来确定,宽度决定了永磁体提供的磁通面积。如果bm越大,永磁体可以提供的磁通面积就越大,每极磁通量也就越大,但要受到转子尺寸的限制。有公式可以估算永磁体大小
10、,开始设计时不妨先用估算公式求出粗算值,而后根据电机性能慢慢改参数使电机达到最优。空载漏磁系数空载漏磁系数是指电动机空载时的总磁通与主磁通之比。它的大小仅显示永磁体的利用程度,而且对永磁同步电动机中永磁材料的抗去磁能力和电机的机械强度有较大影响。当它较小时,说明永磁体提供总磁通一定时,漏磁通相对较小,永磁体的利用率就高;但是,另一方面,太小也不利,如果小。表明对电枢反应的分流作用小,电枢反应对磁体两端的实际作用值变大,永磁体的抗去磁能力减弱。因此,需要尽可能准确计算并在设计中选取合适的数值。隔磁磁桥对空载漏磁系数的影响对于内置式永磁电机,需要设计隔磁桥,通过此部位磁通达到饱和来限制漏磁的作用。
11、因此影响隔磁磁桥部位磁导的磁桥长度b和宽度X的大小直接影响到电机的空载漏磁系数。对用于调速永磁同步电动机的无阻尼绕组内置式转子磁路结构,其隔磁磁桥的的大小就应该做得大一点,以提高转子的机械强度。稀土永磁同步电动机转子冲片上的隔磁磁桥是影响电机空载漏磁系数的重要因素,而且隔磁磁桥影响到电机的机械强度、电机的制造工艺和电机的制造成本。隔磁磁桥的尺寸越小,磁导越小,空载时漏磁通越饱和,电机的空载漏磁系数越小。但必须注意如果b过小,冲片的机械强度将变差,冲模的使用寿命将缩短。磁系数变小但增大到一定程度电机冲片强度变得很差,故需综合考虑。充磁长度变化对空载漏磁系数的影响增加充磁长度h可以减少直轴电抗,可
12、明显提高电动机的过载能力,但对恒功率调速运行电动机的弱磁扩速能力不利,h作为永磁体的尺寸之一,除影响电机的运行性能外,还影响电动机中永磁体的空载漏磁系数。实验中,保持样机中永磁体其它尺寸一样的情况下,变化永磁体磁化方向长度,研究h对空载漏磁系数的影响。 (2) 定子设计2 由于自起动永磁同步电动机常常用来代替小功率感应电动机，所以定子槽数槽型均可以与小功率感应电动机相同。而定子绕组也可以与小功率三相感应电动机相应的绕组。但是由于永磁同步电动机气隙磁场中谐波较多，电动势中谐波也多，为避免绕组中产生环流，电动机常常采用Y联接。可以看出Ed和Xd决定着电动机中永磁转矩幅值，也决定着失步转矩倍数。为提
13、高永磁转矩，应使E增大，Xd减少，即增加绕组串联匝数。但此举只能在起动转矩，最小转矩，失步转矩和牵入同步转矩能力有裕度的前提下方可采纳。（3） 转子设计2转子槽数的选择，为提高永磁同步电动机制造的工艺性和对抗电动机弧系数的控制，通常在定转子槽配合容许的条件下，应选择转子槽数是电动机极数的整数倍。由于转子中有永磁体而不便采用斜槽，也常常不能选用异形槽或者深槽结构。另外转子槽主要是用于起动。在电动机对牵入同步转矩较大的电动机，转子槽形要注意不能使电动机接近同步时，T-n曲线陡度过小。否则电动机牵入同步指标很难到达。这时转子槽就不能过浅和过窄。转子端环设计时厚度也应小一些，这样可以提高转子起动品质因
14、数，而且可以节省铝材。三 时间安排三月一号到四月一号 学习相关资料四月一号到五月一号 电机设计五月一号到六月一号 毕业设计论文四 参考资料1王 鑫,李伟力,程树康. 永磁同步电动机发展展望J.电工技术杂志.2009:13-152 魏静微. 小功率永磁电机M.北京：机械工业出版社，2009：74-76.3张 飞，唐任远，陈丽香，韩雪岩. 永磁同步电动机电抗参数研究J. 电工技术学报，2006，21 （11） 10-134王广生,黄守道,高 剑。基于Ansoft软件设计分析内置式永磁同步电动机J.微电机，2011,44（2）23-30推进学校内涵建设深化年各项工作和“三乐两校”主题教育活动的开展，进一步繁荣校园文化，搭建具有时代特征大学生特点的文化艺术活动平台，促进学院间师生的友谊
