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1、永磁电机概述永磁电机概述永磁电机概述永磁电机概述INITIAL ELECTROMAGNETIC DESIGN CHOICESA. Radial or Axial Flux?B. Ratings, Motor Classes, and TRV （torque-per-unit-rotor Volume） C. AC or DC Control?D. Choice of RotorsE. Pole-Number SelectionF. Noise, Vibration, Cogging Torque, and Torque RippleG. Winding ArrangementH. Magnet
2、 Selection and PC （permeance coefficient）I. Steel Selection and Iron LossJ. Insulation Systems, Slot Fill, and Mechanical Aspects of Rotor StructureAC or DC Control?无刷永磁电机分为两种类型：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：相电流是正弦的，逆变器每
3、个桥臂是180 导通，导通，使用位置编码器，脉宽调制使用位置编码器，脉宽调制DC：电流波形是梯形的，：电流波形是梯形的，120 导通，用三个霍尔探测导通，用三个霍尔探测器检测开关位置。器检测开关位置。因此因此交流（交流（AC）电机需要由永磁转子产生正弦的反电动）电机需要由永磁转子产生正弦的反电动势势直流电机（直流电机（DC）需要梯形的反电动势波形）需要梯形的反电动势波形E、I一相反电动势一相反电动势和电流的幅值和电流的幅值在一相绕组正向导通在一相绕组正向导通120范围内，范围内，输入线电流输入线电流I为恒值其一相反电动为恒值其一相反电动势为恒值转子角速度为势为恒值转子角速度为 时一相绕时一相绕
4、组产生的电磁转矩组产生的电磁转矩Tep，总电磁转总电磁转矩矩T为为DC运行特性运行特性1）对应梯形反电势的全距和集中绕组对应梯形反电势的全距和集中绕组2）高的功率密度）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）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）适于电力驱动AC运行特性运行特性1) 对应正弦反电动势和平滑运行的分布的分对应正弦反电动势和平滑运行的分布的分 数槽绕组数槽绕组2) 更好的控制及延伸的弱磁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）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适于
5、伺服驱动及驱动需要高质量的弱磁能力力Choice of Rotors转子的两种最基本的拓扑转子的两种最基本的拓扑有一点突出的表面磁铁，常用于有一点突出的表面磁铁，常用于DC电动机中电动机中嵌入式磁铁，有显著的凸极，主要用于嵌入式磁铁，有显著的凸极，主要用于AC电机电机图图2 表面和内置的永磁四极电机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）非凸极的表面磁铁转子 b）凸极内置式磁铁）凸极内置式磁铁转子（转子（IPM）对表面磁铁非凸极转子，对表面磁铁非凸极转子，Xd=Xq，如图，如图2（a）对凸极转子，对凸
6、极转子，Xq Xd，其优点是峰值转矩从其优点是峰值转矩从q轴移一个轴移一个距距d轴约轴约100120电角的角度，这意味着当电流在电角的角度，这意味着当电流在q轴上时，若出轴上时，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。角，防止磁极滑动。凸极同时还提供了一个额外的磁阻转矩。凸极同时还提供了一个额外的磁阻转矩。图3（a）串联充串联充磁磁并联充并联充磁磁对应非凸极电机，则对应非凸极电机，则Xd=Xq，图，图3b）为对应非凸极）为对应非凸极电机的等效电路。电机的等效电路。两种类型转子的稳态向量图见图两种类型转
7、子的稳态向量图见图3（a）电动机惯例图图3（c）对应凸极电机，稳态等效电路分为）对应凸极电机，稳态等效电路分为d、q两个两个电路。电路。在低饱和的情况下，在低饱和的情况下，Xd和和Xq是相互独立的，分别对是相互独立的，分别对应应d轴和轴和q轴的磁阻轴的磁阻在高度饱和的情况下，在高度饱和的情况下，d轴和轴和q轴分量是交叉耦合的。轴分量是交叉耦合的。所以所以 Xd = f(Id,Iq) ， Xq = f(Id,Iq).这发生在电流向量超前于这发生在电流向量超前于q轴时，由图轴时，由图3 可见，将有一可见，将有一个分量位于个分量位于d轴上，它具有三个作用：轴上，它具有三个作用：1.有一个负的有一个负
8、的XdId向量在向量在q轴上。它减少了电动机磁通，轴上。它减少了电动机磁通，减少了高速时的铁耗减少了高速时的铁耗2.它减少了要求逆变器输出的电压它减少了要求逆变器输出的电压3.它引进了一个磁阻转矩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（置式永磁转子（IPM）。简单的表面式永磁转子的弱）。简单的表面式永磁转子的弱磁能力受到限制。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一般的，三相绕组产生的电流向量应该被放在转子q轴轴上，除非要用到弱磁。这是用在高于基本转速时，当上，除非要用到弱磁。这是用在高
9、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。能达到时。逆变器开关时间是超前的，可以达到约逆变器开关时间是超前的，可以达到约1520 电角电角图图1是一台小型是一台小型4极极DC控制电机转控制电机转矩转速曲线。可矩转速曲线。可以看出转矩范围以看出转矩范围由由1500r/min扩扩展到约展到约25003000r/min磁极表面的槽用于控制磁极表面的槽用于控制Xq的大小，它还可以控的大小，它还可以控制交叉饱和，使电机运行更易于控制，更稳定。制交叉饱和，使电机运行更易于控制，更稳定。Pole-Number SelectionDC
10、电机趋向于选择低极数，（电机趋向于选择低极数，（2,4,6等）等）ac电机趋电机趋向于选择高极数（向于选择高极数（8,12,16等）高的极数使分数槽等）高的极数使分数槽绕组成为可能，极对数还是电机转速的函数。绕组成为可能，极对数还是电机转速的函数。下列几点是要注意的：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）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）磁通频率=转子旋转频率转子旋转频率 极对数极对数3）对一般的叠片铁心，不能超出）对一般的叠片铁心，不能超出15020
11、0Hz。4）两极永磁电机的制造较为困难，绕组端部长，导致）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。损耗的增加，同时定子铁心轭部宽，导致电机直径增加。Winding ArrangementAC绕组的设计是为了获得正弦的开路反电势波形，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绕组是要获得梯形波分数槽带绕组常用于分数槽带绕组常用于AC电机中，斜一个定子槽电机中，斜一个定子槽AC Windings:分数槽带绕组常用于分数槽带绕组常用于AC电机中，斜一个定子槽电机中，斜一个定子槽斜槽、分数槽：减少齿谐波转矩斜槽、分数槽：减少齿
12、谐波转矩分数槽的好处：分数槽的好处： 平均每对极下的槽数大为减少以较少数目的大槽代替数目较平均每对极下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弦性 分数槽绕组电机有可能设计为线圈节距分数槽绕组电机有可能设计为线圈节距y=1（集中绕组）可（集中绕组）可以缩短线圈周长和绕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。
13、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率和减低温升 减低齿槽转矩和转矩波动减低齿槽转矩和转矩波动如图是一个如图是一个18槽槽8极内置式永磁电机，其一相的绕极内置式永磁电机，其一相的绕组见图组见图a），转子安排见图），转子安排见图b），这是一个分数槽），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）三相正弦绕组
14、中一相的分布b） IPM电机的一半横截面电机的一半横截面c）三相受控的正弦电流在转子）三相受控的正弦电流在转子q轴上轴上d）三相反电势）三相反电势e）电磁转矩）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（形的电流波形（120 导通）相互作用产生一个平导通）相互作用产生一个平滑的转矩。滑的转矩。这需要一个整距集中绕组。这需要一个整距集中绕组。图图6 显示一个显示一个12槽槽4极对称三相绕组中的一相的分极对称三相绕组中的一相的分布布a）2/3短距短距b）集中整距）集中整距极距极距=12/4=3 梯形梯形120
15、导导通三相电通三相电流流短距绕组短距绕组中的三相中的三相反电势反电势短距绕组的短距绕组的电磁转矩电磁转矩整距绕组中整距绕组中的反电势的反电势整距绕组的整距绕组的电磁转矩电磁转矩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。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时的剩余磁感应强度, Hc-B=0时的磁感应矫顽力时的磁感应矫顽力Hcj-Bi=0时的时的Hcj内秉矫顽力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磁铁的类
16、型对电机的性能和成本影响很大内秉矫顽力内秉矫顽力Hcj和和Hc的区别：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，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。体仍具有一定的磁性。Hcj：若外加反向磁场：若外加反向磁场Hcj，磁铁的磁性将会基本消除。，磁铁的磁性将会基本消除。Hcj是衡量磁是衡量磁体
17、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。部反向磁场以保持其原始磁化状态的一个主要指标。在图在图2-3的坐标下，永磁材料中的磁场满足：的坐标下，永磁材料中的磁场满足：B= 0H+ 0M 0-真空磁导率，真空磁导率，M-单位体积内磁矩的矢量和，称为磁化单位体积内磁矩的矢量和，称为磁化强度。其中强度。其中 0M称为内禀磁化强度，用称为内禀磁化强度，用Bi表示，表示，Bi= 0M=B+ 0H ,Bi=f(H)称为内禀退磁曲线。称为内禀退磁曲线。典型的不同磁典型的不同磁铁在在25C
18、时的剩磁的剩磁Br和回复磁和回复磁导率率 REC见表表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，当永磁体当永磁体处于外加磁于外加磁场时，工作点，工作点为A，当去掉外加磁，当去掉外加磁场时，工作，工作点不是沿着退磁曲点不是沿着退磁曲线变化，而是到了一个新位置化，而是到了一个新位置A如果循如果循环的改的改变外磁外磁场，得到一个局部磁滞回，得到一个局部磁滞回线，由于其非常狭窄，故可用一条直，由于其非常狭窄，故可用一条直线代替，称代替，称为回复回复线其斜率称
19、其斜率称为回复磁回复磁导率。率。回复磁回复磁导率率 REC 磁能积磁能积-Bd*Hd，Bd*Hd越大，磁体蕴越大，磁体蕴含的磁能量越大。含的磁能量越大。磁铁不能工作在非线性区域，如图磁铁不能工作在非线性区域，如图9，要有足够的，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（点可以通过计算磁导系数（PC）和电负载效应来）和电负载效应来获得，对铁氧体永磁电机获得，对铁氧体永磁电机PC至少要至少要8，对稀土永磁，对稀土永磁，可以低些。可以低些。三条斜线对三条斜线对应三条空载应三条空载磁路磁阻磁路磁阻 磁导系数磁导系数PC-又称退
20、磁系数。在退磁曲线上磁感应又称退磁系数。在退磁曲线上磁感应强度强度Bd与磁场强度与磁场强度Hd的比值，即的比值，即PC=Bd/Hd，PC越大，磁体工作点越高，越不容易被退磁。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，低磁密也可以改善的齿和轭来改善，低磁密也可以改善PC磁铁材料的温度特性也要考虑进去磁铁材料的温度特性也要考虑进去永久永久失磁失磁铁氧体永磁体设计小结铁氧体永磁体设计小结1.铁氧体磁铁需要良好的磁路和低的磁阻，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，导致运行否则，负载线将不能
21、足够陡，导致运行点落在非线性区域点落在非线性区域2.当当x轴线由轴线由 0定标定标负载线的斜率等于负的负载线的斜率等于负的PC，3.PC=（磁铁厚度（磁铁厚度气隙面积气隙面积)/(气隙长度气隙长度磁铁面积）。磁铁面积）。PC值可被用于设定磁铁厚值可被用于设定磁铁厚度度4.对表面磁铁对表面磁铁 气隙面积气隙面积 磁铁面积磁铁面积5.磁铁厚度需设计得适当大于气隙长度磁铁厚度需设计得适当大于气隙长度6.所需磁铁材料较多所需磁铁材料较多稀土永磁讨论小结稀土永磁讨论小结1.PC不需要这么高，需要的材料较少，同样不需要这么高，需要的材料较少，同样PC可可用于确定磁铁厚度用于确定磁铁厚度2.它具有高能量，磁
22、化较困难它具有高能量，磁化较困难3.需预激磁需预激磁4.在温度压力下可能会退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限元算法来分析如图如图16为为 8极永磁电机，该电机运行在很高的超前极永磁电机，该电机运行在很高的超前相位下，使有宽范围的弱磁（相位下，使有宽范围的弱磁（15006000r/min）并有固有的磁阻转矩并有固有的磁阻转矩这是在某个运行点这是在某个运行点下，电流密度在时下，电流密度在时为为20A/mm2，如果，如果电流保持在电流保持在q轴上，轴上，磁密很高磁密很高峰值电流发生在基速峰值电流发生在基速1500r/min最高磁密最高磁密在齿上在齿上1500r/min负载电流为时电流相位与转矩的关系负载电流为时电流相位与转矩的关系6000r/min，负载电流为时，负载电流为时可以看出转矩峰值在超前可以看出转矩峰值在超前3050 之间之间效率图效率图可由此找出可由此找出最大效率点最大效率点作为运行点作为运行点
