永磁电机设计课件

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1、主讲人：主讲人： 韩雪岩韩雪岩 沈阳工业大学特种电机研究所沈阳工业大学特种电机研究所 200 2008 8年年1 1月月第一章 永磁电机的构成材料 q永磁材料的性能和选用 q铁心材料 q导电材料 q绝缘材料 一、 永磁材料的性能和选用（一）、永磁材料磁性能的主要参数（二）、几种主要永磁材料的基本性能 （三）、永磁材料的选择和应用注意事项（一）、永磁材料磁性能的主要参数 1、退磁曲线 2、回复线 3、内禀退磁曲线 4、稳定性 1、退磁曲线永磁材料用磁滞回线来表示永磁体的磁感应强度随磁场强度改变的特性，如图2-1所示。 图1-1 饱和磁滞回线 退磁曲线：磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲线，它是永

2、磁材料的基本特性曲线。图1-2（a） 退磁曲线 退磁曲线的两个极限位置是表征永磁材料磁性能的两个重要参数。剩余磁感应强度，又称剩余磁通密度，简称剩磁密度 ，单位为T（习惯单位为Gs或G，1Gs104T）。磁感应强度矫顽力，简称矫顽力 ，常简写为 ，单位为A/m（习惯单位为Oe，1Oe1000/（4 ）A/m79.577A/m 80A/m ）。rBcBHcH 退磁曲线的特点：永磁体是一个磁源。 为表述方便起见，实用上常取 的绝对值，或者说，把 轴的正方向改变，负轴改为正轴。 HH图1-2（b） 退磁曲线 磁能积：退磁曲线上任一点的磁通密度与磁场强度的乘积称为磁能积 图1-3 退磁曲线和磁能积曲线

3、 1，2退磁曲线 3，4磁能积曲线 中间某个位置上磁能积为最大值，称为最大磁能积，符号为单位为J/m3，它也是表征永磁材料磁性能的重要参数。 maxBH对于退磁曲线为直线的永磁材料，显然在（ ）处磁能积最大，为2/, 2/crHBcrHBBH41)(max2、回复线 实际上，永磁电机运行时受到作用的退磁磁场强度时反复变化的。 （11）图14 （a） 回复线 多次反复后形成一个局部的小回线，称为局部磁滞回线。由于该回线的上升曲线与下降曲线很接近，可以近似地用一条直线 来代替，称为回复线。 这种磁密的不可逆变化将造成电机性能的不稳定，也增加了永磁电机电磁设计计算的复杂性，因而应该力求避免发生。 P

4、RHp外加退磁磁场回复线PR若HQHp，磁密沿 作可逆变化PR回复线的平均斜率与真空磁导率 的比值称为相对回复磁导率，简称为回复磁导率，符号为 ，简写为 。 式中， 为真空磁导率，又称磁性能常数， =410-7H/m。 0recrHBr0100 特点：退磁曲线上各点的回复线可近似认为是一组平行线，他们都与退磁曲线上（ ）处切线相平行。利用这一近似特性，实际工作中求取不同工作温度、不同工作状态的回复线就方便得多。 0 ,rB（12）图14 （b） 回复线 拐点：有的永磁材料，如部分铁氧体永磁的退磁曲线的上半部分为直线，当退磁磁场强度超过一定值后，退磁曲线就急剧下降，开始拐弯的点称为拐点（见图2-

5、4b）。 大部分稀土永磁的退磁曲线全部为直线，回复线与退磁曲线相重合，可以使永磁电机的磁性能在运行过程中保持稳定，这是在电机中使用是最理想的退磁曲线。3、内禀退磁曲线 磁性材料在外磁场作用下被磁化后产生的内在磁感应强度，称为内禀磁感应强度 ，又称为磁极化强度 。 iBJMJ0式中， 为磁化强度（A/m） M由铁磁学理论可知，在磁性材料中 = + 在均匀的磁性材料中，上式的矢量和可改成代数和 若取绝对值，则式（2-5）可改写成 M0H0BHBMBi00HBBi0 （13） （14）（15）（16）描述内禀磁感应强度 与磁场强度 关系的曲线 是表征永磁材料内在磁性能的曲线，称为内禀退磁曲线，简称内

6、禀曲线，如图2-5所示。 )(iJBH)(iHfB 图1-5 内禀退磁曲线及与退磁曲线的关系 称为内禀矫顽力（A/m）。反映永磁材料抗去磁能力的大小，是表征稀土永磁抗去磁能力强弱的一个重要参数。cJHcJK/ HHKHri9 . 0 BB 内禀退磁曲线的矩形度 越大，磁性能越稳定。 为内禀退磁曲线上当 时所对应的退磁磁场强度值（见图1-5）。4、稳定性主要包括温度稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性。 （1）温度稳定性是指永磁体由所处环境温度改变而引起磁性能变化的程度，如图2-6所示。 图1-6 可逆损失与不可逆损失磁性能的损失可以分为两部分：1）可逆损失 2）不可逆损失 不可恢复损失不可

7、恢复损失可恢复损失可恢复损失1）可逆损失是不可避免的。各种永磁材料的剩余磁感应强度随温度可逆变化的程度可用温度系数 （%/K）表示。 同样，还常用 （%/K）表示永磁材料的内禀矫顽力随温度可逆变化的程度。 Br100)t01001BrtBBB（HcJ100)t01cJcJcJHcJtHHH（18）（19）2）不可逆损失是温度恢复后磁性能不能恢复到原有值的部分。通常以其损失率 （%）表示。IL100000BBBIL（110）居里温度：随着温度的升高，磁性能逐步降低，升至某一温度时，磁化强度消失，该温度称为该永磁材料的居里温度，又称居里点，符号为 ，单位为K或 。 cTC手册或资料中通常提供的是室

8、温 时的剩余磁感应强度 ，则工作温度 时的剩余磁感应强度 为式中， 和 取绝对值。 0trt0B1trt1B)(1001)1001 (01Brrt0rt1ttILBBILBr（111）（2）磁稳定性是指在施加外磁场条件下永磁体磁性能发生变化的情况。 理论分析和实践证明，一种永磁材料在工作温度时的内禀矫顽力 越大，内禀退磁曲线的矩形越好（或者说 越大），则这种永磁材料的磁稳定性越高，即抗外磁场干扰能力越强。 当 和 大于某定值后，退磁曲线全部为直线，回复线与退磁曲线重合，在外施退磁磁场强度作用下，永磁体的工作点在回复线上来回变化，不会造成不可逆退磁。 cJtHKHcJtHKH 永磁材料在不同工作

9、温度下施加退磁磁场引起的磁性能变化，称为热稳定性。（3）化学稳定性是指受酸、碱、氧气和氢气等化学因素的作用，永磁材料内部或表面化学结构发生变化的情况。 在生产过程中需采取措施来防止氧化 要在成品表面涂敷保护层，如镀锌、镀镍、电泳等。（4）时间稳定性，通常以一定尺寸形状样品的开路磁通随时间损失的百分比来表示，叫做时间稳定性，或叫自然时效。 研究表明，它与材料的内禀矫顽力 和永磁体尺寸比 有关。 对永磁材料而言，在一定温度下随时间的磁通损失与所经历时间的对数基本上成线性关系。cJHDL/总结剩磁密度矫顽力最大磁能积rBcHmaxBH1、退磁曲线2、回复线回复磁导率拐点r3、内禀退磁曲线4、稳定性内

10、禀磁感应强度内禀矫顽力内禀退磁曲线的矩形度iBcJHKH温度系数损失率剩余磁感应强度HcJILrt1B（二）、几种主要永磁材料的基本性能几种主要永磁材料的基本性能 1、铝镍钴永磁2、铁氧体永磁3、稀土永磁4、粘结永磁1、铝镍钴永磁 铸造型 粉末烧结型 分 类图1-7 铝镍钴永磁的退磁曲线1LN10 2-LNGT40 3-LNGT32 4-LNGT72 5-LNG32H 6-LNG32 7-LNG52 特点：v 温度系数小 v 剩余磁感应强度较高，但矫顽力很低 v 退磁曲线呈非线性变化 v 硬而脆，可加工性较差 表表1-1 铝镍钴永磁材料牌号及其主要磁性能铝镍钴永磁材料牌号及其主要磁性能 rBc

11、Hmax)(BHrBBrr牌号剩余磁感应强度磁感应强度矫顽力最大磁能积 温度系数/%K-1回复磁导率TkGskA/mkOe kJ/m3MGOeLN10LNG13LNG32LNG37LNG40LNG44LNG52LNG60LNGT70 0.60.71.21.21.251.251.31.350.96.07.012.012.012.512.513.013.5936484448485256601450.450.600.550.60.60.650.70.751.821012.73236.939.843.851.760701.251.64.04.635.05.56.57.58.8-0.022 -0.016

12、 -0.0166.07.06.06.73.54.8 2.43.62.43.6表表1-2 铝镍钴永磁材料部分牌号的物理和力学性能铝镍钴永磁材料部分牌号的物理和力学性能 牌号密度/gcm-3电阻率/cm线膨胀系数/ 10-6K-1硬度HRC抗拉强度/Nmm-2LN 10LNG 13LNG 32LNG 527.07.27.37.3606565475013.012.411.211.24547525050 242、铁氧体永磁 钡铁氧体 锶铁氧体 分 类图1-8 铁氧体永磁的退磁曲线 优点：v价格低廉 ，制造工艺也较为简单 v矫顽力较大v密度小 v退磁曲线接近于直线缺点：v剩磁密度不高 ，最大磁能积不大v

13、剩磁温度系数大v矫顽力温度系数为正值 v硬而脆，可加工性较差表表1-1-3 铁氧体永磁材料牌号及其主要磁性能铁氧体永磁材料牌号及其主要磁性能rBcHcJHxBHma)(牌号剩余磁感应强度磁感应强度矫顽力内禀矫顽力最大磁能积TkGskA/mkOekA/mkOekJ/m3MGOeY8TY10TY15Y20Y23Y25Y28Y320.20.2350.20.280.360.320.380.320.370.360.400.370.400.400.422.02.3522.83.63.23.83.23.73.64.03.74.04.04.21251601281601281921351901701901351

14、701752101601901.572.011.602.01.602.401.702.382.142.381.702.142.202.642.012.38210280 1401951902301402001802201651952.643.52 1.762.452.392.891.762.512.262.772.072.456.509.506.409.6014.317.518.022.020.025.522.528.026.030.030.033.50.81.20.81.21.82.22.32.82.53.22.83.53.33.83.84.2表表1- -4 铁氧体永磁的其它物理特性铁氧体永磁

15、的其它物理特性C密度/gcm3电阻率/cm剩磁温度系数/%K-1居里温度/线膨胀系数/10-6K-1硬度HV4.55.1106-0.204504607154805803、稀土永磁 稀土钴永磁 钕铁硼永磁 （1）稀土钴永磁优点：v 、 及 都很高 v退磁曲线基本上是一条直线v温度系数小 ，居里温度高 分 类rBcHmax)(BH缺点：v价格贵v硬而脆 v装配困难表表1- -5 稀土钴永磁材料部分牌号及其主要磁性能稀土钴永磁材料部分牌号及其主要磁性能rBcHmax)(BHBrCr牌号剩余磁感应强度磁感应强度矫顽力最大磁能积温度系数/%K-1（20100 ）回复磁导率密度/gcm-3TkGskA/m

16、kOekJ/m3MGOeXGS-80XGS-144XGS-1600.60.70.80.90.91.067899103203845206406407204.04.86.58.08.09.072761201521521769.09.515191922-0.09-0.05-0.051.051.101.051.101.051.108.28.38.28.38.28.3（2）钕铁硼永磁 图1-9 不同温度下钕铁硼永磁（NdFeB264/82EH）的内禀退磁曲线和退磁曲线 优点：v目前磁性能最高的永磁材料 v价格便宜缺点：v居里温度较低 v温度系数较高 v容易锈蚀 rBcHcJHxBHma)(牌号剩余磁感应

17、强度磁感应强度矫顽力 内禀矫顽力最大磁能积TkGskA/mkOekA/mkOekJ/m3MGOeNdFeB416/841.431.4914.314.983610.591511.53984225053NdFeB280/85M1.161.2211.612.284510.6111414.02632873336NdFeB264/82H1.121.1911.211.981610.2135317.02472713134NdFeB336/94H1.281.3412.813.493811.8131316.53183424043NdFeB376/100H1.361.4113.614.1100012.612741

18、6.03583824548NdFeB320/91SH1.251.3112.513.191211.5159220.03023263841表1-6 烧结钕铁硼永磁材料部分牌号及其主要磁性能4、粘结永磁定义： 粘结铁氧体永磁 粘结稀土钴永磁 粘结钕铁硼永磁 分 类优点：v形状自由度大 ，尺寸精度高，不变形 v产品性能分散性小 v机械强度高 v电阻率高 v原材料利用率高 v密度小、质量轻 表1-7 粘结永磁材料部分牌号及其主要磁性能 cBHmax)(BHrBBr牌号剩余磁感应强度磁感应强度矫顽力最大磁能积内禀矫顽力温度系数/%K-1抗压强度/Nmm2密度/gcm-3TkGskA/mkOekJ/m3MG

19、OekA/mkOeGBM-5GBM-6GBM-F-2GBM-F-30.450.500.500.550.250.300.150.254.5555.52.531.52.520028028032080160721202.53.53.54.01.02.40.91.5244040488124835561.01.50.51.06406401202401442248.08.01.53.01.82.80.110.110.130.201502501502501802501802505.76.05.76.04.04.53.54.5总结rBcH1、铝镍钴特点2、铁氧体特点 不高 较大 小 大 退磁曲线大部分直线Br

20、 小较高 很低退磁曲线非线性cHrBBrHcJ0rBcHmaxBH 稀土钴特点 钕铁硼特点目前性能最高价格便宜 较高 高温时退磁曲线下半部分弯曲Br价格贵 小 很高， 很高， 很高退磁曲线基本是直线Br3、稀土永磁4、粘结永磁特点尺寸精度高，不变形 产品性能分散性小 机械强度高 电阻率高 原材料利用率高 小（三）、永磁材料的选择和应用注意事项1、永磁材料选择的原则： 1)气隙磁场和性能指标 2)磁性能的稳定性 3)机械性能 4)价格适宜 2、应用注意事项 ： 1)需对永磁体进行逐块检测。 2)磁场热处理工艺 3)稳磁处理 二、 铁心材料 表18 具有代表性的永磁电机用铁心材料 种类Co-Fe-

21、v2%Ni-FeFe电磁钢板6.5%SI-Fe粉末烧结FeFE-Cr合金非晶态材料坡莫合金(PC)饱和磁化强度/T2.32.172.152.12.01.81.521.31.81.60.8形状板、块块板、块板板块板、块薄带板 铁心材料的铁损 涡流损耗 磁滞损耗：mhhfBp1.6mT12mT3 . 12Bfpee 23 . 1BfpFe表1-9 无取向性电磁钢板的典型特性 8B50B50/15W1000/5W400/10W电磁钢板板厚/mm电阻率/cm /T /T/Wkg-1 Wkg-1 Wkg-135A21050A23050A47050A13000.350.500.500.5059593914

22、1.461.481.511.521.661.671.701.752.02.23.88.11824347616223072薄板材0.100.150.205252541.581.581.44 8.19.613.68.59.812.56.5%Si0.100.2082821.251.27 6.08.47.58.1三、 导电材料 漆包线是在以铜为主体的导电材料上，涂敷以合成树脂为主体的绝缘物而制成的。1.导体材料（1）电工用铜 （2）电工用铝 2.绝缘材料 （1）聚氨酯类树脂(UEW) （2）酯类(PEW) （3）聚酯亚胺(AMW-X) （4）酸酯胺亚胺(AIW) （5）聚酰亚胺(IMW) 应对逆变器过

23、电压的漆包线 使用IGBT那样的前沿技术能进行快速开关的逆变器，会产生很高的过电压，由于局部放电而导致绝缘被破坏的报告也多了起来。 四、 绝缘材料 1、浸渍清漆 2、槽内的绝缘材料 浸漆绝缘纸 粉末涂料 第二章 永磁电机磁路计算基础q永磁电机的等效磁路 q等效磁路的解析法 q等效磁路的图解法 q永磁体的最佳工作点 一、永磁电机的等效磁路（一）永磁体等效成磁通源或磁动势源（二）外磁路的等效磁路（三）永磁电机的等效磁路（四）主磁导和漏磁导（五）漏磁因数和空载漏磁因数（一）永磁体等效成磁通源或磁动势源 HBBriri0) 1(HBMBi00HMMr1rHMHMBrrr000i) 1()（ 已知 HB

24、HMBrirrr000HMB00HMHHMBrrr0000)（H取绝对值（21）图3-1 永磁材料的内禀曲线和退磁曲线 1、永磁体等效成磁通源 由式（31）得 0rmmrmirmHAABBA即4044101010（22）式中， 为永磁体虚拟内禀磁通 rmirrAB 为永磁体的虚拟内漏磁通，或叫虚拟自退磁磁通 0m0MpMpm0rm0r0FHhhAHA图3-2 永磁体等效成磁通源 （23）（24）0mMpc0mcmmc0MpMpcMpmr0rmhHFFFFHhhHhA24010)(10)(或图2-3 永磁体等效成磁动势源 2、永磁体等效成磁动势源 （25）（二）外磁路的等效磁路1、空载情况m分为

25、图2-4 空载时外磁路的等效磁路2、负载运行时图2-5 负载时外磁路的等效磁路戴维南等效变换naaaa111FFFF（26）（三）永磁电机的等效磁路（a）磁通源等效磁路 （b）磁动势源等效磁路图2-6 负载时永磁电机的等效磁路 （四）主磁导和漏磁导 F1、主磁导 sefi0s022KKLKKA2、漏磁导漏磁导 的计算较为繁杂 （五）漏磁因数和空载漏磁因数 m11、定义2、空载0aF 01二、等效磁路的解析法（一）等效磁路各参数的标么值等效磁路各参数的标么值 （二）等效磁路的解析解等效磁路的解析解 （三）解析法的应用解析法的应用 （一）等效磁路各参数的标么值等效磁路各参数的标么值 1、基值选取：

26、 磁通基值 磁动势基值 磁导基值 mrrbABMpccbhHFF0bbbFmrmrmmbBBrrrr1bmcmcmmhHHFFfacaahFFf2、相应物理量的标么值 cccc1hFFfb1b00b用标么值表示时，直线的回复线(或退磁曲线)表示成： m00rmFr mmmm11hbf或以标么值表示的等效磁路 （a）磁通源等效电路 （b）磁动势源等效磁路图3-7 以标么值表示的等效磁路 （二）等效磁路的解析解等效磁路的解析解1、磁路不饱和，即 、 和 都是常数 （1）空载n000001nmmmmff求解得m0nm0m0nnm0111hfb 空载永磁体工作点( , 或 , ) 0mb0mh0m0m

27、f永磁体提供的总磁通 漏磁通 每极气隙磁通 0mrm00000mrm0m00mrm0000mrm00m0)(ABbABbbbABhbABhfABbmrmmmrmrrm求得空载时各部分磁通 ：（2）负载namNmNmNmNfff)(1求解得 负载永磁体工作点( , 或 , ) mNbmNhmNmNf mNnanmNmNnanmN1111hffbf永磁体提供的总磁通 漏磁通 每极气隙磁通 mrmNmNNmrmNNmrmNmN)(ABhbABhfABbrmNrNrmN求得负载时各部分磁通 ：2、磁路是饱和的， 不是常数 （1）当磁路的饱和程度不高时，近似计算（2）当磁路比较饱和时，迭代法 n图2-8

28、 计算 框图 0mbmmmhhb00095. 0（三）解析法的应用解析法的应用上述方法推广应用于所有永磁材料上述方法推广应用于所有永磁材料1.对于铁氧体永磁和部分高温下工作的钕铁硼永磁 图2-9 具有拐点的直线型退磁曲线和回复线 MpcchHF （1）设计时保证最低工作点高于拐点，用 替代cHcH（2）工作点低于拐点，用 和 替代 和mirrAB rBcH cHirB2.对于铝镍钴类永磁图3-10 曲线型退磁曲线和回复线 用 和 替代 和rBcHirBcH必须着重指出，永磁材料的磁性能对温度的敏感性很大，尤其是钕铁硼永磁和铁氧体永磁，其的温度系数达-0.126%/K和-(0.180.20)%/

29、K。因此实际应用时，不能直接引用材料生产厂提供的数值，而要根据实测退磁曲线换算到工作温度时的计算剩磁密度和计算矫顽力，以此作为基值进行计算。温度不同，Br和Hc随着改变，计算出的工作点和磁通也不相同。 三、等效磁路的图解法图解法求解等效磁路就是求出回复线与合成磁导线的交点 )(mmFf )(mnf 图2-11 空载时等效磁路图解法 1、空载2、负载图2-12 负载时等效磁路图解法如 起增磁作用 从原点向右移动 的距离 aFaF如 起去磁作用 从原点向左移动 的距离aFaFN 当永磁材料的退磁曲线有拐点时，要进行去磁校核计算，即计算出电机运行时可能出现的最大去磁电流，用以求出该时的工作点a，如a

30、点低于退磁曲线的拐点，则将产生不可逆退磁。此时，或者调整磁路设计，使a点高于拐点， 或者据此重新确定回复线起始点和新的回复线，重新求解。 图2-13 坐标的永磁体工作图 图2-14 以标么值表示的永磁体工作图 HB mMpAhP四、永磁体的最佳工作点（一）最大磁能的永磁体最佳工作点 mMpDDVBHHhBAFJ)(212121m)(BHFVDDm5 . 0DDb图215 最大磁能时的永磁体工作图A是中点（二）最大有效磁能的永磁体最佳工作点 2max)eeeFW（图216（a） 最大有效磁能时的永磁体工作图rmrABACABOAABACBAAB221又 2eeb 2212eeb图216（b） 最

31、大有效磁能时的永磁体工作图（三）永磁体最佳工作点的应用及注意事项（三）永磁体最佳工作点的应用及注意事项 211nanmNfb an22f mMprsefi00n2AhKKL00bbbhAhHABFFMpmrMpcmrcrsefi0s022KKLKKA1当退磁曲线具有拐点时，首先要进行最大去磁工作点( ， )的校核，使其高于退磁曲线(或回复线)的拐点( ， )，即 或 ，并留有充分余地，以防止永磁体产生不可逆退磁。在保证不失磁的前提下追求尽可能大( 通常不是最大)的有效磁能。2在设计电机时首先着眼于最佳电机设计，有时只好放弃永磁体的最佳利用。一般取 0.600.85，这需要根据对电机的具体要求，

32、经过方案比较后确定。 mhbmhhkbkhmhbkbmhhkhmNb第三章 永磁同步电动机q特点和分类 q永磁同步电动机的结构 q永磁同步电动机的稳态性能 q永磁同步电动机磁路分析与计算 q永磁同步电动机参数计算和分析 q异步起动永磁同步电动机的起动过程 一、特点和分类 1、特点 ：结构较为简单，运行更为可靠 ,提高了效率和功率密度 2、分类：（1）按工作主磁场方向的不同 径向磁场式轴向磁场式横向磁场式 （2）按电枢绕组位置的不同 内转子式外转子式 （3）按转子上有无起动绕组 无起动绕组的电动机有起动绕组的电动机 （4）按供电电流波形的不同 矩形波永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机 永磁电机基

33、本部分固定部分转动部分辅助部分定子机座定子铁心定子绕组端盖及底板 转轴转子铁心转子绕组风扇 1、总体结构二、永磁同步电动机的结构实心结构叠片叠压结构图3-1 永磁同步电动机结构示意图1转轴 2轴承 3 端盖4定子绕组 5机座 6定子铁心7转子铁心8永磁体 9起动笼 10风扇 11风罩 图4-2 永磁电机横截面示意图1定子 2永磁体 3转轴 4转子铁心 v定子铁心v转子铁心图4-3 非常规分布的永磁同步电动机绕组矩形波 采用集中整距绕组正弦波 采用分布短距绕组 采用一些非常规绕组减少杂耗 采用星形接法2、转子磁极结构转子磁极结构 永磁体在永磁体在转子位置转子位置的不同的不同 表面式内置式爪极式

34、凸出式插入式 径向式切向式混合式 （1）表面式转子磁极结构 （a）凸出式 （b)插入式图4-4 表面式转子磁极结构1永磁体 2转子铁心 3转轴 特点：工艺简单、成本低 无异步起动能力A）表面凸出式转子结构 特点：结构简单、制造成本较低、转动惯量小 永磁磁极易于实现最优设计 B）表面插入式转子结构 特点：动态性能较凸出式有所改善 漏磁因数和制造成本都较凸出式大。 （2）内置式转子磁极结构 A）径向式结构 特点：漏磁因数小 极弧因数易于控制转子冲片机械强度高安装永磁体后转子不易变形 次之qX图3-5 内置径向式转子磁极结构1转轴 2空气隔磁槽 3永磁体 4转子导条 磁性转轴磁力线磁性转轴磁力线非磁

35、性转轴磁力线非磁性转轴磁力线模型模型模型模型空载场磁力线空载场磁力线（B）切向式结构 特点：漏磁因数较大，需采用相应的隔磁措施 制造工艺和制造成本较径向式结构有所增加 每极磁通由相邻两个磁极并联提供 磁阻转矩在电动机总电磁转矩的比例可达40 最大qX图3-6 内置切向式转子磁极结构1转轴 2空气隔磁槽 3永磁体 4转子导条 （C）混合式结构 特点：结构和制造工艺较为复杂，制造成本也比较高 集中了径向式和切向式转子结构的优点 图3-7 内置式混合式转子磁极结构1转轴 2空气隔磁槽 3永磁体 4转子导条 较大的 和凸极率（ ）可以提高电动机的牵入同步能力、磁阻转矩和电动机的过载倍数，因此设计高过载

36、倍数的电动机时应充分利用大的凸极率所产生的磁阻转矩。 qXdq/ XX转子磁路结构选择注意：（C）爪极式转子磁极结构 特点：不具备异步起动能力结构和工艺较为简单。 图3-8 爪极式转子磁极结构1左法兰盘 2圆环形永磁体 3右法兰盘 4非磁性转轴 3、隔磁措施图3-9 几种典型的隔磁措施1永磁体 2永磁体槽 3转子铁心 4转轴 5转子导条 1）隔磁磁桥宽度b 和隔磁磁桥长度w 的选取b b）隔磁桥宽度隔磁桥宽度b b与与0 0的关系的关系 图图3 310 10 隔磁桥尺寸对空载漏磁因数的影响隔磁桥尺寸对空载漏磁因数的影响a a）隔磁桥长度隔磁桥长度w w与与0 0的关系的关系三、永磁同步电动机的

37、稳态性能 区别1、稳态运行方程和相量图 aqq.add.11.1.10.jjj.XIXIXIRIEUq.qdd.11.0.jjXIXIRIEqdXX (a) (b) (c)去磁性质 (d) (e) 图3-11 永磁同步电动机几种典型相量图 110cosRIEUq1sinXIU112q120)(RIXIUE2、稳态运行性能分析计算 （1）电磁转矩和矩角特性 poTPfIP及、211cosqdIIarctan1sinRIXIUdqq10cosRIXIEUqddqdqdXXRUEXURI2101)cos(sinqddqXXRUERUXI2101)cos(sin221qdIII )cossin()co

38、s(cos111qdIImUmUImUIPqdqdqXXRXXUURRXEmU211102sin)(21)cossin(2sin)11(2sin201dqdemXXmUXUmEPP2sin)11(22sindqd0ememXXmpUXUmpEPT永磁转矩永磁转矩磁阻转矩磁阻转矩 （a） 计算曲线 （b）实测曲线图3-12 永磁同步电动机的矩角特性 poTTpo永磁电动机的失步转矩倍数永磁电动机的失步转矩倍数Tpo=Tmax/TN（2）工作特性曲线 图3-13 工作特性曲线1功率因数曲线 2效率曲线 3 曲线 4 曲线 NII /1NPP /1（3）损耗分析计算 A）定子绕组电阻损耗 121Rm

39、IpCuB）铁心损耗 220)()(aqqaddXIXIEE NKfKEdp44. 4定子齿、轭磁密铁耗23 . 1BfpFe图414 稀土永磁同步电动机铁耗负载曲线)(112111jdjtdtfeVpkVpkPC） 机械损耗 参考实测值或者其它电机的计算方法1、轴承摩擦损耗滑动轴承滚动轴承2、通风损耗 105 . 1jjjjj50jf10)1 (503 . 2vlddplp5f1015. 0vdFp2vw75. 1vqpD） 杂散损耗sNNspIIp21)(四、永磁同步电动机磁路分析与计算1、磁路计算特点 图315 空载气隙磁密波形图 图3-16 实测永磁同步电动机空载气隙磁密波形 -气隙磁

40、密气隙磁密-基波基波-3次谐波次谐波-5次谐波次谐波A）计算极弧因数 径向式pQpQ21222pp1pi164表面式切向式1Mpb1pb1i2b (a) (b）图3-17 径向充磁时永磁电机的计算极弧因数 4M/h8M/h(a) 4， 1 (b) 8， 1 /hMp/hMp(c) 4， 2 (d) 8， 2 /hMp/hMp(e) 4， 3 (f) 8， 3 /hMp/hMp图3-18 平行充磁时永磁电机的计算极弧因数 iB） 气隙磁场波形因数 2sin4i1BB图3-19 永磁同步电动机空载气隙磁密近似波形 2sin4i1fBBK 0mrm00ABb ef11102LB 2sin8ii201

41、0K磁位差计算 采用其他电机常用的方法。区别： 计算气隙和齿部磁位差时应该用 而不是用 计算电机轭部磁位差时也应该用轭部铁心的有效总磁通 而不是基波磁通 B1B12 2、空载漏磁因数 )() 1(ef21210Lkk (a)表面凸出式 (b)表面插入式图3-20 表面式永磁同步电动机极间漏磁因数 11）表面式图3-21 表面式永磁同步电动机端部漏磁计算因数 221、mph2）内置式图3-22 内置式永磁同步电动机极间漏磁因数 隔磁磁桥尺寸曲线 1图3-23 内置式永磁同步电动机端部漏磁计算因数2图3-24 内置式永磁同步电动机极间漏磁因数 永磁体尺寸曲线 (a) 0. 2cm (b) =0.4

42、cm (c) =0.8cm MhMhMh121、mbbw3、永磁体工作点的计算 （1）空载和负载工作点的计算特点 为避免混淆，以永磁同步电动机每对极的磁动势（A）和每极磁通（Wb）作为计算量。 m0nm0m0nnm0111hfbmNnanmNmNnanmN1111hffbf空载负载0nMcc2hHF MMrmrrLbBAB对径向式 结构j2t2j1t1FFFFFFmrMpAh002F0对切向式结构 mrMpAh00McchHF MMrmrr2LbBABj2t2j1t1FFFFFFdaddpad35. 1IpNKKFdadc0dp0cada7 . 22IKpFNKFFf负载（2）最大去磁时永磁体

43、工作点校核计算 对调速永磁同步电动机来说 异步起动永磁同步电动机 反接状态 d0hXEI 起动过程中转子转速接近同步转速时电枢磁动势和转子磁场轴线重起动过程中转子转速接近同步转速时电枢磁动势和转子磁场轴线重合且方向相反的位置为合且方向相反的位置为“反接位置反接位置”，这种运行状态，为，这种运行状态，为“反接状反接状态态”。d0hXUEI2d212202d212d20d0h)(XRUEXRXEXEI(a) =0的向量图 (b) 0的向量图图3-24 “反接状态”时电动机向量图1R1R五、永磁同步电动机参数计算与分析1、空载反电动势 0r0mdp044. 4mABbNKfKE 图3-25 曲线 )

44、/(01NUEfI表3-1 不同用途电动机 的取值范围 0E0ENUE /0用途取值范围风机、水泵用永磁同步电动机0.951.0油田抽油机用永磁同步电动机屏蔽泵用永磁同步电动机0.91.0化纤、纺织用永磁同步电动机 0.70.9调速永磁同步电动机机床用伺服电动机图3-26 图 3-27 空载电流 曲线 )U/E(fpN00N0U/E-I0曲线曲线-Id0曲线曲线-Iq0曲线曲线E0的设计，都将导致的设计，都将导致p0和和I0上升，这是因为直轴电流分量上升，这是因为直轴电流分量|Id0|急剧增大。急剧增大。2 2、交、直轴电枢反应电抗 )(饱和非线性线性aqadXXadd0dXIEEdd0adI

45、EEX1Ndpd44. 4NfKE KABbbmrmNmNN1)1 (dN110dpad44. 4INfKX1. 计算条件计算条件2. 计算过程计算过程“-”，去磁状态，去磁状态“+”，增磁状态，增磁状态（1） 给定某一转矩角 ；（2） 假设交轴电流分量 ，则交轴电枢磁动势 （3）根据 由预先算得的 - 曲线查取相应的 ；（4）由 求出交轴电枢反应电动势 （V） （5）计算 （6）代入式 即可求出交轴电枢电流计算值 ； （7）比较 ，重复（2）（6）步，反复进行迭代计算，直至间的误差在容许范围内。 qIqaqdpaq35. 1IpNKKFaqFaq1aqFaq1aqEaq1aq1dpaq 44

46、. 4NfKEqXaq1qaq1qXXIEXXqd2101dq)cos(sinXXRUERUXIqIqqII 和 给定正弦量Fad，不同转子磁路结构的电动机产生的电枢反应磁通波形也不一致，存在一个磁通波形系数Kq=aq1/aq。使用类型Kq表面凸出式1内置式近似1表面插入式与p有关，越小，Kq越接近1 图3-28 “负载法”计算 和 的流程图 adXaqX 图3-29 对 的影响 图3-30 对 的影响 1 3A 2 6A 3 9A 1 3A 2 6A 3 9A 4 12A 5 15A 4 12A 5 15A 6 18AqIadXdIaqXdIdIdIdIdIqIqIqIqIqIqI3、交、直

47、轴电枢磁动势折算系数 fdad/ KKKfqaq/ KKK2sin4i1fBBK表面凸出式 2sin41ifadaqKKK表面插入式和内置式 电磁场计算求解1adaq KK六、异步起动永磁同步电动机的起动过程在起动过程中也要求具有一定的起动转矩倍数、起动电流倍数和最小转矩倍数。1、起动过程中的电磁转矩起动过程中的电磁转矩 )2cos()cos(pcpmavemTTTTA）起动转矩中的平均转矩 gbaavTTTT总平均转矩avT图3-31 异步起动永磁同步电动机的平均转矩-转差率曲线1 曲线 2 曲线 3 曲线 41，2，3的合成曲线 sT asT bsT g2211221122c)()/(2/

48、XcXsRcRfsRmpUTTTba2qd2122012qd2122q21g)1 ()1 ()1 ()1 ()1 (2sXXRsERsXXRsXRsfmpTdq2ddqddqq1gm2)( 32)( 31XXXXXXXXXRsB）起动过程中的脉动转矩 1n1)1ns（1)21 (nssf2pcTsfpmTC）瞬态起动性能分析 LemddTTtJ （1）假定转子在时间 内旋转了 角度，由此确定出某时刻电动机的角速度 ； （2）解场路耦合方程，得到该时刻的场分布，求出此时的电磁转矩； （3）以（2）步算出的电磁转矩为已知量，解机械运动方程求得角速度 ；（4）如果角速度计算值 与假定值 之间误差小于

49、允许值，则继续计算 时刻，否则，修正旋转角速度 ，重复（2）、（3）两步。 ttt图3-32 某台永磁同步电动机起动过程的瞬态性能曲线1瞬态转矩 2负载转矩 2、起动过程中的定子电流 2g2b2astIIII3、牵入同步过程 A)牵入同步机理ssJpsdsdJtJTTssdd1)1 (dd2sLem注：永磁同步电动机的起动电流比同规格的普通感应电动机的大注：永磁同步电动机的起动电流比同规格的普通感应电动机的大图3-33 永磁同步电动机的矩角特性 图3-34 同步过程的转差率-转矩角曲线 2sin10 ss202s22sApJ电动机能够牵入同步的最大转动惯量 给定电动机的一个负载转矩 求出对应的

50、稳定工作点的转矩角 和非稳定工作点处的转矩角 LT12sin10 ssssJptJTTdd1dd2sLemLT和代入0s求解)2cos()cos(pcpmavemTTTT11LemAdpTT202s22sApJ代入B）牵入同步能力的实用计算方法 图3-35 临界 曲线 JNL/TT0E牵入同步能力会提高 gTavT0s牵入同步能力会降低 永磁体对电动机牵入同步能力的影响永磁体对电动机牵入同步能力的影响大容量电机小容量电机1R1R牵入同步能力影响不大 牵入同步能力影响大 avT定子绕组电阻对电动机牵入同步能力的影响定子绕组电阻对电动机牵入同步能力的影响接近同步转速gT七、异步起动永磁同步电动机的

51、设计特点 确定主要尺寸选择永磁材料估算永磁体尺寸设计定、转子冲片选择绕组数据设计任务1）确定主要尺寸定子冲片内径 和电枢计算长度i1DefLA 替代原来的感应电动机 B 直接利用某特定的定子冲片C 仅给定电动机的性能指标 ABLD1ef2i11ef/La）电磁负荷的选择 机座号 63112 132160 180355 (T)0.650.750.60.780.580.8 ( ) 68 4.57.5 3.56.5BA2mmAb)热负荷的选择 单位： 机座号 2极 4极 6极 8、10极 63112 14001600150019001600200017002100132160110014001300

52、17001400180015001900180355700100090011009001100 9001100）22mmcm/(Ac）气隙的选择 单位：mm 机座号 2极 4极 6极 8极630.250.25710.250.250.25800.30.250.250.25900.350.250.250.251000.40.30.250.251120.450.350.30.31320.550.40.350.351600.650.50.40.4 机座号 2极 4极 6极 8极10极1800.80.60.450.452001.00.70.50.52251.10.80.550.552501.20.90.

53、60.62801.31.00.70.73151.51.10.90.80.83551.61.21.01.01.02）永磁体尺寸的估算轴向长度 、磁化方向长度 和宽度v 的确定应使电动机的直轴电抗合理v 不能过薄v 应使永磁体工作于最佳工作点v为调整电动机的性能，常常要调整 MLMhMbMhadXMhMhMbMrm0ef110M0m0m0asM2)1 (LKBbLBbbbKKhMm0ef110M0m0m0asM)1 (2LKBbLBbbbKKhr内置径向式 内置切向式 3 3）定、转子槽数的选择）定、转子槽数的选择选定为极数的整数倍定子斜槽 pQtQtsk1114 4）定转子槽形选择）定转子槽形选

54、择 与设计（1）使槽有足够的截面积，以保证槽内导体电密在一定范围内；（2）有足够的齿宽和轭高，使铁心齿部、轭部磁密不致过高。由于机械强度或工艺限制，轭高和齿根宽度也不宜过小；（3）为减小漏磁，转子槽底宽度不宜过小。表表3 3- -2 2 定子槽形的特点及适用范围定子槽形的特点及适用范围 槽形特点适用范围1 半闭口槽，槽口小，槽口对气隙磁场的影响小；一般为平行齿，齿部磁密分布均匀；圆底，槽利用率高，槽绝缘不易损伤，冲模寿命较长。常用于散嵌绕组2 半闭口槽，槽口小，槽口对气隙磁场的影响小；一般为平行齿，齿部磁密分布均匀；平底，轭部较厚，但槽利用率较圆底差。可用于极数较多的小功率电机散嵌绕组3 半开

55、口槽，槽口较大，槽口对气隙 磁场影响较大，空载杂散损耗较大；平行槽，齿根部分磁密较高；采用扁导线，导线在槽内排列整齐，槽利用率高。常用于电压为500V及以下分爿嵌成型绕组4 开口槽，槽口大，槽口对气隙磁场影响大，空载杂散损耗大；平行槽，齿根部分磁密较高；嵌线方便，绝缘可靠性高常用于电压为为3000V及以上整嵌成型绕组表表3 3- -3 3 转子槽形的特点及适用范围转子槽形的特点及适用范围 槽形特点适用范围1 平行齿、齿部磁密分布均匀，在齿部所需励磁磁磁动势一定的条件下，平行齿可得到较大的槽面积，齿根宽度较； 挤流效应较小用于小型电机笼型铸铝转子2 平行槽，槽宽受齿根部分磁密及机械强度限制，与平

56、行齿比较槽面积较小；挤流效应较平行齿显著 用于铜条笼型转子3 a) b) c) 凸形槽（a）或刀形槽（b、c）由于上部较狭使槽面积受到限制； 挤流效应显著，调整槽上部尺寸能有效抑制起动电流，改善起动性能用于较大功率或起动转矩要求高的小型或中型电机笼型铸铝转子 槽形特点适用范围4 a) b) 双笼，运行时槽漏抗较大； 挤流效应显著，起动时上笼电流大，适当提高上笼电密或上笼用电阻率较高材料的方法可提高起动转矩，改善起动性能用于起动转矩要求较高的电机及大中型电机笼型转子a 用于铸铝转子b 用于铜笼转子5 a) b) 闭口槽，槽漏抗较大，桥拱高度尺寸工艺上不易保证； 杂散损耗较小可用于笼型转子a 用于

57、小型电机铸铝转子b 用于大、中型电机铜笼转子表表3 3- -3 3 转子槽形的特点及适用范围转子槽形的特点及适用范围 续表续表 6 6）电枢绕组设计）电枢绕组设计 异步起动永磁同步电动机通常采用Y接的双层短距绕组以避免电动机绕组中产生环流，并削弱电动势谐波。 7）槽满率机座号槽满率637170左右8016078左右180355 808）损耗机座号2极4极6极8、10极ktkyktkyktkyktky631003.53.03.53.03.53.03.53.01121602.52.03.02.53.02.53.22.81802.52.02.52.02.82.22.82.22003552.01.52

58、.52.02.52.02.52.0铁耗修正系数9）提高异步起动永磁同步电动机功率密度和起动性能的措施 提高功率密度0EdXMhNdX相差越大与qdXX磁阻转矩永磁转矩10）提高异步起动永磁同步电动机效率和功率因数的措施 图3-36 永磁同步电动机与感应电动机的效率和功率因数1永磁同步电动机 2感应电动机 cos0ENMh，feP杂耗定子斜槽采用闭口槽磁性槽楔0槽漏抗机械耗5 . 282 . 29595. 0cos 2p50Hz3,m V380 UkW 111*NNstNstNpoNNNTITfP，方案5 . 282 . 29595. 0cos 2p50Hz3,m V380 UkW 152*NN

59、stNstNpoNNNTITfP，方案5 . 282 . 29595. 0cos 3p50Hz3,m V380 UkW 223*NNstNstNpoNNNTITfP，方案6 . 382 . 29595. 0cos 3p50Hz3,m V380 UkW 304*NNstNstNpoNNNTITfP，方案8 . 182 . 25 .9495. 0cos 3p50Hz3,m V380 UkW 455*NNstNstNpoNNNTITfP，方案手算设计方案1、方案1 转子斜肩平底槽定子梨形槽，径向，mm86mm1307528/36/8 . 184 . 18586. 0cos 2p50Hz3,m 0V1

60、1 UW 7501 i121*NNDDtQQTITfPstNstNpoNNN径向，7532/36/8 . 1104 . 18885. 0cos 2p50Hz3,m V842 UkW 5 . 221*NNtQQTITfPstNstNpoNNN2、方案2 转子斜肩平底槽，定子梨形槽，mm98mm1551 i1DD手算设计方案3、方案3 径向，11022/18/0 . 262 . 28085. 0cos 1p50Hz3,m 220V UW 37021*NNtQQTITfPstNstNpoNNN径向，7532/24/0 . 262 . 28899. 0cos 2p50Hz3,m V380 UkW 7 . 321*NNtQQTITfPstNstNpoNNN4、方案4 转子凸形槽，定子平底槽，mm4 .98mm1781 i1DD转子斜肩平底槽，定子平底槽，mm60mm1151 i1DD手算设计方案5、方案5 径向，2032/36/8 . 1100 . 1909 . 0cos 2p50Hz3,m V803 UkW 5 . 521*NNtQQTITfPstNstNpoNNN切向，7556/72/6 . 382 . 29595. 0cos 2p50Hz3,m V660 UkW 3721*NNtQQTITfPstNstNpoNNN6、方案6转子凸形槽，定子梨形槽，mm110mm1751 i1DD