【正文】 ）；定子電流小，定子銅耗顯著減??；轉子無銅耗（三相異步電動機轉子繞組損耗約占總損耗的20～30％），因而發(fā)熱低，可以取消風扇或減小風扇，從而無風摩耗或減少風摩耗，故永磁同步電動機一般比同規(guī)格異步電動機效率可提高2～8％，并且在很寬的負載變動范圍內(nèi)始終保持高的效率和功率因數(shù)，尤其在輕載運行時節(jié)能效果更顯著。 (2) 可滿足某些工業(yè)應用需大的起動轉矩和最大轉矩倍數(shù)的動態(tài)需求 　　常規(guī)異步電動機起動轉矩倍數(shù)和最大轉矩倍數(shù)都有限，為達要求，需選擇更大容量的異步電動機，而到了正常運行狀態(tài)，異步電動機則又處于輕載運行狀態(tài)，效率和功率因數(shù)均較低。例如為油田抽油機設計的具有異步起動能力的永磁同步電動機，效率可達94％，既滿足了負載動態(tài)時大轉矩的要求，還具有很高的節(jié)能效果[6]。 (3) 能滿足低速直接驅動的需求 　　為了提高控制精度、減小振動噪聲、杜絕油霧帶來的不安全，也為了大轉矩驅動的需求，近年來對低速電動機的需求也不斷增長。如用于電梯拖動的永磁同步曳引機，轉矩提高了十幾倍，取消了龐大的齒輪箱，通過曳引輪直接拖動轎廂，明顯減小了振動和噪聲。又如船用吊艙式電力推進器，將低速大轉矩的永磁同步電動機置于船艙外的吊艙，無需原來的傳動系統(tǒng)，直接驅動螺旋槳，實現(xiàn)船舶的運行和控制。這是船舶驅動技術的又一發(fā)展，國外自上世紀九十年代已成功用于豪華郵輪、專用油輪等[7]。 　　(4) 能滿足多極高功率因數(shù)的需求 　　近年來，永磁同步電動機朝著多極化發(fā)展，多極電機可顯著減小定、轉子鐵心軛部高度，從而減小電機體積、減少鐵心用量。多極電機還顯著減小了定子端部長度，減小定子銅耗、從而減少發(fā)熱、提高了效率。如某安裝于轎廂和井壁間隙的永磁同步電動機，轉子采用60極結構，顯著縮短了定子線圈端部長度，實現(xiàn)無機房電梯。若仍用異步電動機驅動，隨著極數(shù)增加，其功率因數(shù)明顯降低，在輕載和空載時，功率因數(shù)將更低，因此在Y型系列電機中，10極電機已不多見。，空載、輕載時甚至可達1，節(jié)能效果明顯。 　　(5) 高功率密度的需求 　　艦船、車輛受體積所限，要求電動機要有高功率密度、高轉矩密度。永磁同步電動機由于無需激磁繞組，空間結構小，高性能的釹鐵硼永磁材料具有高剩余磁感應強度和高矯頑力，從而可提供很高的磁負荷，使電機尺寸縮小。有些并聯(lián)供磁的電機，磁負荷甚至可高達1特斯拉以上。傳統(tǒng)電機的齒槽結構，約束著磁負荷和電負荷的關系，過高的磁負荷將減小放置繞組的空間，成為實現(xiàn)高功率密度的瓶頸。（TransverseFluxPMMachine－TFM）的設想，該設想一反傳統(tǒng)結構，使電機的磁負荷和電負荷不再相互制約，特別適合高功率密度、大轉矩、低速和直接驅動的場合。橫向永磁電機我國目前還處于實驗研究階段。英國研制的用于艦艇的橫向磁場電機，功率達10MW，轉速為180r/min。此外橫向磁場電機在風力發(fā)電和海洋潮汐發(fā)電中也有應用。 　　(6) 能夠滿足運動控制系統(tǒng)的需求 　　目前電氣傳動技術已從簡單的速度控制發(fā)展到運動軌跡控制。由于永磁同步電動機比異步電動機更易于實現(xiàn)磁場定向矢量變換控制，因此近年來永磁同步伺服電動機系統(tǒng)成了高精度數(shù)控機床、機器人等高科技設備的主流。在某些場合，甚至實現(xiàn)了100000∶1的調(diào)速范圍和小于1～2％的低速轉矩波動。外國產(chǎn)品幾乎占據(jù)了國內(nèi)所有市場，功率一般為20W～15KW。我國交流伺服電動機和驅動器，尚處在發(fā)展初期。 　　此外機械加工設備的更新，需要各種永磁同步電動機。 第3章 車用永磁同步電機設計過程3．1電機基本設計參數(shù) 本電動機是為滿足一般小型乘用車的使用而設計的，完成一般客運的功率提供功能，其基本設計參數(shù)如下：額定功率 ：；額定轉速 ：；額定線電壓 ：380V；額定效率 ：；絕緣等級 ：F；起動轉矩倍數(shù) ：；定子外徑 ：；定子內(nèi)徑 ：；氣隙長度 ：；轉子內(nèi)徑 ：；鐵心長度 ：；定轉子槽數(shù) ：36/32；鐵心材料 ：DW31550；轉子結構型式內(nèi)置徑向Ｗ型。3．2電機結構，采用徑向磁場、繞組內(nèi)置、W型轉子導條結構，其大致尺寸如下圖：圖31本電機設計尺寸3．3永磁同步電動機的穩(wěn)態(tài)性能分析3．3．1穩(wěn)態(tài)運行和相量圖正弦波永磁同步電動機（以下簡稱永磁同步電動機）與電勵磁凸極同步電動機有著相似的內(nèi)部電磁關系，故可采用雙反應理論來研究。需要指出的是，由于永磁同步電動機轉子直軸磁路中永磁體的磁導率很小，使得電動機直軸電樞反應電感一般小于交軸電樞反應電感，這一點異于電勵磁凸極同步電動機。電動機穩(wěn)定運行于同步轉速時，根據(jù)雙反應理論可寫出永磁同步電動機的電壓方程[8]： （31）式中 —永磁氣隙基波磁場所產(chǎn)生的每相空載反電動勢有效值（V）； —外施相電壓有效值（V）； —定子相電流有效值（A）； —定子繞組相電阻（）；、—直、交軸電樞反應電抗（）； —定子漏抗（）； —直軸同步電抗， （32）—交軸同步電抗， （33）、—直、交軸電樞電流（A） （34） —與的夾角（），稱為內(nèi)功率因數(shù)角，超前時為正。 由電壓方程可以畫出永磁同步電動機不同情況下穩(wěn)定運行時的典型相量圖，如下圖所示。圖32永磁電機的幾種典型向量圖其中為氣隙和成基波磁場所產(chǎn)生的電動勢；為氣隙和成基波磁場直軸分量所產(chǎn)生的電動勢，稱為直軸內(nèi)電動勢；為超前的角度，即功率角，也成為轉矩角，這一角度與輸入功率、輸出功率密切相關；為電壓超前定子相電流的角度，即功率因數(shù)角[9]。圖d中所示是直軸增，去磁臨界狀態(tài)（即與相同）下的相量圖，由此可列出如下電壓方程： （35）從而可以求得直軸增、去磁臨界狀態(tài)時的空載反電動勢 （36） 上式通常用來判斷所設計的電動機是運行于增磁狀態(tài)還是運行于去磁狀態(tài)。實際值由永磁體所產(chǎn)生的空載氣隙磁通算出比較與，若前者大于后者，則電動機運行于去磁工作狀態(tài)，反之將運行于增磁工作狀態(tài)。且由上圖可知，要使電動機運行于單位功率因數(shù)（圖32b）或容性功率因數(shù)狀態(tài)(圖32a)，只有設計在去磁狀態(tài)時才能達到[10]。3．3．2穩(wěn)態(tài)運行性能分析計算 永磁同步電動機的穩(wěn)態(tài)運行性能包括：效率、功率因數(shù)、輸入功率、電樞電流與輸出功率之間的關系以及失步轉矩倍數(shù)等。3．3．2．1電磁轉矩和矩角特性從圖32中可得到以下關系： （37） （38） （39） （310） 從式（39）（310）中整理得定子電流的直、交軸分量： （311） （312）定子相電流 （313） 而電動機的輸入功率（W）可表示為 （314） 忽略定子電阻，由式（314）可得電動機的電磁功率（W） (315)除以電動機的機械角速度，即可得電動機的電磁轉矩（Nm） （316）式中 —電動機的電角速度； —電動機的極對數(shù)。 （a） （b）圖33是永磁同步電動機的矩角特性曲線。圖33（a）為計算所得的“（電磁轉矩/額定轉矩）—轉矩角”曲線，圖中曲線1為式（16）第一項，即永磁氣隙磁場與定子電樞反應磁場相互作用產(chǎn)生的基本電磁轉矩，又稱永磁轉矩；曲線2為式（16）中第二項，既由于電動機d、q軸磁路不對稱而產(chǎn)生的磁阻轉矩；曲線3為曲線1與曲線2的合成。由于永磁同步電動機直軸同步電抗一般小于交軸同步電抗，磁阻轉矩為一負正弦函數(shù)，因而矩角特性曲線上最大之所對應的轉矩角大于，這是永磁同步電動機一個值得注意的特點。圖（b）為本同步電動機的“（輸出轉矩/額定轉矩）轉矩角曲線”[11]。矩角特性上的轉矩最大值被稱為永磁同步電動機的失步轉矩，如果負載轉矩超過此值則電動機將不再能保持同步轉速。最大轉矩與電動機額定轉矩的比值稱為永磁同步電動機的失步轉矩倍數(shù)[12]。3．3．2．2工作特性曲線 計算出電動機的、和等參數(shù)后，給定一系列不同的轉矩角，便可求出相應的輸入功率、定子相電流和功率因數(shù)等，然后求出電動機此時的損耗，便可得到電動機的輸出功率和效率，從而得到電動機穩(wěn)態(tài)運行性能與輸出功率之間的關系曲線。圖34本設計中平底槽電機的工作特性曲線（每槽導體數(shù)=5） 由圖34可見，輸出功率的不斷增大，要求有更大的輸入功率，即要求有更高的定子相電流提供更強的磁場。同時也可看到，在低功率運行時電動機的效率和功率因數(shù)是很低的。電動機的工作曲線圖是電動機的工作性能重要體現(xiàn)。3．3．3損耗分析計算 永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)運行時的損耗包括下列四項3．3．3．1定子繞組電阻損耗 常規(guī)計算公式： （317）3．3．3．2鐵心損耗 永磁同步電動機的鐵耗不僅與電動機所采用的硅鋼片材料有關，而且隨電動機的工作溫度、負載大小的改變而變化。這是因為電動機溫度和負載的變化導致電動機中永磁體體工作點改變