【正文】 ）；定子電流小，定子銅耗顯著減??；轉(zhuǎn)子無銅耗（三相異步電動機轉(zhuǎn)子繞組損耗約占總損耗的20～30％），因而發(fā)熱低，可以取消風(fēng)扇或減小風(fēng)扇，從而無風(fēng)摩耗或減少風(fēng)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(yīng)用需大的起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的動態(tài)需求 　　常規(guī)異步電動機起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)和最大轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)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(qū)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(zhuǎn)矩驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)動螺旋槳，實現(xiàn)船舶的運行和控制。這是船舶驅(qū)動技術(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子采用60極結(jié)構(gòu)，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(qū)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(zhuǎn)矩密度。永磁同步電動機由于無需激磁繞組，空間結(jié)構(gòu)小，高性能的釹鐵硼永磁材料具有高剩余磁感應(yīng)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(jié)構(gòu)，約束著磁負荷和電負荷的關(guān)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(shè)想，該設(shè)想一反傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)矩、低速和直接驅(qū)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(zhuǎn)速為180r/min。此外橫向磁場電機在風(fēng)力發(fā)電和海洋潮汐發(fā)電中也有應(yīng)用。 　　(6) 能夠滿足運動控制系統(tǒng)的需求 　　目前電氣傳動技術(shù)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(shè)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(zhuǎn)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(qū)動器，尚處在發(fā)展初期。 　　此外機械加工設(shè)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(shè)計過程3．1電機基本設(shè)計參數(shù) 本電動機是為滿足一般小型乘用車的使用而設(shè)計的，完成一般客運的功率提供功能，其基本設(shè)計參數(shù)如下：額定功率 ：；額定轉(zhuǎn)速 ：；額定線電壓 ：380V；額定效率 ：；絕緣等級 ：F；起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù) ：；定子外徑 ：；定子內(nèi)徑 ：；氣隙長度 ：；轉(zhuǎn)子內(nèi)徑 ：；鐵心長度 ：；定轉(zhuǎn)子槽數(shù) ：36/32；鐵心材料 ：DW31550；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式內(nèi)置徑向Ｗ型。3．2電機結(jié)構(gòu)，采用徑向磁場、繞組內(nèi)置、W型轉(zhuǎn)子導(dǎo)條結(jié)構(gòu)，其大致尺寸如下圖：圖31本電機設(shè)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(guān)系，故可采用雙反應(yīng)理論來研究。需要指出的是，由于永磁同步電動機轉(zhuǎn)子直軸磁路中永磁體的磁導(dǎo)率很小，使得電動機直軸電樞反應(yīng)電感一般小于交軸電樞反應(yīng)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(zhuǎn)速時，根據(jù)雙反應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)矩角，這一角度與輸入功率、輸出功率密切相關(guān)；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(shè)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(shè)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(guān)系以及失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)等。3．3．2．1電磁轉(zhuǎn)矩和矩角特性從圖32中可得到以下關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩）—轉(zhuǎn)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(yīng)磁場相互作用產(chǎn)生的基本電磁轉(zhuǎn)矩，又稱永磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩為一負正弦函數(shù)，因而矩角特性曲線上最大之所對應(yīng)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩）轉(zhuǎn)矩角曲線”[11]。矩角特性上的轉(zhuǎn)矩最大值被稱為永磁同步電動機的失步轉(zhuǎn)矩，如果負載轉(zhuǎn)矩超過此值則電動機將不再能保持同步轉(zhuǎn)速。最大轉(zhuǎn)矩與電動機額定轉(zhuǎn)矩的比值稱為永磁同步電動機的失步轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩角，便可求出相應(yīng)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(guān)系曲線。圖34本設(shè)計中平底槽電機的工作特性曲線（每槽導(dǎo)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(guān)，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(dǎo)致電動機中永磁體體工作點改變