【正文】 ..................................................... 41 本章小結(jié) ................................................................................................. 41 結(jié)論 .................................................................................................................... 42 致謝 .................................................................................................................... 43 參考文獻 ............................................................................................................ 44 附錄 A 常用定、轉(zhuǎn)子槽比漏磁導(dǎo)計算 .......................................................... 45 附錄 B 外文文獻 .............................................................................................. 47 附錄 C 外文文獻翻譯 ...................................................................................... 59 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 第 1章 緒論 永磁同步電 動 機概述 隨著永磁材料工藝的進步和電子電力技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動機逐漸克服技術(shù)難點，逐步占領(lǐng)市場。永磁同步電動機與異步電機比較，有效率高、功率因數(shù) 高 、體積小、節(jié)能、 高功率密度、高力矩 /慣量比、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點的極具發(fā)展前景的新型電動機， 在當(dāng)今強調(diào)節(jié)約、綠色概念的社會，節(jié)能和節(jié)約材料的永磁 同步電機 由于具有其他電動機所不可替代的優(yōu)越性 已經(jīng)在國外蓬勃發(fā)展， 國內(nèi)電機行業(yè)也以驚人的速度在發(fā)展 [1]。 永磁同步電動機，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)（可達(dá)到 甚至容性） ，減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運行時沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，進而可以因總損耗降低而減小風(fēng)扇（小容量電機甚至可以去掉風(fēng)扇）和相應(yīng)的風(fēng)摩損耗，從而使其效率比同規(guī)格感應(yīng)電動機可提高 2~8 個百分點。而且，永磁同步電動機在 25%~120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著。 永磁同步電動機特點 永磁同步電機采用永磁體勵磁，具有電勵磁電機無可比擬的優(yōu)點 [23]。 具體說明如下： 在轉(zhuǎn)子上嵌入永磁材料后，在正常工作時轉(zhuǎn)子與定子磁場同步運行，轉(zhuǎn)子繞組無感生電流，不存在轉(zhuǎn)子電阻和磁滯損耗，提高了電機效率。 永磁同步電機轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流勵磁，定子繞組呈現(xiàn)阻性負(fù)載，電機的功率因數(shù)近于 1，減小了定子電流，提高了電機的效率。同時功率因數(shù)的提高，提高了電網(wǎng)品質(zhì)因數(shù)，減小了輸變電線路的損耗，輸變電容量也可降低，節(jié)省了電網(wǎng)投資。 在需要大起動轉(zhuǎn)矩的設(shè)備 (如油田抽油電 機 )中，可以用較小容量的永磁電機替代較大容量的 Y系列電機。如果 37kW永磁同步電機代替 45kW~55kW的 Y系列電機，較好地解決了“大馬拉小車”的現(xiàn)象，節(jié)省了設(shè)備投入費用，提高了系統(tǒng)的運行效能。 Y系列電機在 60%的負(fù)荷下工作時，效率下降 15%，功率因數(shù)下降 30% ，力能指標(biāo)下降 40%；而永磁同步電機的效率和功率因數(shù)下降甚微，當(dāng)電機只有 20%負(fù)荷時，其力能指標(biāo)仍為滿負(fù)荷的 80%以上。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 轉(zhuǎn)子繞組中不存在電阻損耗，定子繞組中幾乎不存在無功電流，因而電機溫升低。 ，重量輕 ，耗材少 同容量的永磁同步電機體積、重量、所用材料可以減小 30%左右。 便于構(gòu)成新型磁路。 抗過載能力強 [4]。 存在問題 在開發(fā)高性能永磁同步電機過程中，取得上述成果的同時，也得到了一些問題 [5]，有待于更深入地研究和探索。 如果設(shè)計或使用不當(dāng)，永磁同步電機在過高 (釹鐵硼永磁 )或過低 (鐵氧體永磁 )溫度時，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機械振動時有可能產(chǎn)生不可逆退磁，或叫失磁，使電機性能下降，甚至無法使用。因此，既要研究開發(fā)適用于電機制 造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置，又要分析各種不同結(jié)構(gòu)型式的抗去磁能力，以便設(shè)計和制造時，采用相應(yīng)措施保證永磁同步電機不失磁。 鐵氧體永磁同步電機由于結(jié)構(gòu)工藝簡單、質(zhì)量減輕，總成本一般比電勵磁電機低，因而得到了廣泛應(yīng)用。由于稀土永磁目前的價格還比較貴，稀土永磁電機的成本一般比電勵磁電機高，這需要用它的高性能和運行費用的節(jié)省來補償。在設(shè)計時既需要根據(jù)具體使用場合和要求進行性能、價格的比較后取舍，又要進行結(jié)構(gòu)工藝的創(chuàng)新和設(shè)計優(yōu)化，以降低成本。 永磁同步電機不需外界能量即 可維持其磁場，但這也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場極為困難。但是隨著 MOSFET、 IGBT 等電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)永磁同步電機在應(yīng)用中，可以不進行磁場控制而只進行電樞控制。設(shè)計時需把永磁材料、電力電子器件和微機控制三項新技術(shù)結(jié)合起來，使永磁同步電機在嶄新的工況下運行。此外，以永磁同步電機作為執(zhí)行元件的永磁交流伺服系統(tǒng)，由于永磁同步電機本身是具有一定非線性、強耦合性和時變性的系統(tǒng)，同時其伺服對象也存在較強的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運行時易受到不同程度的干擾，因此采用先進控制策略、先進的控制系統(tǒng)實現(xiàn) 方式 (如基于 DSP 控制 )，從整體上提高系統(tǒng)的智能化和數(shù)字化水平，這應(yīng)是當(dāng)前發(fā)展高性能永磁同步電機伺服系統(tǒng)的一個主要突破口 [6]。 發(fā)展趨勢 根據(jù)反電勢波形的不同，交流永磁同步電動機可以分成兩大類 ： 方波驅(qū)動永磁同步電動機和正弦波驅(qū)動永磁同步電動機。交流永磁同步電動機哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 的發(fā)展是與永磁材料技術(shù)、 電機結(jié)構(gòu) 、電力電子技術(shù)、微 電子 技術(shù) 和電機控制理論 的發(fā)展歷史 是 緊密相關(guān)的 。 永磁同步電機以其效率高、比功率大、結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能效果顯著等一系列優(yōu)點在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中逐步得到廣泛應(yīng)用。尤其是近年來高耐熱性、高磁性能釹鐵硼永磁體 的成功開發(fā)以及電力電子元件的進一步發(fā)展和改進，稀土永磁同步電機的研究開發(fā)在國內(nèi)外又進人了一個新的時期，在理論研究和應(yīng)用領(lǐng)域都將產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，目前正向超高速、高轉(zhuǎn)矩、大功率、微型化、高功能化方向發(fā)展。 永磁同步電機不需要勵磁繞組，結(jié)構(gòu)比較簡單，磁場部分沒有發(fā)熱源，不需要冷卻裝置，材料的矯頑力高，氣隙長度可以取較大值從而使大幅度提高轉(zhuǎn)速成為可能。目前已制成 4(2 3) 10 r/m in 的電機，如美國通用電氣公司研制的 150kW 、 23000r/min 的徑向氣隙型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)航空用稀土永磁發(fā)電機，外轉(zhuǎn)子型用于電動車的 、 27000r/min 的電機。目前正在研制每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)的電機。 耐熱、高磁性能釹鐵硼永磁材料的開發(fā)成功將使其在大功率永磁同步電機中獲得重要應(yīng)用。運輸業(yè)和工業(yè)中諸如電動汽車、混合型 (內(nèi)燃機與電動機并用 )動力汽車、列車、電梯、機床、機器人等，對大功率電動機的需求正在增長。船舶推動電機 要求低速大轉(zhuǎn)矩。德國西門子公司于 1986年研制 1095kW 、 230r/min 的六相永磁同步電動機，用于艦船的推進，與過去使用的直流電動機相比，體積可減小 60%左右，損耗可降低 20%左右 [7]。另外 1760kW 永磁同步推進電機裝于 U212潛艇試用，其長度和有效體積與傳統(tǒng)的直流推進電機相比減少 40%。瑞士 ABB公司已經(jīng)建造了超過 300艘的電力推進船舶最大安裝容量達(dá)到了192 10 MW? ，其研制的 400kW到 3MW 永磁同步電機用于：“ Compact Azipod”吊艙式電力推進系統(tǒng)。法國熱蒙工業(yè)公司 1987年研制的 400kW 、500r/min 永磁電機樣機與直流電機相比，體積也減少了 40%。 1996年， 12相、 1800kW 、 180r/min 永磁推進電機及 控制裝置已完成研制及所有的實船試驗。同年，英國展出了“海航”號輕型隱身護衛(wèi)艦設(shè)計模型。該艦裝有兩臺 21MW 永磁同步電機在巡航或隱身時直接驅(qū)動螺旋槳。 由于釹鐵硼永磁的最大磁能積很高，特別是能制成超薄型的永磁體，從而使過去難以制作的超微型和低慣量電動機得以實現(xiàn)。目前已開發(fā)出直徑幾毫米以下的超小型電動機用作醫(yī)療微型機器、眼球手術(shù)用機器人手臂或管道檢查用機器人等場合的驅(qū)動源。現(xiàn)已制成外徑 、長 的世界上最小的永磁電動機。 在高溫、高真空度或空間狹小等特殊場合難以使用傳統(tǒng)電機，而稀土永磁電機可以耐高溫 (指釤鈷或高耐熱性釹鐵硼磁體 )，且體積小，正好能滿足這些特殊要求。宇航設(shè)備中的機械手、原子能設(shè)備的檢查機器人和半導(dǎo)體制造裝置等特殊 環(huán)境下工作的電動機，需要使用高溫電哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 動機和高真空電動機。已開發(fā)的有 150W、 3000r/min ，工作在 200～300℃ 高溫和 10 Pa?? 真空度環(huán)境下的三相四極永磁電動機，直徑105mm 、長 145mm ，采用高溫特性好的 2 17SmCo 永磁體 [78]。 電磁場有限元分析簡介 電磁場的分析和計算通常歸結(jié)為求微分方程的解。對于常微分方程，只要由輔助條件決定任意常數(shù)之后，其解就是唯一的。對于偏微分方程，使其解成為唯一的輔助條件可分為兩種：一種是表達(dá)場的邊界所處的物理情況、稱為邊界條件；另一種是確定場的初始狀態(tài)，稱為初始條 件。邊界條件和初始條件合稱為定解條件。目前，電磁場問題主要研究的是沒有初始條件而只有邊界條件的定解問題 —— 邊值問題。 有限元法是將整個求解區(qū)域離散化，分割成許多小的區(qū)域，稱之為“單元”或“有限元”， 傳統(tǒng)的有限元法以變分原理為基礎(chǔ)，把所要求解的微分方程型數(shù)學(xué)模型 — 邊值問題，首先轉(zhuǎn)化為相可以應(yīng)的變分問題，及泛函求極值問題；然后利用剖分插值，離散化變分問題為普通多元函數(shù)的極值問題，及最終歸結(jié)為一組多元的代數(shù)方程組，解之即得待求邊值問題的數(shù)值解 [9]。 在 19 世紀(jì)中葉，麥克斯韋在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，提出了適用于所有宏觀電磁現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型，稱之為麥克斯韋方程組。它是電磁場理論的基礎(chǔ)，也是工程電磁場數(shù)值分析的出發(fā)點。 麥克斯韋方程組包括微分和積分兩種形式，在此僅給出它們的微分形式，通過它們可以導(dǎo)出能用有限元處理電磁問題的微分方程。 法拉第電磁感應(yīng)定律： BE t??? ?? ? (1— 1) 麥克斯韋安培定律： DHJ t??? ? ? ? (1— 2) 高斯電通定律： D ??? ? (1— 3) 高斯磁通定律： 0B?? ? (1— 4) 電荷守恒定律： J t???? ??? (1— 5) 電磁場的經(jīng)典描述是麥克斯韋方程組，電機電磁場分析 — 般采用位函哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 數(shù)表示，位函數(shù)比場量本身更容易建立邊界條件。位函數(shù)包括磁矢位 A 和磁標(biāo)位 ? ， 由于使用磁矢位可以很方便地給出磁力線分布并求出磁通，目前二維電磁場計算大都采用磁矢位。 在電磁場問題求解中，有各種各樣的邊界條件，結(jié)合 Maxwell 3D/2D,歸結(jié)起來可概括為 6 類。 自然邊界條件是軟件系統(tǒng)的默認(rèn)邊界條件，不需要用戶指定。是不同媒介交界場量的切向和法向邊界條件。 電磁場教科書中常常稱諾伊曼邊界條件為第二類邊界條件，它規(guī)定了邊界處勢的法向?qū)?shù)分布。 Maxwell 所提到的是齊次諾 伊曼邊界，即法向?qū)?shù)是零。它是 Maxwell 系統(tǒng)默認(rèn)的邊界條件，不需要用戶指定。 電磁場教科書中常常稱狄利克萊邊界條件為第一類邊界條件，有限元計算領(lǐng)域，常常稱其為約束邊界條件，或本質(zhì)邊界條件。它規(guī)定了邊界處勢的分布，勢是邊界位置的函數(shù)，也可以是常數(shù)和零。 對稱邊界條件包括奇對稱和偶對稱兩大類。奇對稱邊界可以模擬一個設(shè)備的對稱面，在對稱面的兩側(cè)電荷、電位、電流大小相等，符號相反。偶對稱邊界可以模擬一個設(shè)備的對稱面，在對稱面的兩側(cè)電荷、電位、電流等滿足大小相等、符號相 同。采用對稱邊界條件可以減小模型的尺寸，有效地節(jié)省計算資源。 匹配邊界條件是模擬周期性結(jié)構(gòu)的對稱面，使主邊界和從邊界場量具有相同的幅度，相同或想反的方向。 氣球邊界條件是 Maxwell 2D 求解器常見的邊界條件，常常指定在求解區(qū)的外邊界處，用于模擬絕緣系統(tǒng)等。 除此之外，有一些求解器中還有各自“特色”的邊界條件，如交變電場中的電阻邊界、渦流場中