【正文】 永磁同步電動機的設計及結構研究畢業(yè)論文 第1章 緒 論永磁同步電動機的運行原理與電勵磁同步電動機相同。但它以永磁體提供的磁通替代后者的勵磁繞組勵磁，使電動機結構較為簡單，降低了加工和裝配費用，且省去了容易出問題的集電環(huán)和電刷，提高了電動機運行的可靠性，又因無需勵磁電流，省去了勵磁損耗，提高了電動機的效率和功率密度，因而它是近年來研究得較多并在各個領域中得到越來越廣泛應用的一種電動機。 永磁性材料簡述永磁電機的性能、設計制造特點和應用范圍都與永磁材料的性能密切相關。永磁材料種類眾多，性能差別很大，只有全面了解后才能做到設計合理，使用得當。因此，在研究永磁電機之前，首先從設計制造永磁電機的材料需要出發(fā)，扼要介紹電機中最常用的幾種主要永磁材料。 稀土永磁材料稀土永磁體的磁能積比電磁鐵高得多，其磁能量密度已接近超導裝置的水平。它的主要用途是用于同步或無刷直流電機。將磁體放入感應電機的轉子內，其電機具有很高的效率和功率因數，可作為同步電機使用，也可以作為速度、轉矩和效率可控的直流無刷電機使用?，F(xiàn)在許多型號的電機，都有自己的功能和用途。在工業(yè)先進的國家，使用永磁體占20%左右，我們國家剛剛起步，稀土永磁電機的應用，主要取決于磁體的價格。近幾年來，釹鐵硼永磁材料的磁性能大幅度提高，熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性也有了較大的進展，價格也相對有所減低，國內外都出現(xiàn)一個新的應用高潮。我國稀土資源豐富，稀土儲存量為世界其他各國存量之和的4倍，稀土礦石和釹鐵硼永磁燒結的產量已居世界前列。充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應用稀土永磁電機，具有重要的意義。 在永磁電機產品結構方面，鋁鎳鈷和鐵氧體永磁幾乎各占一半市場，釹鐵硼永磁材料則以優(yōu)異的磁性能得到迅速發(fā)展。鐵氧體永磁以廉價的優(yōu)勢占據低檔電機的市場。鋁鎳鈷應用市場所占有的比例將相對減少，現(xiàn)有的大部分將被釹鐵硼取代。但由于鋁鎳鈷溫度穩(wěn)定性高，在高精度測速電機等信號類型微電機中仍然會占有一席之地。永磁同步電動機由于取消了勵磁繞組、集電環(huán)和勵磁柜，與普通電勵磁同步電動機相比，不僅提高了可靠性和維護性，其效率也有了較大提高；與異步電動機相比，不但效率提高，功率因數也大大改善。因此，研制中型高效稀土永磁同步電動機替代普通異步電動機和電勵磁同步電動機，可改變目前我國電能浪費嚴重的現(xiàn)狀，帶來可觀的節(jié)能效果和顯著的經濟社會效益。我國是稀土大國，稀土儲量占世界的80%，研究和開發(fā)中型高效稀土永磁同步電動機還可大面積推廣應用我國資源豐富的釹鐵硼永磁材料，變資源出口為高附加值產品出口，并促進稀土永磁材料行業(yè)、電機行業(yè)、風機水泵行業(yè)和石油化工行業(yè)的產品結構調整和更新?lián)Q代，產生以科技為先導的新的經濟增長點，并促進一些重工業(yè)行業(yè)電機拖動方面的節(jié)能改造。稀土永磁電機的研究和開發(fā)大致可以分為三個階段:(1) 60年代后期和70年代，由于稀土鉆永磁價格昂貴，研究開發(fā)的重點是航空、航天用電機和要求高性能而價格不是主要因數的高科技領域。(2) 80年代，特別是1983年出現(xiàn)價格相對較低的鋁鐵硼永磁后，國 內外的研究開發(fā)重點轉移到工業(yè)和民用電機上，稀土永磁的優(yōu)異磁性能，加上電力電子器件和微機控制技術的迅猛發(fā)展，不僅使許多傳統(tǒng)的電勵磁電機紛紛用稀土永磁電機來取代，而且可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的電勵磁電機所難以達到的高性能。(3)進入90年代，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是鋁鐵硼永磁材料的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低，稀土永磁電機的研究開發(fā)進入了一個新的階段。目前，稀土永磁電機的單臺容量已經超過1000kW，我國己制成了110kW和250kW的永磁同步電動機，其效率高達95%。德國制成的6相變頻電源供電的1095kW稀土永磁同步電動機，與過去使用的直流電動機相比，體積減少到60%左右，總損耗降低了20%左右。從上敘述不難看出，稀土永磁材料各方面的性能和特點都優(yōu)于其它的永磁材料。所以，本課題設計的永磁同步電動機中永磁體選用稀土永磁材料。 其它永磁材料 鋁鎳鈷永磁鋁鎳鈷（AINio）永磁是20世紀30年代研制成功的。當時，它的磁性能最好，溫度系數又小，因而在永磁電機中應用得最多、最廣。60年代以后，隨著鐵氧體永磁和稀土永磁的相繼問世，鋁鎳鈷（AINio）永磁在電機中的應用被取代，所占比例呈下降趨勢。按加工工藝的不同，鋁鎳鈷（AINio）永磁分鑄造型和粉末燒結型兩種。前者的磁性能較高。后者的工藝簡單?？芍苯訅褐瞥伤栊螤睢Ｔ谟来烹姍C中常用的是鑄造型。鋁鎳鈷永磁的顯著特點是溫度系數小， % 左右，因此，隨著溫度的改變磁性能變化很小，目前仍被廣泛用于儀器儀表類要求溫度穩(wěn)定性高的永磁電機中。這種材料的剩余磁感應強度較高，但是它的矯頑力很低，通常小于160KA/m。它的退磁曲線呈現(xiàn)非線性變化。由于鋁鎳鈷永磁的回復線與退磁曲線并不重合，在磁路設計制造時要注意它的特殊性，由它構成的磁路必須事先對永磁體進行穩(wěn)磁處理，即事先人工預加可能發(fā)生的最大去磁效應，人為地決定回復線的起始點P的位置，使永磁電機在規(guī)定或預期的運行狀態(tài)下，回復線的起始點不再下降。鋁鎳鈷永磁電機的磁極上通常都有極靴且備有再充磁繞組，使其可以再次充磁來恢復應有的磁能。依據鋁鎳鈷永磁材料矯頑力低的特點，在使用過程中，嚴格禁止它與任何鐵器接觸，以免造成局部的不可逆嬡辜勤辜通頒的畸變。另外，為了加強它的抗去磁能力，鋁鎳鈷永磁磁極往往設計成長柱體或長棒形。鋁鎳鈷永磁硬而脆，可加工性能較差，僅能進行少量磨削或電火花加工，因此加工成特殊形狀比較困難。 鐵氧體永磁材料鐵氧體永磁材料屬于非金屬永磁材料，在電機中常用的有兩種。鋇鐵氧體（）和鍶鐵氧體（）。它們的磁性能相差不多，而鍶鐵氧體的Hc值略高于鋇鐵氧體，更適于在電機中使用。鐵氧體永磁的突出優(yōu)點：價格低廉，不含稀土元素、鈷、鎳等貴金屬；制造工藝也較為簡單；矯頑力較大，Hc為128 ～ 320KA/m，抗去磁能力較強，密度小，只有4 ～ ,質量較輕；退磁曲線接近于直線，或者說退磁曲線的很大一部分接近直線，回復線基本上與退磁曲線的直線部分重合，可以不需要象鋁鎳鈷永磁那樣進行穩(wěn)磁處理，因而在電機中應用最為廣泛，是目前電機中用量最大的永磁材料。鐵氧體永磁的主要缺點：剩磁密度不高， ～， ～40 。因而需要加大提供磁通的截面積，使電機體積增大，環(huán)境溫度對磁性能的影響大，剩磁溫度系數為，矯頑力溫度系數為。必須指出，鐵氧體永磁的為正值，其矯頑力隨溫度的升高而增大，隨溫度降低而減小，這與其化幾種常駐用永磁材料不同。因此，鐵氧體永磁在使用時要進行最低環(huán)境溫度時最大去磁工作點的校核計算，以防止在低溫度時產生不可逆退磁。另外，鐵氧體永磁材料硬而脆，且不能進行電加工，僅能切片和進行少量磨加工，通常彩軟質砂輪，最好選用R3碳化硅砂輪，并且磨削速度要適當，磨削中要用水充分冷卻，這樣既能加快磨削速度，又不致磨裂永磁體。 粘結永磁材料粘結永磁材料是用樹脂、朔料或低熔點合金材料為粘結劑，與永磁材料粉末均勻混合，然后用壓縮、注射或擠壓成形等方法制成的一種復合型永磁材料。按所用永磁材料種類不同。分為粘結鐵氧體永磁、粘結鋁鎳鈷永磁、粘結稀土永磁和粘結釹鐵硼永磁。通常的鑄造或燒結永磁體相比，粘結磁體因含有粘結劑而使磁性能稍差，但卻具有如下的顯著優(yōu)點：1）形狀自由度大 容易制成形狀復雜的磁體或薄壁環(huán)、薄片關磁體。注射成形時還能嵌入其化零件一起成形。2）尺寸精度高，不變形 燒結磁體的收縮率為13%～ 27%，% ～%。不需要二次加工就能制成高精度的磁體。3）產品性能分散性小 合格率訓，適于大批量生產。4）機械強度高 不易破碎，可進行切削加工。5）電阻率啟、易于實現(xiàn)多極充磁。6）原材料利用率高 澆口、邊角料、廢品等進行退磁處理，粉碎后能簡單地再生使用。7）密度小、質量輕。因此，采用粘結永磁體，可以簡化電機制造工藝，并且能獲得良好的電機性能，特別是對于一次成形的多極轉子或多極定子。采用粘結永磁體有它得天獨厚的優(yōu)點，深受用戶歡迎. 永磁同步電機的發(fā)展概況 國內外對開發(fā)高效電動機都很重視。各國學者和研究人員都紛紛致力于高磁場永磁材料，永磁式電動機及其驅動系統(tǒng)的理論和應用研究，取得了卓有成效的研究和開發(fā)成果。 永磁同步電機在國內的發(fā)展概況自20世紀80年代開始，我國學者和研究人員都紛紛致力于高磁場永磁材料，永磁式電動機及其驅動系統(tǒng)的理論和應用研究，并取得了卓有成效的研究和開發(fā)成果。國內在高效永磁電機的研究開發(fā)方面做了大量的工作，先后有沈陽工業(yè)大學、西北工業(yè)大學、華中理工大學、清華大學、上海電器科學研究所等相繼進行高效永磁電機研制開發(fā)，取得許多成果。，效率高達91%，節(jié)電率高達10%以上，批量生產后獲得用戶好評。我國已開發(fā)的容量較大的有上海電機廠開發(fā)的110KW和北京重型電機廠開發(fā)的250KW高效釹鐵硼永磁同步電動機。首鋼機電有限公司電機廠與沈陽工業(yè)大學工程院院士唐任遠教授合作，歷時２年共同研制開發(fā)了TYX3004300KW稀土永磁電機,此項目是國家高技術研究發(fā)展(863)計劃重大項目“釹鐵硼電機應用產品開發(fā)”(863Z3703)增補項目。該電機經北京重型電機廠試驗，啟動性能、電機效率、功率因數、過載倍數等各項指標都達到預期的良好效果。通過在首鋼動力廠二供水車間9泵站方坯二冷系統(tǒng)2機(47D)號泵位運行，各項主要指標(效率、功率因數、起動、過載)遠超過被替代的原JS1384300KW異步電機，節(jié)電效果顯著。目前，該電機是國內運行的最大高壓永磁電機，而且各項技術指標都超過以往，尤其在中大型永磁電機里的節(jié)電率方面體現(xiàn)了較高的水平。目前，在我國包括微型特種電機，中小型電動機和大型發(fā)電機在內的各類電機都可以采用永磁同步電機。例如，它可適用于汽車、儀表、鐘表、計算機外圍設備、航空設備、音像設備等。特別“八五”期間，我國不少專業(yè)研究單位和工礦企業(yè)在調整產品結構，提高產品質量，加速技術開發(fā)和全面實現(xiàn)產品國產化的主導思想基礎上，大力開展了永磁同步電動機及其驅動系統(tǒng)的實用性的應用研究，取得了相應的開發(fā)性成果。隨著國民經濟和科學技術的發(fā)展，特別是高新技術的迅速發(fā)展，對電機產品的性能和品種提出了許多的新的要求。從而也為電機產品獲得了更大的發(fā)展空間。我國許多高校和科研單位自上世紀80年代開始就紛紛開始進行高效率同步電動機的研制，取得了明顯的節(jié)能效果，0. 8kW 紡織專用永磁同步電動機，效率高達91%。我國已批量生產數控機床用的稀土永磁直流無刷電動機，調速比高達l: 100000。在我國，1990年生產的各類永磁式微型特種電機近7000萬臺，約占我國微特電機總產量的70%. 永磁同步電機在同外的發(fā)展概況國外研制開發(fā)高效永磁電動機已有二十多年的歷史。1987年，～，效率比一般異步電動機高2%～8%,～，～。英國、前蘇聯(lián)、美國等也相繼推出類似系列產品，但功率普遍不大，最大不超過50KW。變頻調速的永磁同步電動機由于靠變頻器逐步提高電源頻率起動，轉子上無需安置起動籠，允許有較大的空間放置永磁體，可以制成較大功率的永磁電動機，目前已公布的世界上容量最大的變頻調速永磁電機是德國制造的1095KW船用電機。根據資料顯示，1990年日本的永磁式微型特種電機產量高達20億臺，1993年達到25億臺，接近 10 % 的年增長率。美國Electronicast公司預測，美國永磁直流小功率電動機市場平均年增長率可達25 % 。 永磁同步電機的分類 永磁同步電動機簡介隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化的高度發(fā)展，電機產品越來越多地應用于各個工業(yè)領域，并且小型化、輕型化的產品愈來愈受到人們的青睞。眾所周知，電機是以磁場為媒介進行機械能和電能相互轉換的電磁裝置。為了在電機內建立進行機電能量轉換所必需的氣隙磁場，可以有兩種方法。一種是在電機繞組內通以電流來產生磁場，即電勵磁電機。這種電勵磁電機既需要有專門的繞組和相應的裝置，又需要不斷供給能量以維持電流流動:另一種是由永磁體產生磁場，即永磁電機。由于永磁材料的固有特性，它經過預先磁化以后，不再需要外加能量就能在其周圍空間建立磁場，這樣既可簡化電機結構，又可以節(jié)約能量。所以永磁電機正是適用于目前的市場需求迅速的發(fā)展起來，并逐步替代電勵磁電機。稀土永磁的問世，特別是第三代稀土永磁——鋁鐵硼永磁的出現(xiàn)，推動了電機產品相輕型化、高性能化發(fā)展，從而導致了電機產品的革命性變化。稀土永磁同步電機以轉子上稀土永磁體產生的勵磁代替普通同步電機的磁極繞組勵磁和異步電機的無功電流勵磁。因此，稀土永磁同步電機與前者向相比，去掉了電勵磁損耗，簡化了結構，大大提高了生產的工藝性?？杀苊鈴碾娋W中吸取無功電流，提高了電機力能指標，減輕配電環(huán)節(jié)的負擔，提高電網的利用率。稀土永磁同步電機還以其同步后轉速恒定，便于多臺電機準確同步運行，并便于變頻調速等優(yōu)點，進一步拓寬了其應用場合。由于轉子結構的不同，無論徑向或橫向的永磁轉子，都使永磁電機在三個方面不同于常規(guī)同步電機:(1) Xd明顯小于XQ；(2)勵磁在一定情況下是恒定的；(3)磁路的飽和效應比較強烈。 永磁同步電動機的分類永磁同步電動機分類方法比較多：按工作主磁場方向的不同，可分為公式向磁場式和軸向磁場式；按電樞繞組位置的不同，可分為內轉子式（常見式）和外轉子式；按轉子上有無起動繞組，可分為無起動繞組的電動機（用于變頻器供電的場合，利用頻率的逐步升高而起動，并隨著頻率的改變而調節(jié)轉速，常稱為調速永磁同步電動機）和有起動繞組的電動機（即可以用于調速運行又可以在某一頻率和電壓下利用起動繞組所產生的異步轉矩起動，常稱為異步起動永磁同步電動機）；按供電電流小型的不同，可分為：方波驅動的永磁同步電動機和正弦波動的永磁同步電動機。主要的原因是由于轉子永磁磁極的磁場分別造成的，如圖所示(人們?yōu)榱藚^(qū)分二者，把梯形波驅動的永磁同步電動機稱為永磁無刷直流電動機，把正弦波驅動的永磁同步電動機稱為永磁同步電動機，除特別說明外，本文按梯形波驅動的永磁同步電動機稱為永磁無刷直流電動機，正弦波驅動的永磁同步電動機稱為永磁同步電動機方式命名)。圖12中E為轉子磁通所產生的反電動勢。