【正文】 為下一章的設(shè)計做好了準(zhǔn)備 。當(dāng)1/2nn? ，即 ? 時， (1 2 ) 0sf??，相當(dāng)于這臺感應(yīng)電動機運行于同步轉(zhuǎn)速，在次級繞組（定子）中無感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)矩為零。下面對異步起動永磁同步電動機的起動過程進(jìn)行簡要分析。隔磁磁橋很窄通過較小的磁通就可使其達(dá)到飽和，從而限制漏磁，磁橋的寬度越小，隔磁效果越明顯，但機械強度越差，通常為 1 左右 [11]。其優(yōu)點在于一個極距下的磁通由相鄰兩個磁極并聯(lián)提供，可得到更大的每極磁通。但轉(zhuǎn)子表面無法安裝起動繞組，無異步起動能力，不能用于異步起動永磁同步電動機。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 按照永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置不同，永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)一般分為三種：表面式、內(nèi)置式和爪極式。 (a) (b) 圖 2—2 定子槽型 (a)— 梨形槽 (b)— 梯形槽 為提高零部件的通用性、縮短開發(fā)周期，在進(jìn)行異步起動永磁同步電動機設(shè)計時，常常選用感應(yīng)電機的定子沖片、機殼、端蓋和軸等。 另外，由于 釹鐵硼 永磁材料的溫度系數(shù)較高，造成其磁性能熱穩(wěn)定性較差。室溫下 剩余磁感應(yīng)強度 rB 現(xiàn)可高達(dá) ，磁感應(yīng)矯頑力 cH可達(dá) 992kA/m ，最大磁能積 max()BH 高達(dá) ，是目前磁性能最高的永磁材料。其特點是剩余磁感應(yīng)強度 rB 、磁感應(yīng)矯頑力 cH 及最大磁能積 max()BH 都很高。 本 文主要研究內(nèi)容 、存在問題和發(fā)展趨勢，簡單介 紹有電磁 場有限分析 ， 及 異步起動永磁同步電動機的基本工作原理。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。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。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。 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)。船舶推動電機 要求低速大轉(zhuǎn)矩。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 。 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。 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。 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(jìn)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。主要進(jìn)行了電機的磁路計算、繞組計算、參數(shù)計算、損耗計算。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已經(jīng)在國外蓬勃發(fā)展，而在國內(nèi)電機行業(yè)也以驚人的速度在發(fā)展。s emphasis on saving energy, with the concept of environment protection, energysaving materials, permanent mag synchronous motor has been flourishing in foreign countries, and in the national domestic, motor industry at an alarming rate in the development. Depended on the practical technical requirements, a high performance NTP permanent mag motor is designed. The rated speed is 1500rpm, and the rated power is 15kW. The magic circuit design, winding design, parameter calculation and loss calculation are carried on. The inductance parameter that impacts the control performance of the motor is calculated and simulated by Ansoft, and the result is pared to the conventional magic circuit calculation. Through the change of the length of length armature, the thickness of the silicon steel sheet, air gap length and the pole slot number, the motor design is optimized. The low cost, small volume and high efficiency motor is obtained. Keywords Permanent mag synchronous； Electromagic calculation。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。 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。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。目前正在研制每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)的電機。 1996年， 12相、 1800kW 、 180r/min 永磁推進(jìn)電機及 控制裝置已完成研制及所有的實船試驗。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]。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。 Maxwell 所提到的是齊次諾 伊曼邊界，即法向?qū)?shù)是零。 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。正常運行時，轉(zhuǎn)子運行在同步轉(zhuǎn)速，鼠籠轉(zhuǎn)子不再起作用，其工作原理與電勵磁同步 電動機基本相同，不同之處在于永磁同步電動機由永磁體提供機電能量轉(zhuǎn)換所需要的磁場，取消了電勵磁永磁同步電動機中的集電環(huán)、電刷以及勵磁電源，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、能量密度顯著提高，隨著永磁體材料性能的不斷提高和對節(jié)能的迫切需求，異步起動永磁同步電動機在紡織、油田等行業(yè)得到了較大范圍的應(yīng)用。 由于 稀土鈷永磁材料硬而脆，抗拉強度和抗彎強度均較低，僅能進(jìn)行少量的電火花或線切割加工，所以在永磁體尺寸的設(shè)計上要避免過多的加工余量以免造成浪費和成本增加。所以要對其表面進(jìn)行涂層處理，目前常用的涂層有環(huán)氧樹脂噴涂、電泳和電鍍等，一般涂層厚度為 10～40 m? 。為減小磁場引起的渦流損耗和磁滯損耗，定子鐵心通常由 厚的硅鋼片疊壓而成，上面沖有均勻分布的槽，內(nèi)嵌三相對稱繞組。 1VL? 2VL? 3VL? 4VL? 5VL? 圖 2— 3 轉(zhuǎn)子槽型 籠型永磁轉(zhuǎn)子是最常見的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵心由 厚的硅鋼片疊壓而成，上面沖有均勻分布的槽，通常采用半閉口槽，如圖 2— 3 所示。 表面插入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)可充分利用轉(zhuǎn)子磁路的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電動機的功率密度，動態(tài)性能較凸出式有所改善，制造工藝也較簡單，常被某些調(diào)速永磁同步電動機所采用。這類結(jié)構(gòu)（圖 2— 5(b)）的優(yōu)點是漏磁系數(shù)小、轉(zhuǎn)軸上不需采取隔磁措施、極弧系數(shù)易于控制、轉(zhuǎn)子沖片機械強度高、安裝永磁體后轉(zhuǎn)子不易變形等。爪極式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)永磁同步電動機的性能較低，又不具備異步起動能力，但結(jié)構(gòu)和工藝較為簡單。在同步運行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)不再產(chǎn)生電流（忽略定子諧波磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流），此時轉(zhuǎn)子上只有永磁磁場，它與定子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。 轉(zhuǎn)子的正旋轉(zhuǎn)磁場與定子 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)租都是 1n （相對于定子），彼此相對靜止，相互作用產(chǎn)生感應(yīng)電動機那樣的異步轉(zhuǎn)矩 aT 。 因此，永磁同步電動機起動過程中的總平均轉(zhuǎn)矩 avT 由 aT 、 bT 和 gT 三個平均轉(zhuǎn)矩分量構(gòu)成。 n a NmNn(1 ) 0 .7 5 4 71fb ? ? ????? 式中 a d d p d NaN 0 c M0 .4 5 m K K N If p H h?? ?； dNI 輸出額定功率時定子電流的直軸分量 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 N1i12 2 2 4 .8 5 6 A / c mm N IA D??? 211211t1 96 A / m m()2IJ daN??? 2211 / ( c m m m )AJ ? n a d hmhn(1 ) 0 .3 1 3 41fb ? ? ????? 式中 a d d p a 。 下面再分析轉(zhuǎn)子中永磁體的作用。設(shè)起動某一瞬間電動機的轉(zhuǎn)差率為 s 電動機轉(zhuǎn)子以 1(1 )n s n?? 的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，則在轉(zhuǎn)子起動繞組中感應(yīng)出頻率為 sf 的交流電流。在這個過程中，轉(zhuǎn)子永磁磁場與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速不同，產(chǎn)生交變轉(zhuǎn)矩。 混合式結(jié)構(gòu) 這類結(jié) 構(gòu) （圖 2— 5(c)）集中了徑向式和切向式結(jié)構(gòu)的特點，但其結(jié)構(gòu)和制造工藝均較復(fù)雜，制造成本也比較高。 按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系， .內(nèi)置式轉(zhuǎn) 子磁路結(jié)構(gòu)又可分為徑向式、切向式和混合式三種。 (a) (b) 圖 2— 4 表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) (a) 凸出式 ； (b)插入式 1— 永磁體； 2— 轉(zhuǎn)子鐵心； 3— 轉(zhuǎn)軸 表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 由于具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本較低、轉(zhuǎn)動慣量小等優(yōu)點，在矩形波永 磁同步電動機和恒功率運行范圍不寬的正弦波永磁同步電動機中得到了廣泛的應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)靠旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子鐵心感應(yīng)的渦流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩起動，無需起動繞組。 如 圖 2— 1 為 異步起動永磁同步電動機 轉(zhuǎn)子磁路 結(jié)構(gòu)示意圖。因而在高溫下使用時磁損失較大。因此這種永磁材料的磁性能穩(wěn)定性最好，很 適合用來制造各種高性能的永磁電機。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 第 2章 異步起動永磁同步電動機的 基本原理 異步起動永磁同步電動機式具有自起動能力的永磁同步電動機，兼有感應(yīng)電動機和電勵磁同步電動機的特點。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。是不同媒介交界場量的切向和法向邊界條件。 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。瑞士 ABB公司已經(jīng)建造了超過 300艘的電力推進(jìn)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(jìn)系統(tǒng)。 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。 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。 便于構(gòu)成新型磁路。 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。 關(guān)鍵詞 永磁同步； 電磁計算 ；有限元仿真 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 II Design of Internal Rotor Line Start Permanent Mag Synchronous Motor Abstract With advances in magic materials technology and electronic power technology development, technical difficulties are gradually being overe。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I 內(nèi)置式 異步起動 永磁 同步電動